DE102011081262B4

DE102011081262B4 - Permanentmagnetrotor

Info

Publication number: DE102011081262B4
Application number: DE102011081262.8A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Böhm
Original assignee: Buehler Motor GmbH
Current assignee: Buehler Motor GmbH
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2031-08-20
Also published as: DE102011081262A1

Abstract

Permanentmagnetrotor (1) für eine Nassläuferpumpe, bestehend aus einem hohlzylinderförmigen Seltenerdmagneten (2) und einem Überzug (3) aus einem thermoplastischem Kunststoffmaterial, wobei der Überzug (3) den Seltenerdmagneten (2) vollständig dicht einschließt, wobei a) der Kunststoff des Überzugs (3) ein PPS-Material ist, b) der Seltenerdmagnet (2) kunststoffgebunden ist, c) der hohlzylindrische Seltenerdmagnet (2) an allen Kanten Verrundungsradien (4) aufweist mit einem Mindestradius von 0,2mm und d) die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Permanentmagneten (2) und des Überzugs (3) gleich groß sind oder nur geringfügig bis maximal 10% voneinander abweichen, e) dass der Überzug (3) aus zwei Bereichen (5, 6) besteht, die an Nahtstellen (7) miteinander verschweißt sind und f), dass das Profil der Nahtstelle (7) einen ringförmig ausgebildeten und aus einer Stirnfläche des Überzugs (3) vorspringenden Wulst (8) als Bestandteil des ersten Bereichs (5) aufweist, der von drei Seiten mit dem Material des zweiten Bereichs (6) umgeben ist und dass die Wulst (8) über Radien (17) in die übrige Kontur des ersten Bereichs (5) übergeht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Permanentmagnetrotor (1) für eine Nassläuferpumpe, bestehend aus einem hohlzylinderförmigen Seltenerdmagneten (2) und einem Überzug (3) aus einem thermoplastischem Kunststoffmaterial, wobei der Überzug (3) den Seltenerdmagneten (2) vollständig dicht einschließt.
Die Erfindung betrifft insbesondere solche Pumpen, bei denen der Rotor einem aggressiven, die Korrosion des Permanentmagnetmaterials bewirkenden, Medium ausgesetzt ist, z.B. Harnstofflösung, wie sie in Kraftfahrzeugen als NOx-Reduktionsmittel verwendet wird, um schädliche Stickstoffemissionen zu reduzieren. Aufgrund des Einsatzes im Kraftfahrzeug, muss das Permanentmagnetmaterial der Nassläuferpumpe innerhalb eines großen Temperaturbereichs zwischen -40°C und +90°C zuverlässig vor dem Eindringen des aggressiven Mediums geschützt sein.
Aus der DE 699 31 748 T2 ist ein Permanentmagnetrotor für eine Nassläuferpumpe bekannt, bei der ein hohlzylinderförmiger Seltenerdmagnet mit einem Überzug aus Kunststoffmaterial gekapselt ist bzw. wird. Um den Überzug herzustellen sind zwei spritzgussvorgänge vorgesehen, die zwei unterschiedlich ausgebildete Nahtstellen zwischen einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich ausbilden. Die Nahtstellen sind mit scharfen Kanten versehen, welche unter Thermoschockbedingungen ein Aufreißen des Überzugs begünstigen können. Weiter umfasst der Permanentmagnetrotor einen Weicheisenrückschlussring, dessen Wärmeausdehnungsverhalten sich deutlich vom Überzugsmaterial unterscheidet.
Die DE 10 2006 034 354 A1 offenbart einen Permanentmagnetrotor für eine Nassläuferpumpe, bestehend aus einem hohlzylinderförmigen Seltenerdmagneten und einem Überzug aus einem thermoplastischem Kunststoffmaterial, wobei der Kunststoff ein PPS-Material ist und der Seltenerdmagnet kunststoffgebunden ist.
Aus der US 4 910 861 A sind Elektromotoren und insbesondere ein verbesserter wellenmontierter Rotorkern mit darauf montierten Permanentmagnet-Segmenten und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Die Rotoranordnung umfasst einen zylindrischen Rotorkern, der zur Montage auf einer Motorwelle ausgelegt ist, mehrere bogenförmige Permanentmagnete, die in winkelig benachbarten Positionen positioniert sind, um den Außenumfang des Rotorkerns im Wesentlichen zu umgeben und eine kunststoffgeformte zylindrische Hülse mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, die die freiliegenden äußeren Umfangsflächen der Permanentmagnete einkapselt, um die Magnete in einer schnellen Position auf dem Rotorkern zu sichern. Zusätzlich wird ein Kunststoffformmaterial in einen vorgewählten Raum zwischen den Formen und den äußeren Umfangsflächen der Magnete injiziert, um die Magnete in einer einheitlichen integrierten Kunststoffformhülse einzukapseln.
Die US 4 414 523 A offenbart einen in einem Magnetantrieb für Pumpen und anderen Geräten verwendeten Ringmagnet, der außen in einem dünnen Metallmantel eingeschlossen ist. Der Mantel, das Innere des Magneten und vorzugsweise ein Ende davon sind mit einem Kunststoffmaterial gefüllt, das zur Aufnahme der Welle, auf der der Magnet montiert werden soll, geöffnet ist. Der Mantel und der Kunststoff sind unempfindlich gegen Flüssigkeiten.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Permanentmagnetrotor so zu gestalten, dass ein darin enthaltener Seltenerdmagnet mediendicht umspritzt und somit korrosionsgeschützt ist, dabei soll der Permeationskoeffizient der Umspritzung über einen Temperaturbereich von -40°C bis +90°C und über eine Produktlebensdauer von mindestens 15 Jahren niedrig sein und die Festigkeit der Umspritzung muss ausreichend sein, damit die notwendige Drehmomentübertragung auf ein Pumpenelement betriebssicher gewährleistet werden kann. Es ist vorgesehen den Überzug aus zwei Bereichen zusammenzusetzen, die an aneinanderliegenden Nahtstellen miteinander verschweißt sind. Diese Verschweißung wird durch partielles Aufschmelzen des Materials des ersten Bereichs beim Spritzen des zweiten Bereichs bewirkt.
Das Aufschmelzen der Wulst wird dadurch begünstigt, dass ein großer Wärmeübergangsbereich vorhanden ist, indem die Wulst von drei Seiten mit dem Material des zweiten Bereichs umgeben ist. Zudem kann die Wärme nur über einen kleinen Querschnitt wieder abfließen. Die Wulst bildet eine Verzahnung in radialer Richtung und kann dadurch hohe Spannungskräfte abfangen. Die Radien verhindern die Bildung von Spannungsrissen in einem weiten Temperaturbereich.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
PPS-Material eignet sich besonders als Überzug für einen Permanentmagnetrotor, weil es eine niedrige Wasseraufnahme aufweist, wirtschaftlich beschaffbar und verarbeitbar ist, zudem lassen sich innere Spannungen auf einfache Weise reduzieren. Die Verwendung von kunststoffgebundenem Seltenerdmaterial erlaubt es den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Magneten durch Wahl des Kunststoffmaterials und dessen Anteil zu beeinflussen. Verrundungsradien am Seltenerdmagneten verhindern die Bildung von Spannungsrissen unter extremen Bedingungen. Besonders vorteilhaft ist es den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Permanentmagnetmaterials an das Überzugsmaterial anzupassen, so dass dieser möglichst gleich groß ist.
Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargestellt.
Es ist vorteilhaft beide Nahtstellen gleich oder zumindest ähnlich auszubilden, weil hierdurch ein symmetrischer Aufbau gegeben ist, der im Temperaturgang geringere Spannungen verursacht als unregelmäßige Geometrien.
Das Material des zweiten Bereichs ist zweckmäßigerweise einstückig mit einer Nabe und einem Kupplungsmittel. Aufgrund der Einstückigkeit ist es nicht notwendig zusätzliche Bauteile zu montieren. Die Nabe ist über Speichen mit dem hohlzylindrischen Permanentmagneten verbunden. Das Kupplungsmittel weist ein Zweiflachprofil auf und kann mit einem Pumpenrad, z.B. einer Zahnradpumpe, einer Flügelzellenpumpe oder auch einem Kreiselpumpenlaufrad drehfest verbunden werden.
Um eine einwandfreie Funktion über eine große Lebensdauer zu gewährleisten ist es erforderlich, eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Material des Überzugs und dem hohlzylindrischen Permanentmagneten herzustellen. Es wird deshalb vorgeschlagen dass aus der inneren radialen Begrenzungsfläche des hohlzylindrischen Seltenerdmagneten mehrere abgerundete erhabene achsparallele Verdrehsicherungen geringfügig vorspringen. Sowohl die flach dimensionierten Vorsprünge als auch die Abrundung dienen der Vermeidung von Spannungsrissen bei Temperaturspannungen.
Als Material des Überzugs ist vorgesehen ein PPS-Material (Polyphenylensulfid) mit einem Glasfaseranteil von 40% zu verwenden. Die Glasfasern bewirken eine Verstärkung des Überzugsmaterials. Grundsätzlich haben Glasfasern und andere Füllstoffe die Eigenschaft, insbesondere bei dünnen Schichten, die Dichtheit tendenziell zu verschlechtern. Deshalb wird der Glasfaseranteil begrenzt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Überzugsmaterials beträgt:

2,6 x 10E-5 bis 4,2 x 10E-5.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Seltenerdmagnet aus einem kunststoffgebundenen NdFeB-Material mit 40% PPS-Anteil besteht. Es handelt sich hier also um dasselbe Grundmaterial das auch für den Überzug verwendet wird. Dadurch lassen sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten aneinander angleichen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Seltenerdmagnetmaterials beträgt: 1,0 x 10E-5 bis 3,0 x 10E-5.
Die Erfindung ist auch durch ein Verfahren gemäß der folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet: a) Einlegen eines Seltenerdmagnetrings (2) in eine Kavität eines Spritzgusswerkzeugs; b) äußeres Umspritzen des Magnetringes über einen ersten Anspritzkanal und Erzeugung eines ersten Bereichs (5); c) Drehen des Werkzeugs auf einen zweiten Anspritzkanal; d) Inneres Umspritzen des Seltenerdmagnetrings über den zweiten Anspritzkanal und Erzeugung eines zweiten Bereichs (6); e) Entnahme des fertig umspritzten Permanentmagnetrotors (1). Dabei ist zu beachten, dass der Spritzvorgang für beide Bereiche im selben Spritzgusswerkzeug erfolgt, wodurch eine besonders wirtschaftliche Arbeitsweise gegeben ist. Beim ersten Spritzvorgang wird die radial äußere Ummantelung und an beiden Stirnseiten eine erste Lage mit Wulstring hergestellt, wobei nicht die gesamte Stirnfläche bedeckt sein muss. Beim zweiten Spritzvorgang wird die radial innere Ummantelung und an den beiden Stirnseiten eine zweite Lage hergestellt, welche den Wulstring umgibt und sich innig mit diesem verbindet. Beim zweiten Spritzvorgang wird auch die Nabe, die Speichen und der Mitnehmer einstückig mitgeformt.
Es hat sich herausgestellt, dass durch langsames Abkühlen nach der Bauteilentnahme aus dem Spritzgusswerkzeug ein Nachkristallisationsprozess eingeleitet werden und gesteuert werden kann, der den Kristallisationsgrad steigert. PPS ist ein teilkristalliner Werkstoff, sein Kristallisationsgrad lässt sich durch die Zuführung von Wärme erhöhen. Hierfür ist eine Temperatur von mindestens 140°C notwendig. Durch die Wärmezufuhr werden somit zum einen die Festigkeitseigenschaften gesteigert und zum anderen das Einfrieren von Spannungen durch zu schnelles Abkühlen (Abschrecken) weitestgehend vermieden.
Für die Nachkristallisation werden die Permanentmagnetrotoren vorzugsweise für zumindest 45 Minuten bei mehr als 140°C getempert werden und anschließend über einen Zeitraum von mindestens 60 Minuten auf Raumtemperatur abgekühlt.
Um trotz dieser langen Zeiträume einen wirtschaftlichen Materialdurchlauf in der Fertigung zu erreichen wird die Nachkristallisation mit Hilfe eines gekapselten temperaturgeregelten Förderbandes, welches zwei Temperaturzonen enthält, durchgeführt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen hohlzylindrischen Seltenerdmagneten,
2 einen Teilumspritzten Seltenerdmagneten,
2a eine vergrößerte Ansicht von 2,
3 einen vollumspritzten Seltenerdmagneten,
4 eine Schnittansicht des Seltenerdmagneten,
4a eine erste Detailansicht (X) von 4,
4b eine zweite Detailansicht (Y) von 4 und
5 eine Schnittansicht einer Nahtstelle.

1 zeigt einen hohlzylindrischen Seltenerdmagneten 2 aus kunststoffgebundenem Magnetmaterial mit aus seiner inneren radialen Begrenzungsfläche 9 (Innenmantelfläche) radial vorspringenden flachen Verdrehsicherungen 10, die sich achsparallel über einen großen Teil der axialen Länge des Hohlzylinders, aber bis zu keinem der beiden Enden erstrecken. Bei dem Material des Seltenerdmagneten 2 handelt es sich um NdFeB mit 40% PPS-Anteil. Im gezeigen Beispiel sind neun Verdrehsicherungen 10 vorgesehen. Die Verdrehsicherungen sind in ihrer Grundfläche rechteckförmig mit verrundeten Ecken und in ihrer räumlichen Ausbildung quaderförmig mit verrundeten Übergangsbereichen zur inneren radialen Begrenzungsfläche 9. Der hohlzylindrische Seltenerdmagnet 2 ist in seinem radial äußeren Ringraumbereich geringfügig gegenüber dem inneren Ringraumbereich beidendig verlängert. Die Übergangsbereiche zwischen der Stirnfläche und der radial äußeren Begrenungsfläche und radial innerer Begrenzungsfläche sowie zwischen den beiden unterschiedlich langen Ringraumbereichen sind über Radien 4 verrundet.
2 und 2a zeigen eine teilumspritzten Seltenerdmagneten 2, mit den Verdrehsicherungen, einem Überzug 3, der einem ersten Bereich 5 umhüllt, der inneren radialen Begrenzungsfläche 9, einer ringförmigen Wulst 8, die an der Stirnfläche des kürzeren Ringraumbereichs als einstückiger Bestandteil des ersten Bereichs 5 angeordnet ist. Die Wulst 8 ist etwas deutlicher in der vergrößert dargestellten 2a (von 2) zu erkennen. Die Wulst 8 springt aus der Stirnfläche des Überzugs 3 vor. Die Wulst 8 weist keine Ecken auf sondern ist verrundet.
3 zeigt einen Permanentmagnetrotor in Form eines vollumfänglich umspritzen Seltenerdmagneten, mit dem ersten Bereich 5 des Überzugs 3, einem zweiten Bereich 6 des Überzugs 3, eine Nabe 13, die einen Mitnehmer 11 in Form eines Zweiflachs begrenzt und über Speichen 14 mit dem zweiten Bereich 6 des Überzugs einstückig ist. Die Speichen 14 begrenzen Durchbrüche 12, die zur Vermeidung von Materialanhäufungen in den Rotorkörper eingeformt sind. Die eigentliche Nahtstelle zwischen dem ersten Bereich 5 und dem zweiten Bereich 6 befindet sich verdeckt im Ü berzugsm aterial.
4 zeigt eine Schnittansicht des Permanentmagnetrotors 2, mit den Verdrehsicherungen 10, dem äußeren Ringraumbereich 15, dem inneren Ringraumbereich 16 und den Verrundungsradien 4, die unterschiedliche Beträge aufweisen. 4a und 4b zeigen einen Teil der Verrundungsradien etwas vergrößert dargestellt. Die Radien befinden sich an allen Übergängen zwischen Stirnseiten und radialem Begrenzungsflächen. Auch die Verdrehsicherungen sind verrundet. Die gewählten Verrundungsradien betragen R1 am Außen- und Innenrand und R0, 55 und R0,3 an den weiteren Ecken.
5 stellt eine Schnittansicht durch eine Nahtstelle 7 zwischen dem ersten Bereich 5 und dem zweiten Bereich 6 des Überzugs 3 dar. Die Nahtstelle besteht im Wesentlichen aus einer Wulst 8, die sich ringförmig um beide Stirnseiten des ersten Bereichs 5 und des Permanentmagnetrotors erstreckt. Die Wulst 8 ist an drei Seiten während des Spritzvorgangs vom Material des zweiten Bereichs 6 umströmbar/umspült und im dargestellten Endzustand vom Material des zweiten Bereichs 6 umgeben. Die Wulst 8 ist relativ zur Gesamtmasse des Überzugsmaterials klein dimensioniert, so dass die Wärmeaufnahme der Wulst keine nennenswerte Abkühlung des zu spritzenden Werkstoffs bewirkt. Die Massetemperatur der zweiten Umspritzung muss über der Schmelztemperatur der ersten Umspritzung liegen, dadurch wird das Material der ersten Spritzkomponente (erster Bereich 5) partiell angelöst/aufgeschmolzen und verbindet sich stoffschlüssig mit dem Material der zweiten Spritzkomponente (zweiter Bereich 6).
Bezugszeichenliste

1: Permanentmagnetrotor
2: Seltenerdmagnet
3: Überzug
4: Verrundungsradius
5: erster Bereich
6: zweiter Bereich
7: Nahtstelle
8: Wulst
9: Radiale Begrenzungsfläche
10: Verdrehsicherung
11: Mitnehmer
12: Durchbruch
13: Nabe
14: Speiche
15: äußerer Ringraumbereich
16: innerer Ringraumbereich
17: Radius

Claims

Permanentmagnetrotor (1) für eine Nassläuferpumpe, bestehend aus einem hohlzylinderförmigen Seltenerdmagneten (2) und einem Überzug (3) aus einem thermoplastischem Kunststoffmaterial, wobei der Überzug (3) den Seltenerdmagneten (2) vollständig dicht einschließt, wobei a) der Kunststoff des Überzugs (3) ein PPS-Material ist, b) der Seltenerdmagnet (2) kunststoffgebunden ist, c) der hohlzylindrische Seltenerdmagnet (2) an allen Kanten Verrundungsradien (4) aufweist mit einem Mindestradius von 0,2mm und d) die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Permanentmagneten (2) und des Überzugs (3) gleich groß sind oder nur geringfügig bis maximal 10% voneinander abweichen, e) dass der Überzug (3) aus zwei Bereichen (5, 6) besteht, die an Nahtstellen (7) miteinander verschweißt sind und f), dass das Profil der Nahtstelle (7) einen ringförmig ausgebildeten und aus einer Stirnfläche des Überzugs (3) vorspringenden Wulst (8) als Bestandteil des ersten Bereichs (5) aufweist, der von drei Seiten mit dem Material des zweiten Bereichs (6) umgeben ist und dass die Wulst (8) über Radien (17) in die übrige Kontur des ersten Bereichs (5) übergeht.
Permanentmagnetrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bereiche (5, 6) über zwei geometrisch gleich oder ähnlich ausgebildete umlaufende Nahtstellen (7) miteinander verbunden sind.
Permanentmagnetrotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des zweiten Bereichs (6) einstückig mit einer Nabe (13) und einem Kupplungsmittel, z.B. in Form eines Mitnehmers (11) ist.
Permanentmagnetrotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der inneren radialen Begrenzungsfläche (9) des hohlzylindrischen Seltenerdmagneten (2) mehrere abgerundete erhabene achsparallele Verdrehsicherungen (10) geringfügig vorspringen.
Permanentmagnetrotor nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Überzugs (3) PPS GF 40 ist.
Permanentmagnetrotor nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Seltenerdmagnet aus einem kunststoffgebundenen NdFeB-Material mit 40% PPS besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagnetrotors nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mediendichte Umspritzung gemäß der folgenden Verfahrensschritte: a) Einlegen eines Seltenerdmagnetrings (2) in eine Kavität eines Spritzgusswerkzeugs; b) äußeres Umspritzen des Magnetringes über einen ersten Anspritzkanal und Erzeugung eines ersten Bereichs (5); c) Drehen des Werkzeugs auf einen zweiten Anspritzkanal; d) Inneres Umspritzen des Seltenerdmagnetrings über den zweiten Anspritzkanal und Erzeugung eines zweiten Bereichs (6); e) Entnahme des fertig umspritzten Permanentmagnetrotors (1).
Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagnetrotors nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Umspritzen des Permanentmagnetrotors ein Nachkristallisationsprozess erfolgt, der ein langsames Abkühlen nach der Bauteilentnahme aus dem Spritzgusswerkzeug umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Nachkristallisation die Permanentmagnetrotoren für zumindest 45 Minuten bei mehr als 140°C getempert werden und anschließend eine Abkühlung auf Raumtemperatur über einen Zeitraum von mindestens 60 Minuten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachkristallisation mit Hilfe eines gekapselten temperaturgeregelten Förderbandes, welches zwei Temperaturzonen enthält, durchgeführt wird.