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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Polzahn beziehungsweise eine
elektrische Maschine mit einem ersten Teil, das mindestens einen
Polzahn aufweist, welcher mit einem Dauermagneten, also einem Permanentmagneten,
bestückt
ist, und einem zweiten Teil, das mit dem ersten Teil zur Bewegung relativ
zueinander in magnetischer Wirkverbindung steht. Das erste Teil
ist beispielsweise ein Rotor der elektrischen Maschine wobei der
zweite Teil ein Ständer
der elektrischen Maschine ist. Die elektrische Maschine ist nicht
nur als eine rotatorische elektrische Maschine ausführbar, sondern
auch als eine lineare elektrische Maschine, also z.B. als ein Linearmotor. Dabei
ist z.B. das erste Teil das Primärteil
der linearen elektrischen Maschine und das zweite Teil das Sekundärteil der
linearen elektrischen Maschine. Elektrische Maschinen sind derart
aufbaubar, dass das Primärteil
und/oder das Sekundärteil
Permanentmagnete aufweisen können.
Das Primärteil
ist dabei das Teil, welches elektrisch bestrombare Wicklungen aufweist.
Dies trifft beispielsweise auch bei Torquemotoren zu.
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Darüber hinaus
betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren
zum Herstellen eines Polzahns einer elektrischen Maschine.
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Die
Problematik und die Lösung
der vorliegenden Erfindung werden im folgenden vornehmlich an einem
Linearmotor dargestellt, wobei die Lösung nicht auf diesen beschränkt ist
sondern auch auf z.B rotatorisch arbeitende elektrische Maschine
wie permanentmagneterregte Synchronmaschine oder Torquemotoren vorteilhaft
anwendbar ist.
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Aus
der deutschen Patentanmeldung
DE
10 2004 045 992.4 ist beispielsweise ein Synchronlinearmotor
mit permanentmagnetlosem Sekundärteil bekannt.
Die Permanentmagnete sind dort an dem Primärteil des Synchronlinearmotors
angebracht, so dass das Sekundärteil
nicht selbst zur Erzeugung eines Magnetfelds beisteuert. Der Aufbau
von Linearmotoren dieser Bauform erfordert die Integration starker
Dauermagnete in das Primärteil.
Die Handhabung von starken magnetisierten Dauermagneten während der
einzelnen Fertigungsstufen ist jedoch fertigungstechnisch äußerst schwierig.
Zudem besteht durch schwere, stark magnetisierte Teile ein hohes
Verletzungsrisiko.
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Es
sind ferner Synchronlinearmotoren mit im Luftspaltbereich angeordneten
Magneten bekannt. Dauermagnete (Permanentmagnete) können auch
in ein Sekundärteil
eingebracht werden. Bei Synchronlinearmotoren mit eingebetteten
Dauermagneten ist es beispielsweise nachteilig, dass die Fertigung
des permanentmagneterregten Sekundärteils, welches die Dauermagnete
aufweist, mit sehr großer
Sorgfalt und hohem Aufwand erfolgen muss. Die Dauermagnete können in
unterschiedlichen Formen (z.B. in Block-Form, Scheiben-Form, Brotlaib-Form,
...) hergestellt werden und sind formstabil. Die Dauermagneten können von
einem Motorhersteller weiter verarbeitet werden. Diese Weiterverarbeitung
geschieht z.B. durch das Aufkleben auf ein Sekundärteil.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen kostengünstigen
Aufbau eines Polzahns und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung
zu finden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch:
- – einen
Polzahn, welcher die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist,
- – ein
Polzahnmodul, welches die Merkmale nach Anspruch 6 aufweist und/oder
- – ein
Verfahren zur Herstellung eines Polzahns, mit den Merkmalen nach
Anspruch 9.
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Aus
den Unteransprüche
2 bis 5, 7, 8 und 10 bis 13 ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung.
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Ein
Polzahn gemäß der Erfindung
ist derart ausgebildet, dass dieser eine Aussparung aufweist, wobei
in der Aussparung Magnetpulver verpresst ist. Dies hat den Vorteil,
dass es nicht mehr notwendig ist Dauermagnete in eine Aussparung
eines Polzahns einzupassen. Dieser Vorgang ist durch die hohen magnetischen
Kräfte
von Dauermagneten und die magnetische Eigenschaft des Polzahns sehr
aufwendig. Das Verpressen des Magnetpulvers erfolgt beispielsweise
mittels eines Stößels, welcher
eine Form aufweist, welche der Form der Aussparung entspricht. Die
Aussparung dient dabei als eine Art Form für das zu verpressende Magnetpulver.
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Vorteilhaft
erfolgt die Verpressung des Magnetpulvers in einer Art Magnettasche,
welche nach der Fertigstellung der elektrischen Maschine den vom
verpressten Permanentmagneten ganz oder teilweise gefüllt ist.
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Vorteilhaft
weist die Aussparung nicht nur eine Kammer zur Aufnahme von Magnetpulver
auf sondern zwei oder mehrere Kammern. Eine Kammer stellt eine Magnettasche
dar. Abhängig
von der gewünschten
Stärke
des Dauermagneten kann eine Kammer der Aussparung oder auch mehrere
Kammern der Aussparung mit Magnetmaterial gefüllt sein.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Polzahns ist das verpresste
Magnetpulver derart ausgebildet, dass dieses einen festen Körper ausbildet.
Um dies zu erreichen ist das verpresste Magnetpulver gesintert und/oder
mit einem Bindemittel versehen. Das Bindemittel ist beispielsweise
ein Klebstoff oder auch ein Tränkharz.
Mittels der Sinterung gewinnt das Magnetpulver Stabilität, wobei
sich durch die Sinterung insbesondere auch die Entmagnetisierungsfeldstärke positiv
beeinflussen lässt.
Vorteilhaft kann die Zeitdauer der Sinterung reduziert werden, da
beispielsweise schon beim Pressen (Verpressen) Klebstoff zugeben
werden kann, so dass eine Art kunststoffgebundener Magnet entsteht.
Durch eine Temperaturreduktion während
des Sinterprozesses lässt sich
beispielsweise eine Schrumpfung des Sintermaterials reduzieren.
Die durch die Schrumpfung entstanden Hohlräume werden in einer vorteilhaften Ausgestaltung
durch ein Füllmaterial
aufgefüllt.
Als Füllmaterial
lässt sich
beispielsweise die Vergussmasse verwenden, welche beim Verguss und/oder der
Träufelung
(Tränkung)
der Wicklungen zum Einsatz kommt. Zur Optimierung des Produktionsablaufes
erfolgt die Füllung
der Hohlräume
und der Verguss und/oder die Träufelung
(Tränkung)
vorteilhaft in einem Arbeitsschritt.
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Der
Polzahn ist des weiteren auch derart ausbildbar, dass dieser geblecht
ausgeführt
ist. Mittels der Blechung können
insbesondere Wirbelstromverluste reduziert werden. Vorteilhafter
Weise ist die Aussparung des Polzahns mittels der Bleche des Blechpaketes
des Polzahns ausgebildet. Dabei sind die Bleche derart dicht gepackt,
dass während
des Verpressvorganges keine wesentlichen Mengen von Magnetpulvermaterial
zwischen die Bleche gelangen.
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Vorteilhafter
Weise ist der Polzahn auch derart ausbildbar, dass dieser zwei Polzahnhälften aufweist,
wobei diese gegenüberliegende
Stirnseiten aufweisen, wobei mindestens ein Stirnseitenblech je eine
Stirnseite der beiden Polzahnhälften
miteinander so verbindet, dass zwischen den beiden Polzahnhälften die
Aussparung ausgebildet ist.
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Eine
elektrische Maschine ist also beispielsweise so ausgebildet, dass
Polzähne
mit Dauermagneten bestückt
sind, wobei ein Polzahn zwei Polzahnhälften aufweist. Der Polzahn
weist neben Polzahnhälften,
von denen jede Hälfte
zwei gegenüberliegende
Stirnseiten besitzt, mindestens ein Stirnseitenblech auf, das je
eine Stirnseite der beiden Polzahnhälften miteinander verbindet,
so dass zwischen den beiden Polzahnhälften eine Tasche als Aussparung
gebildet ist, in die Magnetpulver einbringbar ist. Die Polzahnhälften sind
beispielsweise mittels Blechpaketen ausgebildet.
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Vorzugsweise
besteht jede Polzahnhälfte aus
einem Blechpaket. Ein derartiges Paket lässt sich in gewünschter
Höhe durch üb liche Paketiertechnik
herstellen. Gegebenenfalls kann auch das Stirnseitenblech mit den
beiden Polzahnhälften
mitpaktiert werden.
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Der
Polzahn bzw. die Polzahnhälften
können bei
einer speziellen Ausführungsform
einen abtrennbaren Polschuh besitzen. Damit ist es möglich, vorgefertigte
Spulen auf den Polzahn aufzuschieben und der Polzahn muss nicht
im montierten Zustand bewickelt werden.
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Aus
zwei oder mehreren Polzähnen
kann ein Polzahnmodul ausgebildet werden. Das Polzahnmodul weist
zwei oder mehr Polzähne
auf, wobei die Polzähne
wie obig beschrieben ausgebildet sein können. Vorteilhafter Weise weist
jeder Polzahn zumindest ein eigenes Blechpaket aufweist. Dadurch
ist es möglich
ein Primärteil
bzw. ein Sekundärteil
einer elektrischen Maschine modular aufzubauen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform besteht
darin, ein Polzahnmodul mit mehreren Polzähnen, wie sie oben geschildert
sind, herzustellen, wobei jeder Polzahn bzw. jede Polzahnhälfte aus einem
Blechpaket besteht. Dabei besteht die Möglichkeit, mehrere Polzähne in Paketierrichtung
aneinander anzuordnen und für
zwei der Polzähne
jeweils ein gemeinsames Stirnblech zu verwenden. In diesem Fall
besteht das Polzahnmodul praktisch aus einem einzigen Gesamtpolzahn,
der durch Aneinanderreihen mehrerer gleichartiger Polzähne entsteht. Auf
diese Weise lässt
sich beispielsweise die Dimension des Gesamtpolzahns in Paketierrichtung
an die entsprechende Dimension des Primärteils anpassen.
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Das
Polzahnmodul kann aber auch aus mehreren Polzähnen bestehen, die quer zur
Paketierrichtung angeordnet sind, wobei die Stirnbleche der mehreren
Polzähne
einteilig miteinander Verbunden sind. Auf diese Weise lassen sich
beispielsweise die Polzähne über die
gesamte Länge
eines Primärteils eines
Linearmotors über
ein gemeinsames Stirnblech miteinander verbinden.
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Bei
einem Verfahren zur Herstellung eines Polzahns einer elektrischen
Maschine wird eine Aussparung des Polzahns, welcher wie obig beschrieben ausbildbar
ist, mit Magnetpulver befüllt,
wonach das Magnetpulver in der Aussparung verpresst wird.
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Um
das Magnetpulver zu verfestigen ist es vorteilhaft dieses zu erwärmen. Mittels
der Erwärmung
ist beispielsweise eine Sinterung des Magnetpulvers erzielbar. Weist
das Magnetpulver ein Bindemittel wie z.B. einen Kleber auf, so kann
vorteilhaft die Klebeeigenschaft des Klebers mittels der Erwärmung aktiviert
werden. Wird das Magnetpulver zur Sinterung und/oder zur Ausbildung
einer Klebeverbindung erwärmt,
so wird die Erwärmung
vorteilhaft nach der Pressung durchgeführt.
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Während der
Pressung des Magnetpulvers kann vorteilhaft ein Magnetfeld erzeugt
werden, welches auf das Magnetpulver wirkt, wobei sich hieraus eine
Ausrichtung des Magnetpulverse derart ergibt, dass eine kompaktere
Pressung ermöglicht
wird.
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Um
die Eigenschaften eines Dauermagneten zu erreichen wird das Magnetpulver
magnetisiert. Die Magnetisierung wird nach der Verpressung des Magnetpulvers
und/oder nach der Erwärmung
des Magnetpulvers durchgeführt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine
Querfeldpressung durchgeführt.
Bei der Querfeldpressung ist die Verpressrichtung quer zur Richtung
der Magnetisierung. Dadurch können
beispielsweise verbesserte Remanenzeigenschaften erzielt werden.
Bei der Querfeldpressung erfolgt die Pressung z.B. zumindest zeitweise
parallel zum Vorgang des Generierens eines magnetischen Querfeldes,
welches auf das verpresste Magnetpulver wirkt.
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Ist
ein Polzahn zur Bewicklung mit einer Spule vorgesehen, so erfolgt
die Bewicklung vorteilhaft nach der Magnetisierung des verpressten
Magnetpulvers.
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Wird
die Bewicklung vor der Magnetisierung durchgeführt, so kann die Bewicklung
zur Unterstützung
des Magnetisierungsvorganges auch bestromt werden. Dies ist insbesondere
bei Einzelzähnen
vorteilhaft.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten beispielhaften Zeichnungen
näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Polzahn mit
Stirnseitenblechen in Explosionsansicht;
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2 den
Polzahn von 1 im montierten Zustand;
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3 ein
Polzahnmodul in Paketierrichtung;
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4 ein
Polzahnmodul quer zur Paketierrichtung;
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5 einen
Blechschnitt eines Polzahns, welcher eine geschlossene Aussparung
aufweist;
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6 eine
Querfeldpressung und
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7 bewickelte
Polzähne.
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Die
nachfolgend näher
beschriebenen Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
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Der
in 1 in Explosionsansicht wiedergegebene Polzahn 6 weist
zwei paketierte Polzahnhälften 1 und 2 auf.
Darüber
hinaus ist an beiden Stirnseiten jeweils ein Stirnblech 3 und 4 angeordnet.
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Die
Polzahnhälften 1, 2 besitzen
im Wesentlichen eine C-förmige
Struktur, wobei die einen Enden durch die Polzahnköpfe 10, 20 und
die anderen Enden durch Polschuhe 11, 21 gebildet
werden. Die Mittelbereiche 12, 22 der Polzahnhälften sind
im Wesentlichen plattenförmig
ausgebildet. Die beiden Polzahnhälften 1 und 2 sind
so angeordnet, dass sich zwischen ihnen bzw. ihren Mittelbereichen 12, 22 ein Spalt
bzw. eine Tasche 5 ergibt. Diese Tasche dient als Aussparung 24,
welche mit Magnetpulver zu befüllen
ist. Damit das Magnetpulver in der Aussparung gehalten wird, weisen
die Bleche der Polzahnhälften Endnasen 23 auf.
Mittels der Endnasen 23 wird die Aussparung begrenzt. Im
vorliegenden Beispiel sind die Endnasen 23 am Ende der
taillierten Mittelbereiche 12, 22 positioniert.
Die Endnasen schließen
die Aussparung 24 zu einer Richtung hin ab.
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Jedes
der Stirnbleche 3, 4 besitzt die Kontur der Stirnseiten
der beiden Polzahnhälften 1, 2 einschließlich des
dazwischen befindlichen Spalts 5. Somit besitzt jedes Stirnseitenblech 3, 4 einen
taillierten Mittelbereich 30, 40.
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In 2 ist
der Polzahn von 1 im montierten Zustand dargestellt.
Die beiden Stirnseitenbleche 3, 4 halten die beiden
Polzahnhälften 1, 2 in
dem gewünschten
Abstand, so dass sich die Tasche 5 ergibt. Die genannten
Element 1 bis 4 werden durch Stanzpaketieren oder
eine andere Paketiertechnik (Backlack, Kleben, Schweißen, Klemmen,
Nieten, etc.) miteinander verbunden. In jedem Fall ergibt sich damit
eine formstabile Tasche 5. Durch diese Formstabilität ist es
möglich
die Tasche 5 als eine Form zum Verpressen des Magnetpulvers
zu verwenden. Besonders vorteilhaft ist dies nicht nur bei der Montage
eines Primärteils
eines Synchronlinearmotors, sondern auch bei der Fertigung entsprechender
rotatorischer Antriebe.
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Wie
in 2 dargestellt, kann die Tasche 5 derart
verschlossen werden, dass in eine Nut 26 eine Verschlussfeder 25 eingelegt
ist. Vorteilhaft kann diese Verschlussfeder 25 auch schon
als ein Stößel für die Verpressung
des Magnetpulvers verwendet werden.
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Eine
weiterentwickelte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 3 wiedergegeben. Dort
ist ein geblechter Polzahn dargestellt, dessen Polzahnhälften 100, 200 durch
mehrere durchgehende Bleche 60, 61, 62, 63, 64 und 65 im
gewünschten Abstand
gehalten werden. Dadurch ergeben sich je weils getrennt durch die
Bleche 60 bis 65 in einer Reihe miteinander fluchtend
fünf Taschen 51, 52, 53, 54, und 55.
In diese Taschen 51 bis 55 lässt sich Magnetpulver einführen und
verpressen.
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Der
in 3 dargestellte Polzahn lässt sich auch als Polzahnmodul 7 beschreiben,
bei dem mehrere Einzelpolzähne
gemäß 2 in
Paketierrichtung hintereinander angeordnet sind. Dabei kann ein Stirnseitenblech
jeweils für
zwei in Paketierrichtung aneinander angereihte Blechpakte als Abstandshalter
für die
jeweiligen Polzahnhälften
verwendet werden. So besitzen beispielsweise die Einzelblechpakte 201 und 202 bzw. 101 bis 102 das
gemeinsame Stirnseitenblech bzw. Abstandsblech 61. Gleiches gilt
für die übrigen Einzelblechpakte.
Lediglich an den freien Stirnseiten des Polzahnmoduls sind echte Stirnseitenbleche 60, 65 angebracht,
die die Stirnseiten des gesamten Polzahns bilden. Auf diese Weise kann
für die
gesamte Breite eines Primärteils
ein einziges Polzahnmodul eingesetzt werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 4 dargestellt.
Es handelt sich hier um ein Längsmodul
mit sechs Polzähnen.
In diesem Beispiel sind also sechs Polzähne entsprechend 2 in
einer Richtung quer zur Paketierrichtung angeordnet und miteinander
verbunden. Die Verbindung der einzelnen Polzähne 71 bis 77 erfolgt
durch zwei durchgehende Stirnseitenbleche 8 und 9.
Diese beiden Stirnseitenbleche 8 und 9 sind Komplettschnitte
und halten nicht nur die einzelnen Polzahnhälften der Polzähne 71 bis 76 im
gewünschten
Abstand, sondern halten auch die nebeneinander angeordneten Polzähne an ihren
Polzahnköpfen
zusammen. Darüber
hinaus begrenzen die beiden Stirnseitenbleche 8 und 9 die
jeweils zwischen den Polzahnhälften
gebildeten Taschen in Paketierrichtung. Auf diese Weise lässt sich
ein Polzahnmodul 7 mit der gewünschten Länge des Primärteils herstellen.
Ein derartiges Modul lässt
sich auch mit dem in 3 dargestellten Modul kombinieren,
indem beispielsweise ein weiteres einteiliges Blech parallel zu
den Stirnseitenblechen 8 und 9 in die Blechpaketanordnung
eingefügt
wird. Die Aussparungen 24 sind zur Befüllung mit Magnetpulver vorgesehen.
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In
der Darstellung von 4 fällt zusätzlich auf, dass die einzelnen
Polzähne 71 bis 76 nicht über ausgeprägte Polschuhe
verfügen.
Dies hat den Vorteil, dass vorgefertigte Spulen auf die Polzähne aufgeschoben
werden können,
gegebenenfalls lassen sich spezielle Polschuhe nach der Montage
der Spulen an die Enden der Blechpakte anbringen.
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Die
Darstellung gemäß 5 zeigt
den Blechschnitt eines Polzahns 6, wobei der Blechschnitt
eine geschlossene Aussparung 24 aufweist. Die Aussparung 24 ist
vorteilhaft derart aus einem Blech 8 gestanzt, dass die
Aussparung 24 stets von Blech umschlossen ist. Vorteilhaft
hieran ist es beispielsweise, dass dadurch eine erhöhte Stabilität erzielbar
ist.
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Die
Darstellung gemäß 6 zeigt
eine Querfeldpressung. Ein Pfeil 31 stellt die Pressrichtung
des zu verpressenden Magnetpulvers 33 dar. Die Pfeile 32 stellen
die Magnetisierungsrichtung dar. Die Magnetisierungsrichtung verläuft quer
zur Pressrichtung 31.
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Die
Darstellung gemäß 7 zeigt
aneinander gereihte Polzähne 6,
wobei diese bereits mit Wicklungen 34 bewickelt sind. Weist
ein Primärteil
einer elektrischen Synchronmaschine sowohl die Wicklungen als auch
die Permanentmagnete auf, so können
die Permanentmagnet, auch Dauermagnete genannt, vergraben angeordnet
sein. Gerade bei vergrabenen Permanentmagneten ist es vorteilhaft
eine Aussparung erst in einfacher Weise mit Magnetpulver befüllen zu
können,
wonach das Magnetpulver verpresst wird und wonach das verpresste
Magnetpulver magnetisiert wird. Die Verpressung des Magnetpulvers
erfolgt unter derart hohem Druck, dass sich das Volumen des vom
eingefüllten
Magnetpulver beanspruchten Raumes reduziert.
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Gemäß der Erfindung
ist es nunmehr nicht mehr nötig
ganze Magnete in eine Aussparung einzuschieben. Ähnlich dem Ferti gungsprozess
des Dauermagneten wird die Aussparung des Zahns als verlorene Pressform
genutzt und das Magnetpulver gleich direkt in den Zahn einpresst.
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Da
der Magnet in einem Einzelzahn nachträglich magnetisiert werden kann,
kann natürlich
die nötige
Feldausrichtung beim Pressen des Magneten ebenfalls von Außen angelegt
werden. Somit kann man bei diesem Verfahren das so genannte Querfeldpressen
einsetzen.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass beim Magneten auf eine
Aussenbearbeitung verzichtet werden kann. Dies reduziert die Kosten.
Des Weiteren können
beliebige Außenformen
hergestellt werden. Auch die Magnettoleranzen spielen keine große Rolle
mehr, da die Magnetisierung am Zahn selbst erfolgt.