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Dokumentenidentifikation DE102005047176A1 19.04.2007
Titel Elektrische Synchronmaschine und Verfahren zu ihrer Herstellung
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Babajanyan, Artem, 76532 Baden-Baden, DE
DE-Anmeldedatum 30.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005047176
Offenlegungstag 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse H02K 21/12(2006.01)A, F, I, 20050930, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 1/27(2006.01)A, L, I, 20050930, B, H, DE   H02K 15/02(2006.01)A, L, I, 20050930, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird eine elektrische Synchronmaschine (1) mit einem Stator (5), einer elektrischen Wicklung (10) und einem Rotor (15) mit Permanentmagneten ausgebildet durch Bauteile (20) aus Magnetwerkstoffen vorgeschlagen, wobei der Rotor (15) mindestens ein erstes (30) und ein zweites Rotorteil (35) aufweist und die Permanentmagnete zwischen dem ersten (30) und dem zweiten Rotorteil (35) angeordnet sind. In einer besonderen Ausführungsform ist das erste Rotorteil (30) durch ein Außen- und das zweite Rotorteil (35) durch einen Innenrotorteil ausgebildet. Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Synchronmaschine (1) beschrieben.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine elektrische Synchronmaschine und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Unter einer elektrischen Synchronmaschine wird allgemein ein Wechsel- bzw. Drehstromgenerator oder -motor verstanden, wobei die wesentlichen Bestandteile ein Stator mit elektrischen Wicklungen und ein Rotor mit Permanentmagneten sind. Typischerweise ist der Stator als Anker und der Rotor als Polrad ausgebildet.

In 1a ist solch eine Synchronmaschine 1 dargestellt. Der Stator 5 ist hier eine Ständerlamelle und ist mit einer elektrischen Wicklung 10, hier Ständerwicklung, versehen. Im inneren Bereich der Ständerlamelle ist der Rotor 15 angeordnet, welcher hier als eine Läuferlamelle ausgebildet ist. Die Läuferlamelle weist weiter Bauteile 20 aus Permanentmagneten auf, die in so genannten Magnettaschen 25 der Läuferlamelle eingefügt worden sind. Magnettaschen sind Aussparungen in der Läuferlamelle zur Aufnahme von Magneten. 1b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 1a und die Magnettaschen 25 sind in dieser Abbildung gut erkennbar.

Bei der Fertigung einer solchen Synchronmaschine 1 werden zunächst Bauteile 20 aus Magnetwerkstoffen im bereits aufmagnetisierten Zustand oder auch im noch nicht aufmagnetisierten Zustand in die Magnettaschen 25 montiert (2). Sind die Bauteile 20 aus Magnetwerkstoffen im bereits aufmagnetisierten Zustand, so sind sie bereits vor der Montage Permanentmagnete. Sind die Bauteile 20 jedoch im noch nicht aufmagnetisierten Zustand, so müssen sie nach der Montage aufmagnetisiert werden. Dadurch werden sie zu einem Permanentmagneten überführt.

Auf jeden Fall werden die Bauteile 20 in die Magnettaschen 25 der Läuferlamelle eingeschoben. Meist sind die Bauteteile 20 dabei mit einem Klebstoff versehen, um das Fixieren der Bauteile 20 in den Magnettaschen 25 zu unterstützen.

Bei der beschriebenen Montage können jedoch leicht Fertigungsfehler entstehen, die unterschiedliche Ursachen haben: Beim Aneinanderklatschen von Bauteilen 20 aus Magnetwerkstoffen kann ein Splittern der Bauteile 20 eintreten, wodurch einerseits die Bauteile 20 selbst beschädigt werden und andererseits insbesondere bei einer manuellen Fertigung Verletzungsgefahr für das Arbeitspersonal besteht. Auch wird das Einschieben der Bauteile 20 begleitet von Verschmutzungsgefahren, da die Bauteile 20 verschmutzende Partikel wie Metallspäne anziehen. Schließlich besteht noch die Möglichkeit, dass sich beim Einschieben der Bauteile 20 der auf den Bauteilen 20 aufgebrachte Klebstoff an den Kanten der Bauteilen 20 abstreift und/oder durch die Bauteile 20 herausgedrückt wird. Daraus resultiert eine Verschmierung der Stirnseiten des gefertigten Läufers durch den Klebstoff.

Grundsätzlich ist bei der Montage die Handhabung von Bauteilen 20 aus Magnetwerkstoffen im bereits aufmagnetisierten Zustand schwieriger und die Verletzungsgefahr größer als im Falle von Bauteilen 20 im noch nicht aufmagnetisierten Zustand. So können die oben beschriebenen Fertigungsfehler durch Einsatz von Bauteilen 20 im noch nicht aufmagnetisierten Zustand zumindest reduziert werden. Nachteilig ist jedoch in solchen Fällen, dass diese Bauteile 20 – wie bereits erwähnt – dann anschließend im montierten Zustand über einen separaten, zusätzlichen Prozess durch ein äußeres Magnetfeld aufmagnetisiert werden müssen. Dieser Prozess ist aber an einem vollständigen Rotor sehr schwierig und üblicherweise wird nicht die gleiche Qualität der Magnetisierung erreicht wie bei einer externen Magnetisierung. So werden im Magnetisierungsprozess insbesondere die Kanten der Bauteile 20 nicht von Feldlinien des äußeren Magnetfeldes erreicht, so dass daraus nicht magnetisierte Bereiche der Bauteile 20 verbleiben.

Je mehr Magnettaschen 25 in einem Rotor 15 mit jeweils einem Magneten zu füllen sind, desto größer ist die Möglichkeit von Fertigungsfehlern. Nicht selten sind eine Vielzahl von Magnettaschen 25 mit jeweils einem Bauteil 20 aus Magnetwerkstoffen vorgesehen. In der EP 0 954 092 B1 wird beispielsweise eine elektrische Synchronmaschine beschrieben, wobei der Rotor der Synchronmaschine einen Rotorjoch mit zwölf Magnetöffnungen aufweist. In die Magnetöffnungen sind – wie bekannt – Permanentmagnete eingefügt.

Vorteile der Erfindung

Die elektrische Synchronmaschine 1 und das Verfahren zu ihrer Herstellung nach Anspruch 1 bzw. 8 hat den Vorteil, dass durch eine sichere und vereinfachte Fertigung der Synchronmaschine 1 die Fertigungsfehler zumindest weitgehendst beseitigt wird. Die Montage der Bauteile 20 aus einem Magnetwerkstoff am Rotor und damit auch die fertige Synchronmaschine 1 wird zuverlässiger, und zwar sowohl bei einer manuellen als auch maschinellen Fertigung.

Insbesondere werden die Bruchgefahr an den Bauteilen 20 und die Verletzungsgefahr beim Arbeitspersonal stark reduziert. Auch das Verschmieren des Klebstoffs wird vollständig vermieden, so dass am Ende der Fertigung ein sauberes Produkt bereitgestellt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1a eine elektrische Synchronmaschine,

1b einen vergrößerten Ausschnitt aus 1a,

2 das Einfügen eines Bauteils aus einem Magnetwerkstoff in eine Magnettasche,

3a das erfindungsgemäße Zusammenfügen von Bauteilen und Rotorteilen zu einem Rotor,

3b eine erfindungsgemäße Synchronmaschine,

4a bis 4d ein weiteres Zusammenfügen von Bauteilen aus Magnetwerkstoffen und Rotorteilen zu einem Rotor,

4e einen vergrößerten Ausschnitt aus 4d,

5a eine weitere erfindungsgemäße Synchronmaschine, und

5b einen vergrößerten Ausschnitt aus 5a.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Um die beschriebenen Fertigungsfehler zu beseitigen bzw. zumindest stark zu reduzieren, wird eine elektrische Synchronmaschine mit einem Stator, einer elektrischen Wicklung und einem Rotor mit Permanentmagneten vorgeschlagen, wobei der Rotor mindestens ein erstes und ein zweites Rotorteil aufweist und die Permanentmagnete zwischen dem ersten und dem zweiten Rotorteil angeordnet sind. Zur Herstellung einer solchen elektrischen Synchronmaschine wird grundsätzlich ein Verfahren mit folgenden Schritten durchgeführt:

  • a) Anbringen von Bauteilen aus Magnetwerkstoffen im bereits aufmagnetisierten oder nicht aufmagnetisierten Zustand auf ein erstes oder zweites Rotorteil,
  • b) Zusammenfügen der beiden Rotorteile zu einem Rotor derart, dass die Bauteile aus Magnetwerkstoffen zwischen den beiden Rotorteilen angeordnet werden und bei Bedarf Aufmagnetisieren der Bauteile, und
  • c) Zusammenfügen des Rotors und des Stators mit der elektrischen Wicklung zu einer elektrischen Synchronmaschine.

Mit Zeichnungen in der 3a wird ein erstes Ausführungsbeispiel beschrieben. Zunächst werden ein erstes 30 und ein zweites Rotorteil 35, die zusammengefügt einen Rotor 15 bilden, bereitgestellt. Gemäß Schritt a) werden Bauteile 20 aus Magnetwerkstoffen auf ein Rotorteil 30, 35 angebracht, hier im Beispiel auf Außenseiten des zweiten Rotorteils 35. Geeignete Magnetwerkstoffe sind Ferrite und Selten-Erd-Dauermagnete. Das Zusammenfügen wird bevorzugt mittels eines Klebevorgangs durchgeführt, wobei der Klebstoff auf Rotorteilen 30, 35 und/oder auf Bauteile 20 aufgebracht sein kann. In einem weiteren Schritt b) werden die beiden Rotorteile 30, 35 derart zu einem Rotor 15 zusammengefügt, dass die Bauteile 20 zwischen den beiden Rotorteilen 30, 35 angeordnet werden. Durch diese Vorgehensweise wird vermieden, dass die Bauteile 20 in vorhandene Magnettaschen 25 eingefügt werden müssen und dabei Fertigungsfehler verursachen. Stattdessen sind beim Anbringen der Bauteile 20 auf ein Rotorteil 30, 35 noch keine vollständigen Magnettaschen 25 vorhanden, vielmehr werden vollständige Magnetaschen 25 erst beim Zusammenfügen der Rotorteile 30, 35 gebildet. Zu diesem Zeitpunkt sind aber die Bauteile 20 bereits an vorgesehenen Stellen angebracht und fixiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl für Bauteile 20 aus Magnetwerkstoff im bereits aufmagnetisierten oder nicht aufmagnetisierten Zustand durchgeführt werden. Im letzten Fall werden die Bauteile 20 nach dem Zusammenfügen der beiden Rotorteile 15 aufmagnetisiert. Auf jeden Fall sind so am Fertigungsschluss Permanentmagnete vorhanden. Die Bauteile 20 und damit die Permanentmagnete weisen bevorzugt eine blockförmige Gestalt auf.

Schließlich wird in einem Schritt c) der Rotor 15 mit einem Stator 5 und einer elektrischen Wicklung zu einer Synchronmaschine 1 zusammengefügt (3b).

Im übrigen kann das erste 30 und/oder das zweite Rotorteil 35, also der Rotor 15, wie auch der Stator 5 in Form von Lamellen oder Blechen vorliegen. In solchen Fällen ist der Rotor 15 dann eine Läuferlamelle und der Stator 5 eine Ständerlamelle.

Wie z. B. aus 3a oder 4d erkennbar, ist typischerweise das erste Rotorteil 30 durch ein Außen- und das zweite Rotorteil 35 durch ein Innenrotorteil ausgebildet. Das Innenrotorteil ist, wie die Bezeichnung schon andeutet, im inneren Bereich des Rotors 15 angeordnet, während das Außenrotorteil den äußeren Bereich des Rotors 15 ausmacht. Dadurch wird ein zuverlässiges Zusammenhalten der Rotorteile 30, 35 erzielt. Weiter ist es günstig, wenn das Innenrotorteil flächig vom Außenrotorteil vollständig umgeben ist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden, um im Rotor 15 der Synchronmaschine 1 eine größere mechanische Festigkeit zu gewährleisten, ein erstes 30 und ein zweites Rotorteil 35 bereitgestellt (4a), die mit einem Formschluss miteinander verbunden werden. Dabei sind alle Formen wie beispielsweise eine Schwalbenschwanzverbindung geeignet, die eine Relativbewegung zwischen den beiden Rotorteilen 30, 35 durch Ineinandergreifen entsprechend geformter Rotorteile 30, 35 verhindern. Dadurch wird eine hohe mechanische Stabilität insbesondere gegen die Fliehkräfte bei hohen Drehzahlen erzielt. Das Anbringen von Bauteilen 20 aus Magnetwerkstoffen wird nun am mit Klebstoff versehenen Außenrotorteil durchgeführt (Schritt a), 4b), danach die beiden Rotorteile 30, 35 zusammengefügt (Schritt b), 4c). Beim zusammengefügten Rotor 15 in 4d und besonders im vergrößerten Ausschnitt in 4e ist der Formschluss 40 gut zu erkennen.

Im übrigen kann natürlich die Anzahl der Permanentmagnete in einem Rotor 15 mehr als zwei betragen. Sie ist bevorzugt gerade, inbesondere zwei oder vier. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vier Magneten ist in 5a dargestellt. In einem vergrößerten Ausschnitt gemäß 5b ist auch ein weiteres Beispiel für ein Formschluss gegeben.


Anspruch[de]
Elektrische Synchronmaschine (1) mit einem Stator (5), einer elektrischen Wicklung (10) und einem Rotor (15) mit Permanentmagneten ausgebildet durch Bauteile (20) aus Magnetwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (15) mindestens ein erstes (30) und ein zweites Rotorteil (35) aufweist, wobei die Permanentmagnete zwischen dem ersten (30) und dem zweiten Rotorteil (35) angeordnet sind. Elektrische Synchronmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rotorteil (30) durch ein Außen- und das zweite Rotorteil (35) durch ein Innenrotorteil ausgebildet ist. Elektrische Synchronmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrotorteil flächig vom Außenrotorteil vollständig umgeben ist. Elektrische Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (30) und das zweite Rotorteil (35) mit einem Formschluss (40) wie beispielsweise mit einer Schwalbenschwanzverbindung miteinander verbunden sind. Elektrische Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Permanentmagnete gerade, inbesondere zwei oder vier, ist. Elektrische Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete eine blockförmige Gestalt aufweisen. Elektrische Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (30) und/oder das zweite Rotorteil (35) in Form von Lamellen oder Blechen vorliegt. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Synchronmaschine (1) mit einem Stator (5), einer elektrischen Wicklung (10) und einem Rotor (15) aus mindestens einem ersten (30) und einem zweiten Rotorteil (35) und Permanentmagneten ausgebildet durch Bauteile (20) aus Magnetwerkstoffen, umfassend:

a) Anbringen von Bauteilen (20) im bereits aufmagnetisierten oder nicht aufmagnetisierten Zustand auf ein erstes (30) oder zweites Rotorteil (35),

b) Zusammenfügen der beiden Rotorteile (30, 35) zu einem Rotor (15) derart, dass die Bauteile (20) zwischen den beiden Rotorteilen (30, 35) angeordnet werden und bei Bedarf Aufmagnetisieren der Bauteile (20), und

c) Zusammenfügen des Rotors (15) und des Stators (5) mit der elektrischen Wicklung (10) zu einer elektrischen Synchronmaschine (1).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) das Anbringen der Bauteile (20) auf ein erstes (30) oder zweites Rotorteil (35) durch einen Klebevorgang durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) zwei Rotorteile (30, 35) mit einem gemeinsamen Formschluss zusammengefügt werden.






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