Beschreibung

Polzahn mit Permanentmagnet

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 rela- tiv 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 Torque- motoren zu.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen eines Polzahns einer elektrischen Maschine.

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 Torquemoto- ren vorteilhaft anwendbar ist.

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 Primär- teil. 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.

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 permanent- magneterregten 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 .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen kosten- günstigen Aufbau eines Polzahns und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung zu finden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch:

- einen Polzahn, welcher die Merkmale nach Anspruch 1 auf- weist,

- ein Polzahnmodul, welches die Merkmale nach Anspruch 6 aufweist und/oder

- ein Verfahren zur Herstellung eines Polzahns, mit den Merkmalen nach Anspruch 9.

Aus den Unteransprüche 2 bis 5, 7, 8 und 10 bis 13 ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

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 PoI- zahns 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 ent- spricht. Die Aussparung dient dabei als eine Art Form für das zu verpressende Magnetpulver.

Vorteilhaft erfolgt die Verpressung des Magnetpulvers in einer Art Magnettasche, welche nach der Fertigstellung der e- lektrischen Maschine den vom verpressten Permanentmagneten ganz oder teilweise gefüllt ist.

Vorteilhaft weist die Aussparung nicht nur eine Kammer zur Aufnahme von Magnetpulver auf sondern zwei oder mehrere Kam- mern. 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.

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 Entmagnetisierungsfeidstärke 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 Träufe- lung (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.

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 Verpressvorgan- ges keine wesentlichen Mengen von Magnetpulvermaterial zwischen die Bleche gelangen.

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.

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 gegenüber- liegende 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 mit- tels Blechpaketen ausgebildet.

Vorzugsweise besteht jede Polzahnhälfte aus einem Blechpaket. Ein derartiges Paket lässt sich in gewünschter Höhe durch üb-

liehe Paketiertechnik herstellen. Gegebenenfalls kann auch das Stirnseitenblech mit den beiden Polzahnhälften mitpaktiert werden.

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.

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 mo- dular aufzubauen.

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 Di- mension des Primärteils anpassen.

Das Polzahnmodul kann aber auch aus mehreren Polzähnen bestehen, die quer zur Paketierrichtung angeordnet sind, wobei die Stirnbleche der mehreren Polzähne einteilig miteinander Ver- bunden sind. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise die

Polzähne über die gesamte Länge eines Primärteils eines Linearmotors über ein gemeinsames Stirnblech miteinander verbinden .

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Polzahns einer e- lektrischen Maschine wird eine Aussparung des Polzahns, welcher wie obig beschrieben ausbildbar ist, mit Magnetpulver befüllt, wonach das Magnetpulver in der Aussparung verpresst wird.

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.

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.

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.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Querfeldpressung durchgeführt. Bei der Querfeld- pressung 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, wel- ches auf das verpresste Magnetpulver wirkt.

Ist ein Polzahn zur Bewicklung mit einer Spule vorgesehen, so erfolgt die Bewicklung vorteilhaft nach der Magnetisierung des verpressten Magnetpulvers.

Wird die Bewicklung vor der Magnetisierung durchgeführt, so kann die Bewicklung zur Unterstützung des Magnetisierungsvorganges auch bestromt werden. Dies ist insbesondere bei Einzelzähnen vorteilhaft.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten beispielhaften Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

FIG 1 einen erfindungsgemäßen Polzahn mit Stirnseitenblechen in Explosionsansicht; FIG 2 den Polzahn von FIG 1 im montierten Zustand; FIG 3 ein Polzahnmodul in Paketierrichtung; FIG 4 ein Polzahnmodul quer zur Paketierrichtung; FIG 5 einen Blechschnitt eines Polzahns, welcher eine geschlossene Aussparung aufweist; FIG 6 eine Querfeldpressung und FIG 7 bewickelte Polzähne.

Die nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin- düng dar.

Der in FIG 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.

Die Polzahnhälften 1, 2 besitzen im Wesentlichen eine C-för- mige 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 Ausspa- rung 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.

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.

In FIG 2 ist der Polzahn von FIG 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 (Back- lack, 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 Mon- tage eines Primärteils eines Synchronlinearmotors, sondern auch bei der Fertigung entsprechender rotatorischer Antriebe.

Wie in FIG 2 dargestellt, kann die Tasche 5 derart verschlossen werden, dass in eine Nut 26 eine Verschlussfeder 25 ein- gelegt ist. Vorteilhaft kann diese Verschlussfeder 25 auch schon als ein Stößel für die Verpressung des Magnetpulvers verwendet werden.

Eine weiterentwickelte Ausführungsform der vorliegenden Er- findung ist in FIG 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 .

Der in FIG 3 dargestellte Polzahn lässt sich auch als Polzahnmodul 7 beschreiben, bei dem mehrere Einzelpolzähne gemäß FIG 2 in Paketierrichtung hintereinander angeordnet sind. Dabei kann ein Stirnseitenblech jeweils für zwei in Paketier- richtung 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 .

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in FIG 4 dargestellt. Es handelt sich hier um ein Längsmodul mit sechs Polzähnen. In diesem Beispiel sind also sechs Polzähne entsprechend FIG 2 in einer Richtung quer zur Paketier- richtung 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 gewünsch- ten 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 FIG 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.

In der Darstellung von FIG 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.

Die Darstellung gemäß FIG 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.

Die Darstellung gemäß FIG 6 zeigt eine Querfeldpressung. Ein Pfeil 31 stellt die Pressrichtung des zu verpressenden Mag- netpulvers 33 dar. Die Pfeile 32 stellen die Magnetisierungsrichtung dar. Die Magnetisierungsrichtung verläuft quer zur Pressrichtung 31.

Die Darstellung gemäß FIG 7 zeigt aneinander gereihte Polzäh- ne 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 Permanentmag- neten 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 ein- gefüllten Magnetpulver beanspruchten Raumes reduziert.

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.

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.

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.