DE4442869C2 - Läufer für eine elektrische Maschine und Verfahren zur Herstellung eines solchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Läufer für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 23 (DE 38 06 760 A1).

Bei herkömmlichen, als Elektromotor oder als Generator einsetzbaren elektrischen Maschinen mit Daauermagnet-Außenläufer, wie sie z. B. aus DE 38 06 760 A1 bekannt sind, hat der Läufer eine aus Metall bestehende Nebenkonstruktion, die an ihrem Umfang ein rohrförmig-zylindrisches Mantel­ element bildet. In dem Mantelelement sind in Umfangsrichtung verteilt stabförmige Dauermagnete mit gleichfalls stabförmigen Flußleitelementen abwechselnd angeordnet. Die im Betrieb auf die Dauermagnete und die Flußleitelemente einwirkenden Fliehkräfte werden von einer das Mantelelement umschließenden Bandage aus faserverstärktem Kunststoff aufgenommen. Die das Kunststoffmaterial verstärkenden Glasfasern, Karbonfasern oder dergleichen verlaufen im wesentlichen in Ummfangsrichtung. Insbesondere bei Außen­ läufermaschinen mit hoher Drehzahl, hoher Leistung und hohem Anzugsmoment führen herkömmliche Konstruktionsarten zu relativ hohem Gewicht und hohem Rotations-Trägheitsmoment.

Aus der US-Patentschrift 4,678,954 ist ein Innenläufer mit einer vollzylindrischen Welle bekannt, auf deren äußerer Umfangsfläche Dauermagnete aufgeklebt sind. Eine um diese Anordnung herum gelegte Bandage dient dazu, die Magnete auf der Welle zu sichern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Läufer, insbesondere Außenläufer, für eine elektrische Maschine zu schaffen, der sich vergleichsweise einfach herstellen läßt und hohe Festigkeit hat.

Diese Aufgabe wird durch den Läufer und durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 23 gelöst.

Die Unteransprüche befassen sich mit vorteilhaften Weiter­ bildungen der Erfindung.

Bei einem eingangs genannten Läufer besteht die erfindungsgemäße Verbesserung darin, daß das Mantelelement in einem gleich­ falls aus Kunststoffmaterial hergestellten, zweiten Quer­ schnittsbereich mit faser- oder/und fadenförmigem Armie­ rungsmaterial verstärkt ist, das in mehreren Erstreckungs­ richtungen sich kreuzend unter einem Winkel zwischen 5° und 45° schräg zur Umfangsrichtung verläuft und der erste Querschnittsbereich einen Randbereich des Mantelelements bildet.

Ein Mantelelement der vorstehenden Art erreicht nicht nur sehr hohe Berst-Drehzahlen, sondern ist in axialer Richtung sehr biegesteif. Dies ist insbesondere von Vorteil bei Außenläufern, da hier das Mantelelement in aller Regel axial seitlich des Flanschelements fliegend gehalten ist.

Die Aufweitung des freien Rands des Mantelelements durch Zentrifugalkräfte kann zu hohen Biegebelastungen des Man­ telelements führen. Die Armierung des zweiten Querschnitts­ bereichs sorgt für eine Verbesserung der Biegefestigkeit.

Vorzugsweise sind beide Randbereiche im wesentlichen nur in Umfangsrichtung armiert, so daß sich ein im Querschnitt symmetrischer Aufbau ergibt.

Als günstig hat es sich herausgestellt, wenn die Erstrec­ kungsrichtungen in dem zweiten Querschnittsbereich bezogen auf die Umfangsrichtung im wesentlichen spiegelsymmetrisch verlaufen, um gleichförmige Spannungseigenschaften in dem Mantelelement bei Zentrifugalbelastung zu erzielen.

Die Erstreckungsrichtungen des Armierungsmaterials in dem zweiten Querschnittsbereich verlaufen bevorzugt in einem Winkel zwischen 5° und 25° schräg zur Umfangsrichtung. Als besonders günstig hat sich ein Winkel zwischen 10° und 20° herausgestellt. Die in Umfangsrichtung erreichbare Span­ nungsbelastbarkeit des Mantelelements wird auf diese Weise um eine Größenordnung größer als in Axialrichtung. Die in Axialrichtung erreichbaren Werte reichen aber aus, um eine deutliche Verbesserung der Biegebelastbarkeit des Mantel­ elements zu erreichen.

Das Armierungsmaterial kann, insbesondere wenn es im we­ sentlichen in Umfangsrichtung verläuft, aus Endlosmaterial gewickelt werden. In entsprechender Weise kann auch die Armierung in dem zweiten Querschnittsbereich nach Art einer Kreuzwicklung lagenweise hergestellt werden. Die Herstel­ lung läßt sich vereinfachen, wenn alternativ zumindest der zweite Querschnittsbereich mit mehreren Lagen einer vor­ gefertigten Armierungsmatte armiert wird, in der das faser­ oder/und fadenförmige Armierungsmaterial in mehreren vor­ bestimmten Erstreckungsrichtungen von Lage zur Lage ab­ wechselnd oder innerhalb der einzelnen Lagen sich kreuzend angeordnet ist. Die Armierungsmatten können im wesentlichen unidirektional gerichtete Fasern oder Fäden haben, wenn sie bezogen auf die Umfangsrichtung des Mantelelements mit schräg verlaufender Faserrichtung eingebaut werden. Aufein­ anderfolgende Lagen werden dann abwechselnd mit unter­ schiedlicher, zweckmäßigerweise zur Umfangsrichtung spie­ gelsymmetrischer Faserrichtung eingebaut. Die Herstellung vereinfacht sich noch weiter, wenn Armierungsmatten mit Gitterstruktur verwendet werden. Aus solchen Matten lassen sich auf relativ einfache Weise Wickel bilden.

Der vorstehend erläuterte Aspekt der Erfindung betrifft das die Dauermagnete tragende Mantelelement. Ein weiterer Aspekt der Erfindung, der unabhängig von den vorstehend erläuterten Verbesserungen eingesetzt werden kann, also auch selbständige erfinderische Bedeutung hat, betrifft das von dem Mantelelement radial nach innen abstehende, es also tragende Flanschelement. Das Flanschelement ist vorzugs­ weise integral mit dem Mantelelement verbunden, so daß es in einem Arbeitsgang, beispielsweise durch Spritzgießen, zusammen mit dem Mantelelement hergestellt wird. Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist das Kunststoffmaterial, aus dem das Flanschelement hergestellt ist, in einem ersten Axiallängsschnittbereich mit einem Stapel aus mehreren, im wesentlichen flächig übereinanderliegenden Armierungsmatten armiert, von denen jede faser- oder/und fadenförmiges Material umfaßt, das innerhalb der Armierungsmatte etwa gleichförmig verteilt ist und in einer vorbestimmten Er­ streckungsrichtung oder in mehreren sich unter einem im wesentlichen gleichen Winkel gegenseitig kreuzenden, vor­ bestimmten Erstreckungsrichtungen ausgerichtet verläuft und daß zumindest ein Teil der Armierungsmatten bezogen auf die Erstreckungsrichtungen des Armierungsmaterials um die Drehachse winkelversetzt angeordnet ist. Ein solches, im wesentlichen scheibenförmiges Flanschelement läßt sich sehr einfach mit vorgefertigten, beispielsweise gleichfalls scheibenförmigen Armierungsmatten armieren. Die Armierungs­ matten sind bevorzugt in einem periodischen, zu 360° sich ergänzenden Versatzmuster zueinander um die Drehachse herum winkelversetzt angeordnet, so daß sich in Umfangsrichtung im wesentlichen gleichförmige Festigkeitseigenschaften ergeben. Auch hier können Matten mit im wesentlichen unidi­ rektional angeordneten Fasern verwendet werden. Speziell geeignet sind aber wiederum gitterförmige Armierungsmatten, deren Fasererstreckungsrichtungen einen Winkel ungleich 90° zwischen sich einschließen. Die Armierungsmatten haben damit eine Vorzugsrichtung, in der sie hochbelastbar sind, während die Belastbarkeit quer dazu um beispielsweise eine Größenordnung geringer ist. Die in dieser Richtung verrin­ gerte Belastbarkeit reicht aber aus, um in einem durch einen solchen Mattenstapel armierten Flanschelement für eine in Umfangsrichtung sehr gleichmäßige Verteilung der radialen Spannungsbelastbarkeit zu sorgen.

Auch für das Flanschelement hat sich eine "Sandwich-Bauwei­ se" als zweckmäßig erwiesen. Der erste Axiallängsschnitt­ bereich, in welchem die Armierungsmatten winkelversetzt gestapelt sind, bildet zweckmäßigerweise zumindest einen Randbereich des Flanschelements, vorzugsweise jedoch beide Randbereiche, d. h. beide Seitenflächenbereiche. In dem dazwischenliegenden zweiten Axiallängsschnittbereich kann Kunststoffmaterial mit abweichender Armierungsstruktur vorgesehen sein. Im Einzelfall kann in diesem Bereich auch auf eine Armierung vollständig verzichtet werden. Zweckmä­ ßig sind aber auch hier Armierungsmatten mit nach Art eines Kreuzgitters verlaufenden Armierungsfasern bzw. Strichfä­ den. In dem zweiten Axiallängsschnittbereich genügt es jedoch, wenn die Matten ein rechtwinkliges Kreuzgitter bilden oder als Wirrfasermatten ausgebildet sind.

Das in das Kunststoffmaterial des Mantelelements oder/und des Flanschelements eingebettete Armierungsmaterial wird bei der Herstellung des Läufers zweckmäßigerweise zu einem Armierungskörper vorgeformt, der dann in die die Außenform des Läufers bestimmende Spritzgießform nur noch eingelegt werden muß. Der Armierungskörper des Mantelelements kann hierbei vom Armierungskörper des Flanschelements gesondert sein, ist aber vorzugsweise einstückig mit diesem verbun­ den. Die einzelnen Armierungsmatten oder dergleichen sind hierbei durch geeignete Fixierungsmaßnahmen mechanisch miteinander verbunden, um den Armierungskörper in die Spritzgießform problemlos einlegen zu können. Als Kunst­ stoffmaterial eignet sich insbesondere ein Material, das im Zweikomponenten-Spritzgußverfahren formbar ist, Reaction- Injections-Moulding- (RIM-Verfahren).

Ein weiterer Aspekt der Erfindung, der allgemein die Her­ stellung des Läufers vereinfacht, insbesondere dessen Anpassung an unterschiedliche Anwendungsgebiete sieht vor, daß in das Flanschelement ein aus Metall bestehendes, insbesondere ringförmiges Nabenteil eingegossen ist. Das Nabenteil hat eine freiliegende, axiale oder/und radiale Anschlußfläche und bildet lediglich einen "Adapter", an den, dem Anwendungsfall entsprechend, ein Lageransatz oder eine Welle oder dergleichen angeflanscht wird. Das Naben­ teil bildet mit seinen freiliegenden Anschlußflächen ledig­ lich einen Sitz, an dem das Anschlußteil zentriert und fixiert wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung hat das Nabenteil in Umfangsrichtung verteilt, mehrere im Kunststoffmaterial des Flanschelements eingebettete Verankerungsorgane und radial innerhalb des Anordnungskreises der Verankerungsorgane in der freiliegenden Anschlußfläche mehrere Befestigungsorga­ ne, insbesondere mehrere axial durchgehende Befestigungs­ löcher. Das Nabenteil erstreckt sich damit insgesamt nur über einen Teil der radialen Höhe des Flanschelements.

Es versteht sich, daß als Armierungsmaterial sämtliche herkömmlichen faser- oder fadenförmigen Armierungsmateria­ lien eingesetzt werden können. Geeignet sind insbesondere Glasfasern oder Kohlefasern.

Die Dicke der die Randbereiche des Mantelelements bildenden ersten Querschnittsbereiche bzw. der die Randbereiche des Flanschelements bildenden ersten Axiallängsschnittbereiche beträgt vorzugsweise 1/5 bis 1/3 der Gesamtdicke des in Kunststoff ausgeführten Bereichs des Mantelelements bzw. des Flanschelements.

Schließlich betrifft die Erfindung ein Herstellungsver­ fahren, das speziell für die vorstehend erläuterte Kon­ struktion des Läufers einer elektrischen Maschine geeignet ist, aber auch bei anders armierten, aus Kunststoff herzu­ stellenden Läufern eingesetzt werden kann. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß

• a) auf einem mit Zentrierflächen versehenen Positionier­ körper einer mehrteiligen Spritzgußform die Dauerma­ gnete einschließlich der gegebenenfalls vorhandenen Magnetfluß-Leitmittel zur Anlage mit den Zentrierflä­ chen gebracht werden,
• b) das Armierungsmaterial aufgebracht wird und
• c) die Spritzgußform geschlossen und das Kunststoffmate­ rial eingespritzt wird.

Bei einem solchen Verfahren werden die Dauermagnete ein­ schließlich der Magnetfluß-Leitmittel von dem Kunststoff­ material des Mantelelements durch Umspritzen fixiert. Befestigungsprobleme, wie sie beispielsweise bei durch Verkleben der Dauermagnete und Magnetfluß-Leitmittel mit vorgefertigten Kunststoffläufern auftreten können, werden so vermieden. Insbesondere geeignet ist das bereits vor­ stehend erwähnte RIM-Verfahren.

Der die Zentrierflächen bildende Positionierkörper kann integraler Bestandteil eines der Formkörper der Spritzguß­ form sein. Herstellungstechnisch günstiger ist es jedoch, wenn die Dauermagnete und die gegebenenfalls vorhandenen Magnetfluß-Leitmittel in Schritt a) auf einem vollständig aus der Spritzgußform entnehmbaren, rohrförmigen Positio­ nierkörper vormontiert werden und zusammen mit dem Positio­ nierkörper in einen ersten von mehreren Formkörpern der Spritzgußform eingesetzt werden. Die Dauermagnete und Magnetfluß-Leitmittel können auf diese Weise außerhalb der Spritzgußmaschine vormontiert und als Montageeinheit in die Spritzgußform eingesetzt werden.

Der Positionierkörper besteht zweckmäßigerweise zumindest teilweise aus magnetisch leitendem Material, beispielsweise Weicheisen, so daß die Dauermagnete und, bei geeigneter Gestaltung der Flußleitkeile auch diese durch die Magnet­ kräfte der Dauermagnete an dem Positionierkörper fixiert werden. Vorteilhaft ist ferner, daß die unmittelbare Zen­ trierfläche des Positionierkörpers aus einem magnetisch nichtleitenden Material, vorzugsweise V4A-Stahl, ausgeführt ist, um einerseits die Magnethaftkräfte zu reduzieren und andererseits beim Ausformen die Magnete infolge hoher Magnethaftkräfte nicht zu beschädigen. Soweit die Dauerma­ gnete als unmagnetisierte Rohlinge eingebaut werden, die erst nach der Kunststoffummantelung magnetisiert werden, können die Magnetkörper und Magnetfluß-Leitmittel auch anderweitig fixiert werden, beispielsweise durch zusätzlich eingebaute Ringbandagen oder dergleichen.

Von besonderem Vorteil ist eine Ausgestaltung, bei der aus dem faser- oder/und fadenförmigem Armierungsmaterial eine wenigstens einen ringförmigen Armierungskörper umfassende Armierungskörperanordnung vorgeformt wird, die in Schritt b) relativ zu dem Positionierkörper positioniert wird. Der mit den Dauermagneten versehene Positionierkörper kann zusammen mit der Armierungskörperanordnung in die Spritz­ gußform eingesetzt werden; zweckmäßigerweise wird jedoch die Armierungskörperanordnung erst eingesetzt, nachdem der Positionierkörper in die Spritzgußform eingesetzt wurde. Die Armierungskörperanordnung kann aus einem einzigen ringförmigen Armierungskörper bestehen, der sowohl das in das Mantelelement als auch das in das Flanschelement ein­ zubauende Armierungsmaterial umfaßt; die Armierungsmateria­ lien für das Mantelelement und das Flanschelement können aber auch zu gesonderten, ringförmigen Armierungskörpern vorgeformt sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen Axiallängsschnitt durch einen Außenläufer für eine elektrische Maschine während seiner Herstellung;

Fig. 2 eine Detailansicht eines Mantelelements des Au­ ßenläufers gemäß Pfeil II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Detailansicht eines Flanschelements des Außenläufers gemäß Pfeil III in Fig. 1;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine zur Herstellung des Flanschelements benutzte Armierungsmatte;

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein in das Flanschelement eingegossenes Nabenteil und

Fig. 6 einen Axiallängsschnitt durch das Nabenteil, gesehen entlang einer Linie VI-VI in Fig. 5.

Fig. 1 zeigt einen Außenläufer 1 für eine elektrische Maschine, beispielsweise einen Elektromotor oder einen elektrischen Generator in einer Phase seines Herstellungs­ prozesses vor der Entformung aus einer zu seiner Herstel­ lung benutzten Spritzgußform 3. Der Außenläufer 1 ist vom Dauermagnettyp wie er beispielsweise in DE 38 06 760 A1 dem Prinzip nach beschrieben ist und umfaßt ein zu einer Dreh­ achse 5 des Außenläufers 1 konzentrisches, rohrzylindri­ sches Mantelelement 7, das im Bereich eines seiner beiden axialen Enden integral in ein nach radial innen zur Dreh­ achse 5 sich erstreckendes, im wesentlichen scheibenförmi­ ges Flanschelement 9 übergeht.

In der nicht näher dargestellten elektrischen Maschine ist dem Außenläufer 1 ein Ständer zugeordnet, relativ zu dem der Außenläufer 1 um die Drehachse 5 drehbar ist. Der Ständer greift in den von dem Mantelelement 7 umschlossenen Hohlraum und hat an seinem Außenumfang eine Vielzahl in Umfangsrichtung aufeinanderfolgender, mit Wicklungen ver­ sehener Pole. Den Polen liegen mit engem radialen Abstand in Umfangsrichtung des Mantelelements 7 mit abwechselnder Polarität aufeinanderfolgende Dauermagnete 11 des Außen­ läufers 1 gegenüber. Die Dauermagnete 11 haben Stabform und erstrecken sich im wesentlichen parallel zur Drehachse 5. In Umfangsrichtung sind sie durch Flußleitkeile 13 aus magnetisch leitendem Material voneinander getrennt, die jeweils für die in Umfangsrichtung benachbarten Dauermagne­ te eine gemeinsame Polfläche 15 am Innenmantel des Mantel­ elements 7 definieren, wie dies gleichfalls beispielsweise in DE 38 06 760 A1 erläutert ist.

Zur Befestigung des Außenläufers 1 an einem nicht näher dargestellten Lageransatz oder Flansch oder einer Welle der elektrischen Maschine ist das Flanschelement 9 in seinem radial inneren Bereich mit einem hier ringscheibenförmigen Nabenteil 17 fest verbunden, das sich lediglich über einen Teil der radialen Höhe des Flanschelements 9 erstreckt und entsprechend den Dauermagneten 11 und den Flußleitkeilen 13 in das Kunststoffmaterial des Außenläufers 1 eingespritzt ist.

Sowohl das Mantelelement 7 als auch das Flanschelement 9 sind durch faser- oder/und fadenförmiges Armierungsmateri­ al, beispielsweise in Form von Glasfasern oder insbesondere Kohlefasern, armiert. Die Fig. 2 bis 4 zeigen, Einzel­ heiten dieser Armierung. Die Armierungen sind "sandwich­ artig" aufgebaut und haben in den Randzonen der Kunststoff­ bereiche jeweils eine vom Mittelbereich abweichende Armie­ rungsstruktur. Auf diese Weise lassen sich höhere Festig­ keit und damit höhere Berst-Drehzahlen erreichen.

Fig. 2 zeigt die Armierungsstruktur des Mantelelements 7. In einem äußeren Randbereich 19 sowie in einem die Magnete 11 und die Flußleitkeile 13 umschließenden, ersten inneren Randbereich 21, wie auch in einem an die Polflächen 15 der Magnete 11 bzw. Flußleitkeile 13 axial anschließenden,­ zweiten inneren Randbereich 23 verlaufen die Armierungs­ fasern zueinander parallel ausschließlich im wesentlichen in Umfangsrichtung. Zwischen dem äußeren Randbereich 19 und den inneren Randbereichen 21, 23 erstreckt sich ein mitt­ lerer Bereich 25, der die Dauermagnete 11 und Flußleit­ keile 13 an ihren axialen Stirnenden 27, 29 (Fig. 2) umfaßt und axial sowie radial formschlüssig fixiert. In dem Mittelbereich 25 verlaufen die Armierungsfasern gekreuzt unter einem Winkel von 10° bis 20° zur Umfangsrichtung. Die Armierungsstruktur des Mantelelements 7 kann durch gesteu­ ertes Wickeln der Armierungsfasern hergestellt werden, wobei in den Randbereichen 19 bis 23 im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufend gewickelt wird, während in den Mittelbereich 25 mit einer von Lage zur Lage wechselnd mit positivem und negativem Steigungswinkel zur Umfangsrichtung eine Kreuzwicklung aufgebracht wird. Zumindest der Mittel­ bereich kann jedoch auch in Form einer Armierungsgitter­ matte aufgebracht werden, in der die Gitterfäden unter einem von 90° abweichenden Winkel zueinander verlaufen. Auch hier wird die Armierungsgittermatte so eingebaut, daß die Armierungsfasern zur Umfangsrichtung einen Winkel zwischen 10° und 20° haben. Die Armierungsmatten können als Einzellagen mit in Umfangsrichtung gegeneinander versetzten Stößen eingebaut werden; zweckmäßigerweise wird jedoch die Armierungsmatte als Band bereitgestellt, das in den ge­ wünschten Anzahl Lagen gewickelt wird. Weiter ist denkbar, daß im Mittelbereich 25 die Armierungsfasern völlig "wirr" (Wirrfasern) ausgeführt sind.

Während die Randbereiche 19 bis 23 in erster Linie höchste Umfangszugspannungen aufnehmen können, kann der Mittel­ bereich 25 auch axial gerichtete Spannungen aufnehmen und erhöht damit die Biegefestigkeit des fliegend an dem Flanschelement 9 gehaltenen Mantelelements 7.

Die radialen Dicken der Randbereiche 19 und 21 betragen etwa 1/5 bis 1/3 der Gesamtdicke des Mantelelements 7 im Bereich direkt radial über den Dauermagneten 11 bzw. den Flußkeilen 13. Die radialen Dicken der Randbereiche 19 und 23 im Bereich des Übergangs zum Flanschelement 9 sind in gleicher Weise etwa 1/5 bis 1/3 der Gesamtdicke bemessen.

Das Flanschelement 9 ist, wie der Ausschnitt in Fig. 3 zeigt, mit einem Stapel kreisscheibenförmiger Armierungs­ gittermatten armiert. In den Randbereichen 31 des Flansch­ elements 7 sind Armierungsmatten 33 gemäß Fig. 4 vorgese­ hen, in welchen innerhalb der Armierungsmatte die Gruppen zueinander paralleler Armierungsfasern sich unter einem Winkel kleiner 90° kreuzen. Der in Fig. 4 bei 35 angedeutete spitze Kreuzungswinkel liegt zwischen 20° und 40°. Die Armierungsmatten 33 der Randbereiche 31 haben damit eine in Richtung der Winkelhalbierenden des spitzen Kreuzungswinkels 35 verlaufende Vorzugsrichtung 37 hoher Zugfestigkeit, während die in Richtung der Winkelhalbieren­ den des stumpfen Kreuzungswinkels verlaufende Richtung 39 eine geringere Zugfestigkeit hat. In dem angegebenen Win­ kelbereich ist die Spannungsfestigkeit in der Richtung 37 wiederum eine Größenordnung, beispielsweise das Zehnfache größer als in Richtung 39.

Um eine in Umfangsrichtung gleichmäßige Verteilung der Zugspannungsbelastbarkeit des Flanschelements 9 zu errei­ chen, werden in den Randbereichen 31 die Armierungsgitter­ matten 33 zueinander periodisch winkelversetzt eingebaut, derart, daß sich ein zu 360° ergänzendes Versatzmuster ergibt. Die Randbereiche 31 umfassen damit z. B. zumindest drei um 120° gegeneinander versetzte Armierungsgitter­ matten 33. Mit wachsender Anzahl der in die Randbereiche 31 eingebauten Armierungsgittermatten 33 nimmt der Versatz­ winkel ab.

Auch das Flanschelement 9 hat einen zwischen den Randberei­ chen 31 sandwichartig eingeschlossenen Mittelbereich 41. Der Mittelbereich 41 kann, falls erwünscht, gleichartig zu den Randbereichen 31 aufgebaut sein; er kann aber auch vollständig ohne Armierung oder mit vergleichsweise kurzen Stapelfasern oder dergleichen armiert sein. Als günstig hat es sich herausgestellt, wenn der Mittelbereich 41 gleich­ falls mit gestapelten Armierungsgittermatten armiert wird, wobei sich jedoch in diesem Bereich die Armierungsfasern rechtwinklig kreuzen. Auch hier können die Armierungsgit­ termatten, bezogen auf ihre Faserrichtung, zueinander winkelversetzt eingebaut werden oder allgemein als Wirr­ faser eingebracht sein.

Die axiale Dicke der Randbereiche 31 beträgt ähnlich dem Mittelbereich 7 1/5 bis 1/3 der axialen Gesamtdicke des Flanschbereichs 9.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Einzelheiten des Nabenteils 17. Es ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ringscheiben­ förmig ausgebildet und hat einen ringförmigen, verdickten Basiskörper 43, dessen Dicke etwa der Dicke des Flansch­ elements 9 entspricht. Von dem Basiskörper 43 steht nach radial außen ein axial gesehen dünnerer Verankerungsflansch 45 ab, der in Umfangsrichtung mit einer Vielzahl gegenein­ ander versetzter Verankerungsöffnungen 47 versehen ist. Während der Verankerungsflansch 45 vom Kunststoffmaterial des Flanschelements 9 durchdrungen und zumindest teilweise ummantelt ist, liegt der Basiskörper 43 außerhalb des Kunststoffbereichs. Der Basiskörper 43 bildet damit frei­ liegende axiale Flächen 49 bzw. freiliegende, ringförmige radiale Sitzflächen 51, die für die Zentrierung und Fixie­ rung nicht näher dargestellter Befestigungsorgane, Lager­ ansätze, Flanschteile oder dergleichen, je nach dem ge­ wünschten Anwendungsfall, herangezogen werden können. Befestigungsöffnungen für die Befestigung dieser Anschluß­ komponenten sind radial innerhalb des Verankerungsflansches 45 bei 53 vorgesehen.

Ferner ist auch denkbar, daß eine fertig bearbeitete Welle oder ein Lagereinsatz oder dergleichen direkt als Komplett- Einlegeteil eingebracht werden kann.

Fig. 1 zeigt ferner Einzelheiten der zur Herstellung des Außenläufers 1 benutzten Spritzgußform 3. Diese umfaßt zwei zueinander komplementäre, einen die Außenkontur des Außen­ läufers 1 festlegenden Hohlraum begrenzende Formkörper 55, 57, von denen einer, hier der Formkörper 55, Führungsflä­ chen 59 für die zentrische und axiale Positionierung eines rohrförmigen Positionierkörpers 61 hat. Der Positionierkör­ per 61 besteht aus Weicheisen, allgemein aus magnetisch leitendem Material und trägt auf seiner Außenfläche eine Schicht 63 aus magnetisch nicht leitendem Material, bei­ spielsweise nicht rostendem Stahl.

Für die Herstellung des Außenläufers 1 werden die Magnete 11 und Flußkeile 13 in einer nicht näher dargestellten, von der Spritzgußform 3 gesonderten Montagelehre auf dem aus der Spritzgußform 3 genommenen Positionierkörper 61 mon­ tiert und positioniert. Die radialen Haltekräfte werden hierbei von den Magnetkräften der Dauermagnete 11 aufge­ bracht. Die zwischen den Dauermagneten 11 und dem magne­ tisch leitenden Positionierkörper 61 vorgesehene magnetisch nicht leitende Schicht 63 begrenzt die Haltekräfte der vergleichsweise starken Dauermagnete auf einen Wert, der die Entformung des fertigen Außenläufers 1 aus der Spritz­ gußform 3 erleichtert.

Nach dem Einsetzen des mit den Dauermagneten 11 und den Flußleitkörpern 13 bestückten Positionierkörpers 61 in den Formkörper 55 werden die vorstehend erläuterten Armierungs­ strukturen aufgebracht und der Nabenteil 17 eingesetzt.

Es versteht sich, daß die Armierungsstrukturen gegebenen­ falls auch vor dem Einsetzen des bestückten Positionierkör­ pers 61 in den Formkörper 55 zumindest teilweise aufge­ bracht werden können, was insbesondere bei in Situ zu wickelnden Armierungsstrukturen von Vorteil sein kann. Vorzugsweise werden aber die Armierungsstrukturen zu wenig­ stens einem ringförmig geschlossenen Armierungskörper vorgefertigt, der so weit verfestigt wird, daß sich der Armierungskörper in einem Arbeitsgang axial aufschieben oder auflegen läßt.

Nach dem Aufbringen der Armierung und dem Einlegen des Nabenteils 17 wird der zweite Formkörper 57 aufgesetzt und die Spritzgußform geschlossen. Über nicht näher dargestell­ te Einspritzkanäle wird nach dem "Reaction-Injections- Moulding"-Verfahren (RIM-Verfahren) ein Zweikomponenten- Kunststoffmaterial eingespritzt, das die Matrix der Armie­ rungsfasern durchdringt und den Formhohlraum ausfüllt. Die Dauermagnete 11 und die Flußleitkeile 13 werden einschließ­ lich ihrer Hinterschneidungen bis auf ihre freiliegenden Polflächen 15 eingegossen. Für das RIM-Verfahren geeignete Kunststoffmaterialien sind bekannt. Geeignet sind bei­ spielsweise Nylonmaterialien auf der Basis von Caprolactam. Nach dem Aushärten des Kunststoffmaterials werden die Formkörper 55, 57 getrennt und der Außenläufer 1 entnommen.

Claims (28)

1. Läufer, insbesondere Außenläufer, für eine elek­ trische Maschine, in der der Läufer relativ zu einem Ständer der Maschine um eine Drehachse drehbar gela­ gert ist, umfassend

• - ein im wesentlichen rohrförmig-zylindrisches Man­ telelement (7), das zumindest in einem ersten Querschnittsbereich (19, 21, 23) aus Kunststoff­ material hergestellt ist, welches mit im wesentli­ chen in Umfangsrichtung verlaufendem faser- oder/ und fadenförmigem Armierungsmaterial verstärkt ist,
• - wenigstens ein fest mit dem Mantelelement (7) verbundenes, nach radial innen zur Drehachse (5) hin von dem Mantelelement (7) abstehendes Flansch­ element (9) und
• - eine Vielzahl in Umfangsrichtung nebeneinander in dem Mantelelement (7) angeordneter Dauermagnete (11), deren gegebenenfalls durch zugeordnete Ma­ gnetfluß-Leitmittel (13) gebildete Polflächen (15) gemeinsam eine Mantelfläche des Mantelelements (7), insbesondere dessen innere Mantelfläche defi­ nieren,

dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelelement (7) in einem gleichfalls aus Kunststoffmaterial hergestellten, zweiten Quer­ schnittsbereich (25) mit faser- oder/und fadenförmi­ gem Armierungsmaterial verstärkt ist, das in mehre­ ren Erstreckungsrichtungen sich kreuzend unter einem Winkel zwischen 5° und 45° schräg zur Umfangsrich­ tung verläuft, und
der erste Querschnittsbereich (19, 21, 23) einen Randbereich des Mantelelements bildet.

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Querschnittsbereich (25) zumindest über einen Teil seiner axialen Erstreckung radial zwi­ schen zwei ersten Querschnittsbereichen (19, 21, 23) angeordnet ist.

3. Läufer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Erstreckungsrichtungen in dem zweiten Querschnittsbereich (25), bezogen auf die Umfangs­ richtung, im wesentlichen spiegelsymmetrisch ver­ laufen.

4. Läufer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckungsrichtungen in dem zweiten Querschnittsbereich (25) zwischen 5° und 25° zur Umfangsrichtung schräg verlaufen.

5. Läufer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckungsrichtungen in dem zweiten Quer­ schnittsbereich (25) zwischen 10° und 20° zur Um­ fangsrichtung schräg verlaufen.

6. Läufer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der zweite Quer­ schnittsbereich (25) mit mehreren Lagen einer vor­ gefertigten Armierungsmatte armiert ist, in der das faser- oder/und fadenförmige Armierungsmaterial in mehreren vorbestimmten Erstreckungsrichtungen von Lage zu Lage abwechselnd oder innerhalb der einzel­ nen Lagen sich kreuzend angeordnet ist.

7. Läufer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierungsmatte einen Wickel bildet.

8. Läufer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, oder dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flanschelement (9) aus Kunststoffmaterial hergestellt ist, das in einem ersten Axiallängs­ schnittbereich (31) mit einem Stapel aus mehreren, im wesentlichen flächig übereinanderliegenden Armie­ rungsmatten (33) armiert ist, von denen jede faser­ oder/und fadenförmiges Armierungsmaterial umfaßt, das innerhalb der Armierungsmatte (33) etwa gleich­ förmig verteilt ist und in einer vorbestimmten Er­ streckungsrichtung oder in mehreren sich unter im wesentlichen gleichen Winkel gegenseitig kreuzenden, vorbestimmten Erstreckungsrichtungen ausgerichtet verläuft, und daß zumindest ein Teil der Armierungs­ matten (33), bezogen auf die Erstreckungsrichtungen des Armierungsmaterials, um die Drehachse (5) win­ kelversetzt angeordnet ist.

9. Läufer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in den Armierungsmatten (33) des ersten Axiallängsschnittbereichs (31) kreuzenden Erstrec­ kungsrichtungen einen Winkel ungleich 90° zwischen sich einschließen.

10. Läufer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Armierungsmatten (33) oder Gruppen solcher Armierungsmatten in einem periodischen, zu 360° sich ergänzenden Versatzmuster zueinander um die Drehachse (5) herum winkelversetzt angeordnet sind.

11. Läufer nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Axiallängsschnittbe­ reich (31) einen Randbereich eines gleichfalls aus Kunststoffmaterial, jedoch mit vom ersten Axial­ längsschnittbereich abweichender Armierungsstruktur hergestellten zweiten Axiallängsschnittbereichs (41) des Flanschelements (9) bildet.

12. Läufer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Axiallängsschnittbereich (41) zumindest über einen Teil seiner radialen Erstreckung zwischen zwei ersten Axiallängsschnittbereichen (31) angeord­ net ist.

13. Läufer nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auch der zweite Axiallängsschnittbe­ reich (41) des Flanschelements (9) mit einem Stapel aus mehreren im wesentlichen flächig übereinander­ liegenden Armierungsmatten armiert ist, von denen jede faser- oder/und fadenförmiges Armierungsmate­ rial umfaßt, das innerhalb der Armierungsmatte gleichförmig verteilt ist und in einer oder mehreren sich kreuz enden vorbestimmten Erstreckungsrichtungen ausgerichtet verläuft.

14. Läufer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Erstreckungsrichtungen des Armierungsmate­ rials in den Armierungsmatten des zweiten Axial­ längsschnittbereichs (41) im wesentlichen rechtwink­ lig kreuzen.

15. Läufer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in das Flanschelement (9) ein aus Metall bestehendes Nabenteil (17) eingegossen ist.

16. Läufer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Nabenteil (17) ringförmig ist.

17. Läufer nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Nabenteil (17) eine freiliegende axiale oder/und radiale Anschlußfläche (49, 51) hat.

18. Läufer nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Nabenteil (17) in Umfangs­ richtung verteilt wenigstens ein in Kunststoffmate­ rial des Flanschelements (9) eingebettetes Veranke­ rungsorgan (45, 47) und radial innerhalb des Anord­ nungskreises des wenigstens einen Verankerungsorgans (45, 47) in einer freiliegenden Anschlußfläche (49, 51) mehrere Befestigungsorgane (53) aufweist.

19. Läufer nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsorgane (53) durch mehrere axial durchgehende Befestigungslöcher gebildet sind.

20. Läufer nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das in das Kunststoffmaterial des Mantelelements (7) oder/und des Flanschelements (9) eingebettete Armierungsmaterial als vorgeformter Armierungskörper ausgebildet ist.

21. Läufer nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Armierungskörper des Mantelelements (7) eintei­ lig in den Armierungskörper des Flanschelements (9) übergeht.

22. Läufer nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial ein im Zweikomponenten-Spritzgußverfahren formbares Kunst­ stoffmaterial ist.

23. Verfahren zur Herstellung eines Läufers, insbeson­ dere eines Außenläufers einer elektrischen Maschine, in der der Läufer relativ zu einem Ständer der Ma­ schine um eine Drehachse drehbar gelagert ist, wobei der Läufer ein im wesentlichen rohrförmig-zylindri­ sches Mantelelement (7), ein fest mit dem Mantel­ element (7) verbundenes, nach radial innen zur Dreh­ achse hin von dem Mantelelement (7) abstehendes Flanschelement (9) und eine Vielzahl in Umfangsrich­ tung nebeneinander in dem Mantelelement (7) angeord­ neter Dauermagnete (11), deren gegebenenfalls durch zugeordnete Magnetfluß-Leitmittel (13) gebildete Polflächen (15) eine Mantelfläche des Mantelelements (7) definieren, umfaßt, wobei zumindest ein Teil des Läufers aus Kunststoffmaterial hergestellt wird, das mit faser- oder/und fadenförmigem Armierungsmaterial verstärkt ist, insbesondere zur Herstellung eines Läufers nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) auf einem mit Zentrierflächen versehenen Posi­ tionierkörper (61) einer mehrteiligen Spritz­ gußform (3) die Dauermagnete (11) einschließ­ lich der gegebenenfalls vorhandenen Magnetfluß- Leitmittel (13) zur Anlage mit den Zentrier­ flächen gebracht werden,
• b) das Armierungsmaterial aufgebracht wird und
• c) die Spritzgußform (3) geschlossen und das Kunststoffmaterial eingespritzt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete (11) und die gegebenenfalls vorhandenen Magnetfluß-Leitmittel (13) in Schritt a) auf einen vollständig aus der Spritzgußform (3) entnehmbaren, rohrförmigen Positionierkörper (61) vormontiert werden und zusammen mit dem Positionier­ körper (61) in einen ersten (55) von mehreren Form­ körpern (55, 57) der Spritzgußform (3) eingesetzt werden.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionierkörper (61) zumindest teilweise aus magnetisch leitendem Material besteht und die Dauermagnete (11) magnetisch fixiert.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, da­ durch gekennzeichnet, daß aus dem faser- oder/und fadenförmigen Armierungsmaterial eine wenigstens einen ringförmigen Armierungskörper umfassende Ar­ mierungskörperanordnung vorgeformt wird, die in Schritt b) relativ zu dem Positionierkörper (61) positioniert wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierungskörperanordnung relativ zu dem Positionierkörper (61) eingesetzt wird, nachdem der Positionierkörper (61) in den ersten Formkörper (55) eingesetzt wurde.