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Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetfelderzeugende Komponente für eine elektrische Maschine mit wenigstens einer Vertiefung, in die ein Fixiereinsatz und ein Permanentmagnet eingesetzt sind, und eine elektrische Maschine mit einer derartigen magnetfelderzeugenden Komponente.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen, die als Elektromotoren elektrische Energie in mechanische Energie und als Generatoren mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln, sind bekannt.
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Elektrische Maschinen können einen besonders einfachen Aufbau aufweisen, wenn die magnetfelderzeugende Komponente der elektrische Maschine wenigstens einen Permanentmagneten aufweist, da zur Felderzeugung mit einem Permanentmagneten keine elektrischen Zuleitungen zu der magnetfelderzeugenden Komponente nötig sind, um elektrische Energie zur Magnetfelderzeugung zuzuführen, wie bei Elektromagneten. Die Permanentmagneten der magnetfelderzeugenden Komponente können jeweils in einer Vertiefung der magnetfelderzeugenden Komponente aufgenommen sein.
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Gemäß der
DE 10 2009 045 101 A1 können Permanentmagnete in Vertiefungen eines Rotors einer elektrischen Maschine fixiert werden, indem die Vertiefungen mit einem Zentrierungsmittel zur Zentrierung der Permanentmagneten in den Vertiefungen und die Permanentmagnete mit einem korrespondierendes Zentrierungsgegenmittel versehen werden. Die Zentrierungsmittel und die Zentrierungsgegenmittel wirken so zusammen, dass die Permanentmagnete von der Rotorachse abgewandten Seite tangential in der jeweiligen Vertiefung zentriert sind. Die Zentrierungsmittel können eine definierte Formung sein, wie eine definierte Rundung, eine Schrägung, eine trapezförmige oder eine andere Formung. Jedoch ist hier die Passgenauigkeit der Zentrierungsmittel mit den korrespondierenden Zentrierungsgegenmitteln zu gewährleisten.
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Alternativ können die Permanentmagnete in den Vertiefungen mit Klebstoff, wie z.B. einem Zweikomponentenklebstoff, eingeklebt sein. Jedoch kann während der Fertigung noch nicht ausgehärteter Klebstoff austreten und aushärten, was die Passgenauigkeit der Bauteile reduziert und eine Unwucht insbesondere von rotierenden Komponenten der elektrischen Maschine hervorrufen kann. Somit sind während der Fertigung umfangreiche Nachbearbeitungen der Komponenten der elektrischen Maschine erforderlich. Ferner können die Permanentmagnete während des Aushärtens des Klebstoffs ihre Position verändern, was ebenfalls zu einer Unwucht führen kann.
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Es ist daher wünschenswert, die Fertigung von Komponenten der elektrischen Maschine zu vereinfachen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine magnetfelderzeugende Komponente für eine elektrische Maschine und eine elektrische Maschine mit einer derartigen magnetfelderzeugenden Komponente mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die magnetfelderzeugende Komponente für eine elektrische Maschine weist wenigstens eine Vertiefung auf, in die ein Fixiereinsatz und ein Permanentmagnet eingesetzt sind. Der Fixiereinsatz fixiert durch eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung den Permanentmagneten in der Vertiefung der Komponente in einer ersten Richtung und/oder in einer zweiten Richtung, wobei die erste Richtung im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Richtung ist. Die erste Richtung weist zweckmäßigerweise von einer Vertiefung zur nächsten und entspricht der Bewegungsrichtung, d.h. im Falle einer Rotationsmaschine der Tangentialrichtung und im Falle einer Linearmaschine der Längsrichtung (x-Richtung). Die zweite Richtung entspricht dann im Falle einer Rotationsmaschine der Radialrichtung und im Falle einer Linearmaschine der Höhenrichtung (z-Richtung).
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Der Fixiereinsatz weist einen Mittelabschnitt und einen an den Mittelabschnitt angrenzenden und sich davon in einem Winkel größer 0° und kleiner 180° erstreckenden Randabschnitt auf. Der Permanentmagnet weist einen Bodenwandabschnitt und zwei sich gegenüberliegende Seitenwandabschnitte auf. Der Mittelabschnitt des Fixiereinsatzes steht in Kontakt einerseits mit einem Bodenwandabschnitt der Vertiefung und andererseits mit dem Bodenwandabschnitt des Permanentmagneten. Ebenso steht der Randabschnitt des Fixiereinsatzes in Kontakt einerseits mit einem Seitenwandabschnitt der Vertiefung und andererseits mit einem Seitenwandabschnitt des Permanentmagneten.
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Vorteile der Erfindung
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Dabei wird unter einer formschlüssigen Verbindung eine Verbindung verstanden, die durch ein Ineinandergreifen von mindestens zwei Verbindungspartnern, hier also Permanentmagnet, Fixiereinsatz und Grundkörper, gebildet wird. Eine kraftschlüssige Verbindung hingegen setzt eine Normalkraft voraus, die auf die miteinander zu verbindenden Flächen der beiden Verbindungspartner wirkt. Ihre gegenseitige Verschiebung ist verhindert, solange die durch die Haftreibung bewirkte Gegenkraft nicht überschritten wird. Somit wird durch die Bildung der kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung mit dem Fixiereinsatz ein Verzicht auf Klebstoff zum Bilden einer stoffschlüssigen Klebstoffverbindung ermöglicht, so dass keine Nachbearbeitung aufgrund von austretendem Klebstoff mehr nötig ist, um z.B. eine Unwucht zu beseitigen. Dabei wird unter einer stoffschlüssigen Klebstoffverbindung eine Verbindung verstanden, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Des weiteren sind keine weiteren, zusätzlichen Befestigungsmittel zur Fixierung des Permanentmagneten notwendig, was den Fertigungs-, aber auch den Logistikaufwand für die Fertigung reduziert, da weder Befestigungsmittel noch Werkzeuge zur Montage der Befestigungsmittel bereitgestellt werden müssen. Die Permanentmagneten sind in zumindest zwei Richtungen zugleich von dem Fixiereinsatz fixiert. So wird die Anzahl der bei der Fertigung bereitzuhaltenden Bauteile reduziert, was den Logistikaufwand für die Fertigung nochmals reduziert. Mit dem Fixiereinsatz wird durch mehrfaches in Kontaktbringen von Wandabschnitten des Fixiereinsatzes mit Wandabschnitten der Vertiefung und des Permanentmagneten eine Fixierung in mehreren Richtungen erreicht. Somit weist der Fixiereinsatz eine Mehrfachfunktion auf, nämlich eine Fixierung des Permanentmagneten in zumindest zwei Richtungen zu bewirken.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Fixiereinsatz wannenförmig mit zwei Randabschnitten ausgebildet. Z.B. kann der Fixiereinsatz ein wannenförmiges Profil in Bezug auf eine Schnittebene aufweisen, die durch die erste Richtung und die zweite Richtung der magnetfelderzeugenden Komponente definiert wird. Somit liegen in der zweiten Richtung zwei sich gegenüberliegende Randabschnitte des Fixiereinsatzes gegenüber, zwischen denen sich der Permanentmagnet befindet, wobei jede der sich gegenüberliegenden Randabschnitte einerseits in Kontakt mit je einer von zwei sich gegenüberliegenden Seitenwandabschnitten der Vertiefung und andererseits in Kontakt mit je einem Seitenwandabschnitt des Permanentmagneten steht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Fixiereinsatz aus einem nicht-ferromagnetischen Material gefertigt, insbesondere aus einem diamagnetischen (0 < μr < 1) oder einem amagnetischen (μr = 0). Dies vereinfacht das Einsetzen der Permanentmagnete in die Vertiefungen, da der Fixiereinsatz nicht stark mit den Permanentmagneten wechselwirkt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Fixiereinsatz aus einer biegeschlaffen Folie gefertigt. Unter biegeschlaff wird dabei verstanden, dass die Folie sich unter ihrem eigenem Gewicht elastisch verformt. Somit kann der Fixiereinsatz sich beim Einsetzen in die Vertiefung verformen und anpassen. Es können somit problemlos geringfügige Fertigungstoleranzen der Vertiefungen und/oder der in die Vertiefungen einzusetzenden Permanentmagnete ausgeglichen werden, was die Fertigung der elektrischen Maschine fertigungstoleranzunempfindlicher macht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Fixiereinsatz aus einer Polyesterfolie, aus Isolierpapier, aus einer Stahlfolie oder Tombak gefertigt. Unter Polyester werden synthetische Polymere (Kunststoffe) verstanden, zu denen z.B. das thermoplastische Polyethylenterephthalat (PET) gehört. Eine besondere Verarbeitungsform von Polyethylenterephthalat ist eine Polyester-Folie. Unter Isolierpapier wird ein festes und z.B. mit Kunstharz imprägniertes Papier verstanden, das z.B. aus fein gemahlenem Zellstoff hergestellt wird. Es weist keine Poren auf und enthält keine Füllstoffe oder stromleitende Verunreinigungen wie Metalle oder Kohle, Salze und Säuren. Unter Tombak werden Messingsorten mit > 67 % Kupfer verstanden, wobei Messing amagnetisch ist, also nicht durch magnetische Felder beeinflusst wird. Somit werden leicht zu verarbeitende und korrosionsbeständige Materialen verwendet, so dass eine hohe Lebensdauer des Fixiereinsatzes gewährleistet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Randabschnitt eine umgebogene oder gefaltete Verlängerung auf, die sich von dem Randabschnitt in einem Winkel kleiner 180° erstreckt. Die Verlängerung kann komplett umgebogen bzw. umgefaltet sein und flächig an dem Seitenwandabschnitt anliegen. Hierzu wird z.B. eine Folie um 180° gebogen, wobei der nicht-gebogene Abschnitt der Folie den Seitenwandabschnitt bildet und der gebogene Abschnitt der Folie die Verlängerung bildet. Durch die Verlängerung wird ein Verschieben des Permanentmagneten in der Vertiefung zuverlässig verhindert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Fixiereinsatz Querrillen auf, die sich im Wesentlichen in eine Richtung senkrecht zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung erstrecken. Die Querrillen bewirken dabei eine besonders leichte Verformbarkeit des Fixiereinsatzes und damit eine Anpassung an die Vertiefungen. Somit ist die Verarbeitbarkeit des Fixiereinsatzes gesteigert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Fixiereinsatz einstückig und/oder materialeinheitlich ausgebildet. Ein einstückiger Fixiereinsatz kann z.B. ein Kunststoffteil sein, das aus einem einzigen Bauteil aus einem einzigen Material ohne Verbindungsnaht oder -stelle besteht. Daneben kann der Fixiereinsatz auch aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Materialien bestehen. Z.B. kann der Fixiereinsatz mittels eines 2-Komponentenspritzgussverfahrens (2K-Spritzguss) gefertigt sein und elastische und weniger elastische Abschnitte aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die magnetfelderzeugende Komponente als bewegliche Komponente einer elektrischen Maschine ausgebildet. Die bewegliche Komponente kann der verfahrbare Teil einer Linearmaschine oder der Rotor einer Rotationsmaschine sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die magnetfelderzeugende Komponente als feststehende Komponente einer elektrischen Maschine ausgebildet. Die feststehende Komponente kann der feststehende Teil einer Linearmaschine oder der Stator einer Rotationsmaschine sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die magnetfelderzeugende Komponente für einen Einbau in eine als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine ausgebildet. So wird ein besonders einfach zu fertigender Elektromotor bereitgestellt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine magnetfelderzeugende Komponente einer als Rotationsmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine in schematischer Darstellung.
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2 zeigt in schematischer Darstellung einen Abschnitt der magnetfelderzeugenden Komponente aus 1 mit zwei Vertiefungen, in denen jeweils ein Fixiereinsatz und ein Permanentmagnet eingesetzt sind.
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3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Fixiereinsatzes und einen Permanentmagneten in schematischer Darstellung.
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4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Fixiereinsatzes in schematischer Darstellung.
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5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Fixiereinsatzes in schematischer Darstellung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist eine magnetfelderzeugende Komponente 4 einer hier als Rotationsmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine 2 perspektivisch und schematisch gezeigt.
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Die elektrische Maschine 2 weist neben der magnetfelderzeugenden Komponente 4 eine magnetfeldempfangende Komponente (nicht dargestellt) auf. Unter der magnetfeldempfangenden Komponente wird dabei der Teil der elektrischen Maschine 2 verstanden, dessen Wicklungen (nicht dargestellt) von dem Magnetfeld der magnetfelderzeugenden Komponente 4 durchsetzt werden und in denen eine elektrische Spannung induziert wird. Dabei wird beim Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 2 durch das Magnetfeld der magnetfelderzeugenden Komponente 4 eine elektrische Spannung in die Wicklungen induziert. Im Motorbetrieb der elektrischen Maschine 2 werden zwar die Wicklungen mit elektrischen Strömen beaufschlagt, jedoch wird durch das Magnetfeld der magnetfelderzeugenden Komponente 4 auch eine elektrische Gegenspannung in den Wicklungen induziert, die zu einer Begrenzung des durch die Wicklungen fließenden elektrischen Stromes führt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die magnetfeldempfangende Komponente ein Stator und die magnetfelderzeugende Komponente 4 ein Rotor 6 der elektrischen Maschine 2, wobei die magnetfeldempfangende Komponente und die magnetfelderzeugende Komponente 4 durch einen Luftspalt voneinander beabstandet sind.
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Der Rotor 6 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Innenläufer ausgebildet. Alternativ kann der Rotor 6 auch als Außenläufer ausgebildet sein. Der Rotor 6 weist einen Grundkörper 8 mit einer Vielzahl von Vertiefungen 10 auf, die in Umfangsrichtung des Grundkörper 8 (tangential) gleichmäßig beabstandet angeordnet sind. In jeder der Vertiefungen 10 ist je ein Permanentmagnet 12 eingesetzt.
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Die Wicklungen des Stators werden im Betrieb der elektrischen Maschine mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, derart, dass die Wicklungen des Stators ein magnetischen Drehfeld erzeugen, das den Rotor 6 zu einer Drehbewegung um seine Drehachse veranlasst. Somit handelt es sich bei diesen Wicklungen um Feldwicklungen der elektrischen Maschine 2.
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Somit ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die elektrische Maschine 2 als Elektromotor ausgebildet, z.B. als permanenterregte Synchronmaschine oder als bürstenloser Gleichstrommotor. Alternativ kann die elektrische Maschine 2 als Generator ausgebildet sein, wobei dann das Magnetfeld, das von den Permanentmagneten 12 bereitgestellt wird, eine elektrische Spannung in den Wicklungen des Stators induziert.
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Die 2 zeigt einen Abschnitt des Grundkörpers 8 des Rotors 6 mit zwei Vertiefungen 10, in die je ein Permanentmagnet 12 eingesetzt ist.
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Die 2 zeigt ferner, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Vertiefungen 10 je eine im Wesentlichen quaderförmige Form mit einem Bodenwandabschnitt 22 und zwei Seitenwandabschnitten 24 haben, in die je ein ebenfalls im Wesentlicher quaderförmiger Permanentmagnet 12 eingesetzt ist. Unter im Wesentlichen quaderförmig werden dabei fertigungsbedingte Abweichungen von einer Quaderform verstanden.
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Zur Fixierung der Permanentmagnete 12 in den Vertiefungen 10 ist zwischen jedem Permanentmagnet 12 und der zugehörigen Vertiefung 10 ein Fixiereinsatz 14 eingesetzt.
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Der Fixiereinsatz 14 fixiert im vorliegenden Ausführungsbespiel den Permanentmagneten 12 kraftschlüssig und formschlüssig in der Vertiefung 10. Dabei fixiert der Fixiereinsatz 14 den Permanentmagneten 12 kraftschlüssig und formschlüssig in einer Tangentialrichtung T als erste Richtung und einer Radialrichtung R als zweite Richtung und kraftschlüssig in einer Querrichtung Q als dritte Richtung (siehe 3). Somit bewirkt der Fixiereinsatz 14 eine Fixierung des Permanentmagneten 12 in der Vertiefung 10 in allen drei Richtungen, nämlich in radialer Richtung R, in tangentialer Richtung T und in Querrichtung Q.
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Die 3 zeigt den Fixiereinsatz 14 und den Permanentmagneten 12 perspektivisch und in schematischer Darstellung.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Fixiereinsatz 14 aus einer biegeschlaffen Folie gefertigt. Die Folie ist z.B. einstückig und materialeinheitlich aus Polyester, Isolierpapier, Stahlfolie oder Tombak gefertigt. Der Fixiereinsatz 14 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein wannenförmiges Profil aufweisend ausgebildet. Das Profil wird durch eine Schnittebene definiert, die durch die radiale Richtung R und die tangentiale Richtung T gegeben ist.
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Der Fixiereinsatz 14 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Mittelabschnitt 16 und zwei an den Mittelabschnitt 16 angrenzende und sich davon in einem Winkel größer 0° und kleiner 180° erstreckende Randabschnitte 18 auf. Zwischen dem Mittelabschnitt 16 und den beiden Randabschnitten 18 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Faltkante 20 vorgesehen.
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Der Permanentmagnet 12 weist einen Bodenwandabschnitt 30 und zwei sich gegenüberliegende Seitenwandabschnitte 32 auf.
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Die Randabschnitte 18 erstrecken sich im Wesentlichen in radialer Richtung R. Unter im Wesentlichen in radialer Richtung R werden dabei fertigungsbedingte Toleranzen verstanden.
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Die Randabschnitte 18 bewirken eine Fixierung des Permanentmagneten 12 in tangentialer Richtung T sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn durch Anlage an den jeweiligen Seitenwandabschnitten 32 des Permanentmagneten 12. Dabei sind die Randabschnitte 18 zwischen den Seitenwandabschnitten 24 der Vertiefungen 10 des Grundkörpers 8 und den Seitenwandabschnitten 32 des Permanentmagneten 12 angeordnet. Somit bewirken die Randabschnitte 18 eine Fixierung des Permanentmagneten 12 in tangentialer Richtung T im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn durch Formschluss. Gleichzeitig ist der Permanentmagnet 12 in radialer Richtung R und in Querrichtung Q durch Kraftschluss zwischen den Seitenwandabschnitten 32 des Permanentmagneten 12, den Randabschnitten 18 des Fixiereinsatzes 14 und den Seitenwandabschnitten 24 der Vertiefung 10 klemmend gehalten.
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Ferner steht der Mittelabschnitt 16 in Kontakt mit dem Bodenwandabschnitt 30 und bewirkt so eine zusätzliche formschlüssige Fixierung des Permanentmagneten 12 in der Vertiefung 10 in radialer Richtung R.
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Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Seitenwandabschnitte 18 gemäß diesem Ausführungsbeispiel je eine umgefaltete Verlängerung 26 aufweisen. Durch die umgefalteten Verlängerungen 26 kann der Fixiereinsatz genauer an die Vertiefung angepasst werden und ein Verschieben des Permanentmagnets 12 in der Vertiefung 10 wird zuverlässig verhindert. Vorzugsweise liegt die Verlängerung 26 flächig an dem jeweiligen Seitenwandabschnitt 18 an. Hierzu wurde z.B. eine Folie um 180° gefaltet, wobei der nicht gefaltete Abschnitt der Folie den Seitenwandabschnitt 18 und der umgefaltete Abschnitt der Folie die Verlängerung 26 bildet.
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Im nicht gefalteten Zustand weisen die Seitenwandabschnitte 18 und die Verlängerungen 26 in radialer Richtung R eine Länge auf, die größer als die Höhe der Vertiefung 10 in radialer Richtung R ist.
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Die Verlängerungen 26 erstrecken sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit ihrer Haupterstreckung in Querrichtung Q.
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Das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Bodenwandabschnitt 16 und die Seitenwandabschnitte 18 gemäß diesem Ausführungsbeispiel je mit in Querrichtung Q verlaufenden Querrillen 28 versehen sind. Die Querrillen 28 erlauben, auch größere Fertigungstoleranzen auszugleichen.
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Somit wird mit dem Fixiereinsatz 14 eine klebstofffreie bzw. stoffschlussfreie Fixierung der Permanentmagneten 12 in der Vertiefung 10 ermöglicht.
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Die in den Figuren beschriebenen Merkmale gelten ebenso für Linearmaschinen, die als abgewickelte Rotationsmaschinen betrachtet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009045101 A1 [0004]