DE3802717A1 - Permanentmagnet-laeufer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Permanentmagnet-Läufer für einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine Vielzahl von Permanentmagnet-Läufern wurde bisher schon vorgeschlagen, insbesondere in den letzten Jahren, da nunmehr Fortschritte hinsichtlich der Qualität von Magneten zu ver­ zeichnen sind. Bei einem typischen Läufer dieser Art ist eine bestimmte Anzahl von Magneten am Außenumfang eines zylindrischen Eisenkerns befestigt. Ein Problem ergibt sich bei der Konstruk­ tion eines derartigen Läufers dadurch, daß die Magnete am Läu­ fer-Kern befestigt werden müssen. Die Befestigung muß sicher ge­ nug sein, um den Zentrifugalkräften bei hohen Drehzahlen des Läufers widerstehen zu können. Weiterhin müssen die Winkel- bzw. Umfangskräfte bei abrupten Änderungen der Winkelgeschwindig­ keit des Läufers aufgefangen werden. Schließlich müssen axial gerichtete Kräfte aufgefangen werden, die z.B. dann auftreten, wenn der Motor bei der Montage herunterfällt.

Bei einigen Konstruktionen werden Klammern und Keile zum Befestigen der Magnete am Kern verwendet, andere Vorschläge richten sich auf die Verwendung von Klebern. In weiteren Konstruktionen wird rings um die Außenseite der Magnete eine Hülle vorgesehen. Eine solche Hülle wird in Form von Metallhülsen vorgesehen, die über die Magnete (durch Wärme) aufgeschrumpft ist. Bei einer Alternative wird ein synthe­ tisches Bindematerial zur Ausbildung der Abdeckung verwendet.

Die Verwendung von Klammern und Keilen ist insofern unbefrie­ digend, als die Herstellung und der Zusammenbau dadurch sehr teuer werden. Das Auswuchten eines derartigen Läufers ist ebenfalls schwierig. Kleber sind bei Motoren ungeeignet, die mit einer Flüssigkeit wie z.B. Wasser gefüllt werden können, da momentan bekannte Kleber über längere Zeiträume hinweg im eingetauchten Zustand ihre Haltbarkeit verlie­ ren. Metallhülsen können zwar die Magnete entgegen den Zen­ trifugalkräften halten, jedoch ergeben sich bei den bekann­ ten Hülsen Schwierigkeiten bei in axialer Richtung wirken­ den Kräften.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik, ist es Auf­ gabe der vorliegenden Erfindung, einen Permanentmagnet- Läufer der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubil­ den, daß Zentrifugal-, Winkel- und Axialkräfte bei einfa­ cher Konstruktion und Haltbarkeit unabhängig von der Umge­ bung auffangbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Permanentmagnet-Läufer mit einer Läufer-Welle dadurch gelöst, daß Mittel auf der Welle zur Bildung eines zylindrischen Läufer-Kerns vorgesehen sind, wobei eine Vielzahl von kreisbogenförmigen Permanent­ magneten in winkel-beabstandeten Positionen am Außenumfang des Kerns vorgesehen sind und eine rohrförmige Metallhülse rings um die Magnete angeordnet ist, die sich axial über die Enden der Magnete hinaus erstreckt und Endabschnitte aufweist, welche radial nach innen ragen und die äußeren Enden der Magneten überstrecken. Die Hülse ist unter Span­ nung aufgebracht, welche eine radial nach innen gerichtete Kraft auf die Magnete aufbringt. Die Endabschnitte der Hülse sind umgerollt oder gewendet und drücken gegen die Enden der Magneten.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung be­ vorzugter Ausführungsformen, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen vergrößerten Teil-Längsschnitt durch den Läufer;

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich der nach Fig. 2, je­ doch zur Beschreibung einer weiteren bevor­ zugten Ausführungsform;

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich der nach den Fig. 2 oder 3, jedoch zur Darstellung einer weite­ ren bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung;

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich der nach den Fig. 2 bis 4, jedoch zur Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 6 eine Ansicht entlang der Linie 6-6 aus Fig. 2.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt der Läufer eine Läufer-Welle 10, auf der ein Läufer-Kern 11 befestigt ist. Gemäß den Fig. 2 und 6 ist eine Vielzahl von kreisbogen­ förmigen Permanentmagneten 12 auf der äußeren Umfangsflä­ che des Kerns 11 befestigt. Auf der äußeren Fläche der Mag­ nete 12 ist eine rohrförmige Metallhülse 13 befestigt, die Endabschnitte 14 aufweist, welche jeweils sich über das äußere Ende des Läufers erstrecken. In diesem Bereich ist jeder Endabschnitt 14 radial nach innen umgeknickt und liegt über den axialen äußeren Enden der Magnete 12.

Die Läufer-Welle 10 ist im Normalfall aus Stahl herge­ stellt und drehbar in nicht gezeigten Lagern in einem her­ kömmlichen Motor-Ständer (nicht gezeigt) befestigt. Der Kern 11 ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel als Stapel von scheibenförmigen Lamellen 16 (Fig. 2) aufgebaut, die aus einem magnetisierbaren Material bestehen. Der Stapel ist am Außenumfang der Welle 10 festgesetzt. Dies kann man durch einen Preßsitz zwischen dem Innenumfang der Lamel­ len 16 und der Außenfläche der Welle 10 erreichen. Der Kern 12 muß nicht aus Lamellen bestehen, sondern kann auch als Voll-Zylinder aus magnetisierbarem Material aufgebaut sein, der auf der Welle 10 befestigt ist. Die Welle 10 kann auch einen verdickten zylindrischen Abschnitt umfassen, welcher die Form des Kerns hat.

Die Permanentmagneten 12 können aus herkömmlichem Material hergestellt und in der in Fig. 6 gezeigten Kreisbogenform gegossen sein.

Die äußere Hülse 13 ist vorzugsweise aus einem relativ dünnen rostfreien Stahlblech in Form eines Rohres herge­ stellt. Beispielsweise kann ein rostfreier Stahl vom Typ 300 mit einer Dicke (für einen kleinen Motor) von 0,125-0,25 mm (0,005-0,01 Inch) verwendet werden. Vor dem Zusammenbau mit dem Kern 11 und den Magneten 12 bildet die Hülse 13 ein gerades Rohr und ihre Gesamtlänge in Ach­ senrichtung übersteigt die axiale Länge des Kerns 11 und der Magneten 12. Der normale, spannungsfreie Innendurchmes­ ser der Hülse liegt geringfügig unterhalb des Außendurch­ messers der auf den Kern gelegten Magneten. Wenn die Hülse demnach über die Magnete 12 geschoben wird, so ergibt sich eine Restspannung in der Hülse 13. Die Hülse kann über verschiedene Verfahren, so z.B. Wärmeschrumpfung, aufmon­ tiert werden. Anfangs erstrecken sich die Endabschnitte 14 der Hülse in axialer Richtung über beide Enden des Läu­ fers hinaus. Die Anordnung wird dann um die Achse der Welle 10 gedreht und die Endabschnitte 14 werden gebogen oder gerollt, bis sie die Form bekommen, welche in den Figu­ ren 2 bis 5 gezeigt ist, so daß die Endabschnitte 14 sich radial nach innen erstrecken und mindestens einen Teil der Enden der Magneten 12 überspannen. Beim Rollen oder Drücken werden die Endabschnitte auf einer Drehbank über ein Werk­ zeug nach innen gebogen, das gegen die Endabschnitte ge­ drückt wird. Dieser Bearbeitungsvorgang glättet die End­ abschnitte und bewirkt, daß sie gegen die Enden der Magne­ ten drücken. Bei der in Fig. 2 gezeigten bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung erstrecken sich die Endabschnitte 14 außerdem über Endabschnitte des Kerns 11 und drücken gegen diesen.

Durch diese Konstruktion hält die gespannte Hülse 13 die Magnete 12 auf dem Kern 11 und ist stark genug, um auch die bei hohen Motordrehzahlen auftretenden Zentrifugal­ kräfte aufzufangen. Zusätzlich klemmt die Restspannung in der Hülse 13 die Magnete 12 fest gegen die Außenumfangs­ fläche des Kerns 11, wobei dieser Preßsitz normalerweise fest genug ist, um einen Reibeingriff zwischen Magnet und Lamellen des Kerns 11 sicherzustellen, der eine Winkel­ verschiebung der Magnete 12 (in Umfangsrichtung) auf dem Kern 11 verhindert. Wenn jedoch besonders hohe Kräfte auf­ treten können, so daß die Magnete 12 in Winkelrichtung auf dem Kern 11 rutschen können, so ist es von Vorteil, wenn man den Kern 11 mit Vorsprüngen 21 ausstattet, die (wie in Fig. 6 gezeigt) um Winkelbeträge voneinander beabstan­ det sind und zwischen die aneinandergrenzenden Ecken der Magnete 12 ragen. Bei der in Fig. 6 gezeigten bevorzug­ ten Ausführungsform der Erfindung dienen somit die Vor­ sprünge 21 zur Winkelpositionierung der Magnete 12 (was bei der Montage Erleichterungen mit sich bringt) derart, daß korrekte Abstandspositionen auf dem Kern 11 eingehal­ ten werden. Weiterhin verhindern die Vorsprünge 21 ein Wandern der Magnete 12 in Umfangsrichtung beim schnellen Beschleunigen oder Abbremsen des Motors bzw. des Läufers.

Die Endabschnitte 14 der äußeren Hülse 13 dienen weiterhin dazu, eine Verschiebung der Magnete 12 in axialer Rich­ tung zu verhindern. Die Magnete 12 sind normalerweise ge­ gossen, so daß sich gewisse Toleranzen in den Magnet-Maßen ergeben. Es kann also geschehen, daß ein Magnet ein wenig dünner ist als andere Magnete des Läufers und nicht ganz fest durch die Hülse gehalten wird. Ohne den Endabschnitt 14 der Hülse kann ein solcher Magnet mit Untermaß in axialer Richtung verrutschen, wenn der Motor bei oder vor der Mon­ tage fallengelassen wird. Die Endabschnitte 14 der äußeren Hülse 13 verhindern dies, da sie über allen Magneten lie­ gen und gegen diese bremsen, so daß ein geringfügig loser Magnet auch nicht axial verrutschen kann. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Endabschnitte 14 auch die äußeren Umfangsabschnitte des Kerns 12 überragen, sind die Endabschnite 14 in engem Ein­ griff und drücken gegen die Enden der Magnete ebenso wie gegen die Enden des Kerns, so daß eine zusätzliche Siche­ rung gegen eine axiale Verschiebung der Magnete gegeben ist.

Der in Fig. 3 gezeigte Läufer ist ähnlich dem zuvor beschrie­ benen, wobei eine ringförmige Scheibe an jedem Ende des Läufers vorgesehen ist. Der in Fig. 3 gezeigte Läufer um­ faßt eine Läufer-Welle 110, auf der ein Kern 111 liegt. Ei­ ne Anzahl von Magneten 112 ist in einer äußeren Hülse 113 gehalten. Die Scheiben 22 erstrecken sich vom Innenumfang der Hülse 113 radial nach innen und überlappen teilweise die axialen äußeren Enden des Kerns 111. Die Endabschnitte 114 der Hülse 113 sind relativ kurz und nach innen gedrückt und ragen über die äußeren Randabschnitte der Scheiben 22, gegen welche sie gleichzeitig drücken. Die Scheiben 22 sind vorzugsweise aus einem dickeren Material als die Hülse 113. Dadurch ist eine festere Verbindung zwischen den Enden der Magnete 12 und dem Kern 111 gegeben. Bei ei­ nem kleinen Motor können z.B. die Scheiben aus einem 0,78 mm (1/32 Inch) Blech aus rostfreiem Stahl gefertigt sein.

Die in Fig. 4 gezeigte weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist der nach Fig. 3 ähnlich, wobei jedoch End­ platten 23 anstelle der Scheiben 22 vorgesehen sind. Die anderen Teile entsprechen denen, die im Zusammenhang mit Fig. 3 bereits beschrieben wurden. Jede Endplatte 23 er­ streckt sich vom Innenumfang der zugehörigen äußeren Hülse 213 radial nach innen bis zum Außenumfang der Läu­ fer-Welle 210. Die radial innere Kante jeder Endplatte 23 ist so umgebogen, daß sie einen sich axial erstreckenden Abschnitt 24 bildet, der fest auf der Außenfläche der Welle 210 in Preßsitz sitzt. Auf diese Weise überdecken die End­ platten 23 vollständig die Endflächen der Magnete 212 und des Kerns 211, so daß hierdurch eine Anordnung gebildet ist, die sich insbesondere zur Verwendung bei Motoren eig­ net, die mit einer Flüssigkeit, wie z.B. Wasser gefüllt sind. Die Endplatten 23 können aus rostfreiem Stahl gefer­ tigt sein, wie die Scheiben 22. Um eine flüssigkeitsfeste Abdichtung zu bilden und zu verhindern, daß auch nur die geringste Flüssigkeitsmenge den Kern 211 oder die Magnete 212 erreicht, sieht man vorzugsweise Streifen eines Dicht­ mittels 26 am Innenrand der Endplatten 23 und der Verbin­ dung zwischen der äußeren Hülse 213 und den Endplatten 23 vor.

Die in Fig. 5 gezeigte weitere bevorzugte Ausführungsform des Läufers ist ähnlich der nach Fig. 4, wobei jedoch Ge­ bläseflügel 27 vorgesehen sind. Die Endplatten 28 sind ähnlich den Endplatten 23 angeordnet, wobei vor der Mon­ tage der Platten 28 auf dem Läufer Gebläseflügel 27 aus­ gestanzt und aus den Zentralabschnitten der Endplatten her­ vorgebogen werden. Eine solche Anordnung ist besonders gün­ stig für einen luftgekühlten Motor, bei dem eine Korrosion des Kerns und der Magnete nicht zu befürchten ist.

Aus obenstehender Beschreibung ergibt sich, daß der Perma­ nentmagnet-Läufer für einen Elektromotor eine äußere Me­ tallhülse umfaßt, welche die Permanentmagnet-Segmente an ihrem Platz entgegen radialen und axialen Kräften bzw. Be­ wegungen hält. Die Spannung in der Hülse kann bereits hin­ reichend groß gemacht werden, um eine Winkelbewegung der Permanentmagnete zu verhindern. Zur Verbesserung der Win­ kel-Befestigung ist es von Vorteil, wenn auf dem Kern Vor­ sprünge ausgebildet sind, welche Anschläge für die Magnete bilden und dadurch deren Winkelbewegung verhindern.

Claims (8)

1. Permanentmagnet-Läufer für einen Elektromotor mit einer sich axial erstreckenden Läufer-Welle (10, 110, 210) und mehreren Permanentmagneten (12, 112, 212), dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (12, 112, 212) auf dem Umfang eines zylindrischen Läufer-Kerns (11, 111, 211), der auf der Welle (10, 110, 210) ausgebildet ist, in winkel-beab­ standeten Positionen befestigt sind, daß ein dünnes, rohr­ förmiges Hülsenteil (13, 113, 213) rings um die Magneten (12, 112, 212) angebracht ist, wobei das Hülsenteil (13, 113, 213) unter Spannung derart aufgebracht ist, daß die Magneten (12, 112, 212) fest an den Kern (11, 111, 211) gepreßt werden, daß das Hülsenteil (13, 113, 213) eine größere axiale Länge aufweist als der Kern (11, 111, 211) und einstückig angeformte Endabschnitte (14, 114, 214) umfaßt, die sich axial über die Enden des Kerns (11, 111, 211) erstrecken und radial nach innen gewendet verlaufen und eng an den (axial) äußeren Enden der Magnete (12, 112, 212) anliegen.

2. Permanentmagnet-Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte (14, 114, 214) Endabschnitte des Kerns (11, 111, 211) überlappen.

3. Permanentmagnet-Läufer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ringförmige Scheiben (22, 23, 28) an jedem Ende des Läufers vorgesehen sind, wobei die Scheiben (22, 23, 28) die Enden der Magnete (112, 212) und Abschnitte des Kerns (111, 211) überlappen und wobei sich die Endabschnitte des Hülsenteils (113, 213) über die Außenseiten der Scheiben (22, 23, 28) hin erstrecken.

4. Permanentmagnet-Läufer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Scheiben (23, 28) an ihrem Außenumfang mit einem Endabschnitt der Hülse (213) und an ihrem Innenum­ fang mit der Läufer-Welle (210) in Eingriff derart stehen, daß die Scheiben (23, 28) eine enge Passung mit der Welle (210) bilden.

5. Permanentmagnet-Läufer nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Scheiben (23) und den Endabschnitten (214) sowie zwischen den Scheiben (23) und der Welle (210) Abdichtmittel (26) vorgesehen sind.

6. Permanentmagnet-Läufer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Gebläseschaufeln (27) an den Scheiben (28) angeformt sind.

7. Permanentmagnet-Läufer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläseschaufeln (27) einstückig angeformt sind und sich radial von einer Scheibe (28) nach außen er­ strecken.

8. Permanentmagnet-Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aneinandergrenzende Magnete (12) um einen Winkelbe­ trag voneinander beabstandet sind, wobei eine Vielzahl von sich radial nach außen erstreckenden Vorsprüngen auf dem Kern (11) derart vorgesehen sind, daß die Vor­ sprünge (21) zwischen die Seitenflächen der aneinander­ grenzenden Magnete (12) ragen.