SE522370C2 - Förfarande för tillverkning av en rotor till en elektrisk växelströmsmaskin samt rotor framställd enligt förfarandet - Google Patents

Description

20 25 30 35 522 370 2 En fördel med en växelströmsmaskin med en sådan rotor i för- hållande till en asynkronmaskin är att den effekt som kan alstras däri per viktsenhet hos maskinen vid motordrift blir betydligt stör- re, vilket gör en sådan motor speciellt intressant där så låg vikt som möjligt för alstrande av en bestämd effekt eftersträvas. Hit- tills har emellertid växelströmsmaskiner, speciellt motorer, av denna typ kommit till begränsad användning, då det inte funnits något sätt att enkelt framställa dem genom en tillverkningspro- cess som vadgäller automatiseringsgrad är jämförbar med till- verkning av exempelvis konventionella asynkronmotorer.

Hittills har nämligen nämnda tunna plåtar lagts ovanpå varandra och permanentmagneterna förts in i nämnda utrymmen och se- dan ändplåtarna spänts fast mot stapeln av de tunna plåtarna genom åtdragning av bultar för att stabilisera rotorkroppen. Där- vid kan permanentmagneter direkt anordnas i utrymmena eller stycken av omagnetiserat, magnetiserbart material och dessa sedan magnetiseras. Detta sätt att sätta ihop nämnda rotorer på är komplicerat och för ineffektivt för att vara kommersiellt intres- sant för tillverkning av sådana maskiner i stora serier.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förfa- rande samt en rotor av inledningsvis definierat slag, vilka råder bot på ovannämnda olägenheter och gör det möjligt att tillverka en rotor av detta slag på sådant sätt att en serietillverkning därav blir kommersiellt intressant.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom tillhandahållande av ett förfarande, hos vilket en fixering av plåtarna och stapeln inbördes och åtminstone en första ändplåt relativt stapeln sker genom ett pressgjutningssteg via införande av en smält gjutmas- sa i igenom plåtarna och därmed stapeln och ändplåten sig sträckande genomgående hål och mot delar av fasadytan hos denna ändplåt under applicerande av ett högt tryck, varvid den andra ändplåten fixeras vid stapeln antingen samtidigt som den 10 15 20 25 30 35 522 370 första på samma sätt som.denna eller efter avslutat pressgjut- ningssteg på mekaniskt sätt, samt genom tillhandahållande av en rotor enligt bifogade självständiga rotorpatentkrav.

Genom att på detta sätt utnyttja pressgjutningstekniken för till- verkning av med permanentmagneter bestyckade rotorer kan till- verkningen bli väsentligt effektivare än de hittills använda till- verkningsförfarandena för rotorer av detta slag. investerings- kostnaden i maskiner för genomförande av detta förfarande blir även låg och begränsas till modifiering av befintliga verktyg för pressgjutningen. Vidare blir en på detta sätt tillverkad rotor be- tydligt tätare = kompaktare, d v s får en högre fyllfaktor än roto- rer framställda genom utnyttjande av bultar eller limning för bil- dande av rotorkroppen. En annan fördel är att rotorkroppen blir mycket stabil och den blir likformigare till sin uppbyggnad än i det fall bultar används för fixering av de tunna plàtarna och änd- plàtarna, vilket förbättrar driftsprestandan hos den elektriska växelströmsmaskin rotorn kommer att ingå i. Det har varit den inom teknikomràdet fram till nu allmänt förfäktade uppfattningen att pressgjutningstekniken inte är möjlig att använda för tillverk- ning av rotorer bestyckade med permanentmagneter, då det an- tagits att t o m omagnetiserat, 'magnetiserbart material skadas vid pressgjutningen, men föreliggande uppfinnare har insett och verifierat att så ej är fallet och omagnetiserat, magnetiserbart material mycket väl kan vara applicerat i rotorkroppen under pressgjutningssteget. Det påpekas emellertid att föreliggande uppfinning inte är begränsad till vare sig att det är omagnetise- rat, magnetiserbart material som används i rotorkropparna och detta sedan magnetiseras eller sådant omagnetiserat, magneti- serbart material över huvud taget finns applicerat i rotorkroppen vid genomförande av nämnda pressgjutningssteg, utan vid vissa applikationer av uppfinningen är det väl tänkbart att permanent- magneter eller stycken av omagnetiserat, magnetiserbart materi- al förs in i nämnda utrymmen efter genomförande av pressgjut- ningssteget. 10 15 20 25 30 35 522 370 Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen sker anord- nandet av permanentmagneterna genom införande av stycken av omagnetiskt, magnetiserbart material i nämnda utrymmen och magnetisering av dessa stycken sker efter avslutad pressgjut- ning. Det har såsom ovan nämnts befunnits att det är möjligt att föra in sådana stycken i utrymmena och ha de på plats där under själva pressgjutningen utan att materialet för den skull ska- das, d v s materialet kan senare magnetiseras på önskat sätt. I vissa fall kan tillverkningsprocessen förenklas genom utnyttjande av denna möjlighet.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen fixeras båda ändplätarna relativt stapeln genom ett enda pressgjutnings- steg, varvid det dà är stycken av omagnetiskt, magnetiserbart material som förs in i nämnda utrymmen. Ett sådant förfarande blir mycket enkelt “och därigenom fördelaktigt ur kostnadssyn- punkt, samtidigt som ovannämnda fördelar vad gäller hög fyll- faktor, likformig rotoruppbyggnad och så vidare uppnås.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen anord- nas permanentmagneter i flera med avseende på riktningen av rotorns rotationsaxel efter varandra anordnade lager, och utrym- mena hos ett lager är i omkretsriktningen sett förskjutna relativt utrymmena hos efterföljande lager. En på detta sätt utformad rotor är fördelaktig ur kraftöverföringssynpunkt, och hos en så- dan måste vissa av "permanentmagneterna" anordnas i nämnda utrymmen före genomförande av pressgjutningssteget, närmare bestämt samtliga utom de som är anordnade i lagret beläget vid den ände där den andra ändpläten skall sitta, då det inte finns någon åtkomst till dessa utrymmen efter genomförande av press- gjutningssteget. I ett sådant fall används stycken av omagnetiskt, magnetiserbart material för bildande av de "permanentmagneter" som skall vara på plats i utrymmena under genomförande av pressgjutningssteget.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen fixeras endast den första ändpläten vid stapeln genom pressgjutnings- 10 15 20 25 30 35 522 370 steget, pressgjutningen sker under bildande av från nämnda hål ut ur stapeln skjutande utsprång av stelnad gjutmassa, och den andra ändplåten fixeras vid stapeln genom att föra denna i an- liggning mot stapeln under genomskjutande av nämnda utsprång igenom hål i ändplåten och därpå följande deformering av en för- bi ändplåten skjutande del hos respektive utsprång för fastnitning av den andra ändplåten vid stapeln. På detta sätt kan den andra ändplåten effektivt bringas på plats, och detta tillvägagångssätt möjliggör ett kombinerande av pressgjutningsförfarandet med ett direkt anordnande av permanentmagneter i utrymmena i stapeln, genom att detta görs efter utförande av pressgjutningssteget, så att även magnetiskt material kan användas för nämnda stycken och ändå fördelarna med utnyttjandet av pressgjutningstekniken kan fås.

Företrädesvis används smält aluminium som gjutmassa för fyl- lande av nämnda hål och hålrum hos en gjutform, varvid detta tillförs däri under högt tryck, varvid pressgjutningen företrädesvis sker genom införande av gjutmassa med ett tryck av åtminstone 500 bar och temperaturer överstigande 700°C hos gjutmassan utnyttjas.

Fördelarna med de i patentkraven definierade olika utföringsfor- merna av den uppfinningsenliga rotorn framgår med all önskvärd tydlighet av ovanstående diskussioner av föredragna utförings- former av det uppfinningsenliga förfarandet för tillverkning av en sådan rotor.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgår av den efterföljande beskrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN Här nedan beskrivs rotorer enligt två föredragna utföringsformer av uppfinningen samt förfaranden för tillverkning därav under hänvisning till bifogade ritning, på vilken: 10 15 20 25 30 35 522 570 är en utmed ett väsentligen axiellt plan delvis skuren vy av en rotor enligt en första föredragen utförings- form av uppfinningen, varvid den ena ändplåten ännu ej bringats på plats, Fig 1 Fig 2 är en axiell ändvy av den i Fig 1 visade rotorn från höger med avseende på Fig 1, varvid vissa delar bru- tits bort för illustrerande av rotorns uppbyggnad, och är en Fig 2 väsentligen motsvarande vy av en rotor enligt en andra föredragen utföringsform av uppfin- ningen.

Fig 3 DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGS- FORMER AV UPPFINNINGEN Med hjälp av Fig 1 och 2 skall nu ett förfarande för tillverkning av en med permanentmagneter bestyckad rotor till en elektrisk väx- elströmsmaskin enligt en första föredragen utföringsform av upp- finningen beskrivas. För bildande av rotorkroppen läggs en stor mängd, exempelvis ca 300 st, tunna plåtar av material med hög magnetisk permeabilitet, företrädesvis järn eller s k motorplàt, ovanpå varandra. De tunna plåtarna kan ha en tjocklek av endast några tiondels mm för nedbringande av de förluster som är för- knippade med virvelströmmar alstrade däri genom dessa korsan- de magnetflöden. Plåtarna är för tunna för att dessa skall kunna ritas ut i Fig 1, men formen hos var och en av dessa plåtar 1 framgår av Fig 2. Dessa plåtar uppvisar i omkretsriktningen vä- sentligen likformigt fördelat, i närheten av periferin anordnade, exempelvis genom urstansningar i plåtarna bildade öppningar 2, vilka i föreliggande fall är 16 till antalet, och vilka har sådant tvärsnitt att de vid ovanpå varandra lagda plåtar 1 bildar i rotor- kroppens längdriktning sig sträckande utrymmen 3 anordnade att mottaga permanentmagneter. Likformigt avses således här och i patentkraven inbegripa att magneterna anordnas exempelvis par- vis och paren har väsentligen samma inbördes avstånd. Vidare 10 15 20 25 30 35 522 370 7 uppvisar plåtarna hål 4, exempelvis 4-8 till antalet, anordnade invändigt om öppningarna 2 och företrädesvis med en diameter av 6-10 mm. Dessa hål är avsedda att läggas ovanpå varandra för bildande av genomgående hål hos rotorkroppen. Dessutom uppvisar plåtarna 2 invändiga kilspår 5 för orientering därav vid pressgjutningsförfarandet.

Rotorn uppvisar ävenledes på ömse sidor om stapeln 6 av tunna plåtar 1 anordnade ändplåtar, av vilka endast den första 7 är vi- sad i Fig 1. Dessa ändplåtar är väsentligt tjockare än de tunna plåtarna 1 och kan exempelvis vara bildade genom hoplimning av ca 10 st tunna plåtar, varvid dessa ändplåtar saknar öppningar 2, men är försedda med hål 4. Ändplåtarna är till för att stabilisera rotorkroppen genom fastspänning därav på ömse sidor om sta- peln 6.

Enligt en första föredragen utföringsform av uppfinningen tillver- kas rotorn på följande sätt: En stor mängd tunna plåtar 1 läggs ovanpå varandra i en stapel med avseende på riktningen av ro- torns rotationsaxel och appliceras tillsammans med en första ändplåt 7 i ett gjutverktyg, d v s gjutform, hos en pressgjutnings- maskin. Därvid anordnas plåtarna så att hålen 4 hos de olika tunna plåtarna samt ändplåten 7 täcker varandra. Detsamma gäller för öppningarna 2, men här är det möjligt att anordna ett antal tunna plåtar med öppningarna täckande varandra och se- dan ett kommande lager av tunna plåtar med öppningarna täck- ande varandra men förskjutna i förhållande till öppningarna hos det föregående lagret. På detta sätt kan ett önskat antal lager anordnas, varvid då således permanentmagneter kommer att an- ordnas i den axiella riktningen efter varandra men inbördes något förskjutna, så att vid en utformning av de tunna plåtarna enligt Fig 2 antalet permanentmagneter hos rotorn blir 16 gånger anta- let nämnda lager.

När stapeln samt den första ändplåten 7 lagts på plats i gjutfor- men slutes denna och en flytande gjutmassa i form av smält alu- minium tillförs hålen 4 och fördjupningar i gjutverktyget som gör 10 15 20 25 30 35 522 370 att en ring 8 kommer att lägga sig utvändigt om ändplåten 7 för fixering därav. Därvid tillföres det smälta aluminiumet företrädes- vis med ett tryck av mellan 500-1 100 bar, och det har en tempe- ratur av 740-780°C. Temperaturen måste vara så pass hög, då rotorkroppen uppvisar många smala kanaler med stor kylyta. Vid gjutformens ena ände är fördjupningar gjorda så att utsprång 9 eller piggar kommer att skjuta ut förbi änden av stapeln 6.

När pressgjutningen avslutats och den i Fig 1 visade kroppen stelnat anbringas utifrån den motsatta änden mot läget för den första ändplåten 7 en icke visad ändplàt till anliggning mot sta- peln 6 under genomskjutande av utsprången 9 igenom hål i den ändplåten, varpå änden av dessa utsprång deformeras för fast- nitning av den andra ändplåten vid stapeln, så att det stelnade gjutmaterialet bildar förbindningsorgan som håller ihop ändplå- tarna och därmed stapeln. Innan detta sker måste dock samtliga permanentmagneter 10 eller stycken av omagnetiskt, magneti- serbart material föras in i de av -öppningarna 2 bildade utrymme- na 3. l det fall man använder sig av stycken av omagnetiskt, magnetiserbart material för bildande av rotorns permanentmag- neter kan dessa stycken anordnas på plats i utrymmena 3 redan före pressgjutningen, men skall^magnetiskt material användas, då är det nödvändigt att dessa bringas på plats i utrymmena 3 efter genomförandet av pressgjutningen, då de därvid uppträ- dande höga temperaturerna i annat fall förstör magnetiseringen hos permanentmagneterna. I det fall ovannämnda inbördes för- skjutbara lager anbringas blir det nödvändigt att åtminstone för alla lager utom det närmast den andra ändplåten använda sig av stycken av omagnetiskt, magnetiserbart material, då dessa stycken måste anordnas på plats i rotorkroppen före pressgjut- ningsförfarandet.

En på detta sätt uppnådd rotor är likformig till sin uppbyggnad och uppvisar en hög fyllfaktor, då de tunna plåtarna kommer att anordnas ytterst tätt pressade mot varandra. 10 15 20 25 30 35 522 570 9 I Fig 3 illustreras hur enligt ett förfarande enligt en andra före- dragen utföringsform av uppfinningen en uppfinningsenlig rotor kan framställas genom anbringande av båda ändplåtarna 7-11 på plats före pressgjutningssteget, och då är således gjutverktyget utformat på samma sätt som till höger i Fig 1 på båda sidor om rotorkroppen. Detta förfarande kräver att stycken av omagnetiskt, magnetiserbart material anordnas på plats i utrymmena 3 före utförandet av pressgjutningssteget. Detta material får sedan magnetiseras i_ efterhand. Detta förfarande blir ytterst enkelt och kräver en minimal investeringskostnad och små förändringar i de produktionsflöden som redan finns för framställning av rotorer för andra växelströmsmaskiner, såsom asynkronmotorer, och det enda som krävs är en modifiering av själv gjutverktyget, d v s gjutformen.

I Fig 1 och 3 visas hur öppningarna 2 är anordnade i ett enda la- ger, varvid då ändå en permanentmagnet 10 kan anbringas från vardera ände däri, men det vorelsom sagt var möjligt att anordna flera sådana lager för att därvid uppnå förbättrade kraftöverfö- ringsegenskaper och i vissa fall bättre driftsegenskaper hos en växelströmsmaskin med en sådan rotor. l Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, utan en mängd möjlig- heter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fack- man på området utan att denne för den skull avviker från uppfin- ningens grundtanke sådan denna är definierad i patentkraven.

Naturligtvis skulle öppningarna för magneterna och därigenom magneterna kunna ha annat tvärsnitt, vilket även gäller de ge- nomgående hålen för hophållning av stapeln genom de av press- gjutningen resulterande stängerna, dessa öppningar eller hål skulle kunna förekomma i annat antal än vad som visats i figu- rerna o s v.

Det påpekas att i denna avhandling avses definitionen "omagnetiserat, magnetiserbart material” även omfatta omagneti- 522 370 10 serade permanentmagneter, medan "permanentmagneter" endast omfattar magnetiserade permanentmagneter.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 522 370 _ 11 »iPatentkrav

1. Förfarande för tillverkning av en med permanentmagneter (10) bestyckad rotor till en elektrisk växelströmsmaskin, vid vilket en stor mängd tunna plåtar av material med hög mag- netisk permeabilitet fixeras vid varandra liggande ovanpå var- andra i en stapel (6) med avseende på riktningen av rotorns rotationsaxel för bildande av en rotorkropp, permanentmag- neter eller stycken (10) av omagnetiskt, magnetiserbart mate- rial anordnas i utrymmen (3), vilka är bildade i nämnda stapel genom anordnande av plàtarna med däri utförda öppningar (2) väsentligen täckande varandra och vilka är anordnade för- delat runtom plàtarna i närheten av dessas periferi, varvid en fixering av plàtarna hos stapeln inbördes sker genom ett pressgjutningssteg via införande av en smält gjutmassa i ige- nom plàtarna och därmed stapeln sig sträckande genomgå- ende hål (4) under applicerande av ett högt tryck, känne- tecknad därav, att rotorkroppen stabiliseras genom fastspän- ning av ändplåtar (7, 11) med en väsentligt större tjocklek än nämnda plåtar på ömse sidor om stapeln, att vid nämnda fixe- ring genom pressgjutningssteget en första ändplåt (7) fixeras relativt stapeln genom införande av smält gjutmassa i igenom plàtarna och därmed stapeln och ändplåten sig sträckande genomgående hål (4) och mot delar (8) av fasadytan hos denna ändplåt under applicerande av ett högt tryck, att endast den första ändplåten (7) fixeras relativt stapeln (6) genom pressgjutningssteget, att efter pressgjutningen åtminstone vissa av permanentmagneterna förs in i nämnda utrymmen (3) från motsatt ände av stapeln mot den första ändplåten, och att sedan den andra ändplåten (11) fastgöres mekaniskt vid stapeln. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat därav, att anordnandet av permanentmagneterna sker genom införande av stycken (10) av omagnetiskt, magnetiserbart material i nämnda ut- rymmen (3) och magnetisering av dessa stycken efter avslu- tad pressgjutning. 10 15 20 25 30 35 '=3. 522 570 oroa 12 Förfarande enligt krav 2, kännetecknat därav, att åtminstone vissa av nämnda stycken (10) placeras i nämnda utrymmen (3) före genomförandet av pressgjutningen. Förfarande enligt krav 2 eller 3, kännetecknat därav, att båda ändplåtarna (7, 11) fixeras relativt stapeln (6) genom ett enda pressgjutningssteg. Förfarande enligt krav 3, kännetecknat därav, att permanent- magneterna (10) anordnas i flera med avseende på riktningen av rotorns rotationsaxel efter varandra anordnade lager, och att utrymmena hos ett lager är i omkretsriktningen sett för- skjutna relativt utrymmena hos efterföljande lager. Förfarande enligt något av kraven 1-3 eller 5, kännetecknat därav, att endast den första ändplàten (7) fixeras vid stapeln (6) genom pressgjutningssteget, att pressgjutningen sker un- der bildande av från nämnda hål (4) ut ur stapeln skjutande utsprång (9) av stelnad gjutmassa, och att den andra ändplå- ten (11) fixeras vid stapeln genom att föra denna i anliggning mot stapeln under genomskjutande av nämnda utsprång ige- nom hål i ändplàten och därpå följande deformering av en förbi ändplàten skjutande del hos respektive utsprång för fastnitning av den andra ändplàten vid stapeln. Förfarande enligt krav 6, kännetecknat därav, att det är per- manentmagneter (10) som förs in i nämnda utrymmen (3) i stapeln och samtliga permanentmagneter förs in i utrymmena efter pressgjutningssteget. Förfarande enligt något av kraven 1-7, kännetecknat därav, att nämnda magneter (10) anbringas i rotorkroppen med en omkretsmässigt väsentligen likformig fördelning med en del- ning motsvarande fler än 8 och företrädesvis fler än 12 mag- neter på ett varv. 10 15 20 25 30 35 '=9. 10. 11. 1

2. 1

3. 1

4. 522 570 13 Förfarande enligt krav 8, kännetecknat därav, att det anord- nas 16 permanentmagneter på ett varv. Förfarande enligt något av kraven 1-9, kännetecknat därav, att nämnda genomgående hål (4) är anordnade i plåtarna med avseende på rotorns rotationsaxel invändigt om nämnda ut- rymmen (3) för permanentmagneterna, och att det är åtmin- stone 3, företrädesvis 4-8, sådana genomgående hål som fylls med gjutmassa i pressgjutningssteget. Förfarande enligt något av kraven 1-10, kännetecknat därav, att smält aluminium förs in i nämnda genomgående hål (4) och hålrum hos en gjutform under högt tryck under pressgjut- ningssteget. Förfarande enligt något av kraven 1-11, kännetecknat därav, att pressgjutningen sker genom införande av gjutmassan med ett tryck av åtminstone 500 bar i nämnda hål (4). Förfarande enligt något av kraven 1-12, kännetecknat därav, att pressgjutningen sker genom införande av en smält gjut- massa med en temperatur överstigande 700°C i nämnda hål (4)- Rotor till en elektrisk växelströmsmaskin, vilken är bestyckad med permanentmagneter (10) och uppbyggd av en mängd tunna plåtar av material med hög magnetisk permeabilitet fix- erade vid varandra liggandes ovanpå varandra i en stapel (6) med avseende på riktningen av rotorns rotationsaxel för bil- dande av en rotorkropp, varvid permanentmagneterna är an- ordnade i utrymmen (3) bildade i nämnda stapel genom an- ordnande av plåtarna med däri utförda öppningar (2) väsentli- gen täckande varandra och dessa utrymmen är anordnade fördelat runtom plåtarna i närheten av dessas periferi, varvid plåtarna hos stapeln är inbördes fixerade genom en i igenom plåtarna och därmed stapeln sig sträckande genomgående hål (4) i ett pressgjutningssteg införd och stelnad gjutmassa, 10 15 20 25 1

5. 1

6. 522 370 14 därav, att rotorkroppen är stabiliserad genom på ömse sidor om stapeln fastspända ändplätar (7, 11) med en väsentligt större tjocklek än plåtarna hos stapeln, att en första ändplåt (7) är fixerad relativt stapeln genom den i ige- nom plåtarna och därmed stapeln och ändplåten sig sträck- ande genomgående hål (4) i pressgjutningssteget införda och stelnade gjutmassan vilken även anligger mot delar (8) av fa- sadytan hos denna ändplàt, och att endast den första änd- plåten (7) är fixerad relativt stapeln (6) genom den från pressgjutningssteget härrörande gjutmassan och den andra ändplåten (11) är fastgjord mekaniskt vid stapeln. Rotor enligt krav 14, kännetecknad därav, att den innefattar från nämnda hål (4) ut ur stapeln (6) skjutande utsprång (9) av stelnad gjutmassa, vilka skjuter igenom hål i den andra ändplåten och avslutas med från en deformering av sin ände härrörande nitskalleartade partier anordnade att hålla fast den andra ändplåten (11) mot stapeln. Rotor enligt krav 14, kännetecknad därav, att båda ändplå- tarna (7, 11) är fixerade relativt stapeln (6) genom från press- gjutningssteget härrörande gjutmassa sträckande sig igenom hål (4) hos dessa och stapeln (6) samt anliggande mot delar (8) av fasadytan hos respektive ändplåt.