CN111954971A - 电动马达 - Google Patents

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CN111954971A CN201980015217.0A CN201980015217A CN111954971A CN 111954971 A CN111954971 A CN 111954971A CN 201980015217 A CN201980015217 A CN 201980015217A CN 111954971 A CN111954971 A CN 111954971A
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Abstract

本发明涉及无刷电动马达(6)，其具有定子(4)和与转动元件(28)处于驱动连接中的转子(2)，其中，转子(2)具有永磁的转子磁体(2a)，转子磁体以海尔贝克布置方式磁化，其中，转子磁体(2a)是具有嵌入的磁各向异性的磁体材料的注射成型件，磁各向异性的磁体材料至少部分由铁氧体形成，并且其中，转子(2)整合到转动元件(28)中，或与之拼接。

Description

电动马达
技术领域
本发明涉及一种无刷电动马达，其具有定子和与转动元件处于驱动连接中的转子，其中，转子具有永磁的转子磁体(环形磁体)，转子磁体以海尔贝克布置(Halbach-Anordnung)方式磁化。
背景技术
无刷电动马达通常包括转子(动子)，其相对固定的定子以能转动的方式受支承。例如，定子在此具有旋转磁场绕组，借助旋转磁场绕组，在加载以交流电的情况下产生旋转磁场。转子在此具有永磁体，永磁体的磁场与定子的旋转磁场相互作用，从而转子被转动驱动。
永磁体例如由磁性材料的粉末、如钕合金或铁氧体的粉末借助烧结方法制成。在此，永磁体在其制造时的常规的磁化部借助所提供的激励磁场实现。永磁体随后被引入转子中，其中，永磁体例如轮辐形地布置在转子中。总之，永磁体的这种制造以比较耗费的方式实现，并且因此是高成本的。此外，基于转子的多件式的结构和/或转子在多个步骤中的制造，转子的总公差是比较高的，这会不利地损坏马达的静力学和马达的声学性能。
备选于转子的永磁体(磁部段)的轮辐形的布置地，例如使用如下转子，即，该转子具有呈海尔贝克布置(海尔贝克阵列、海尔贝克磁化部)方式的磁化部。在这种布置中，在该布置的一侧上，磁场增强，而在对置的一侧上，磁场减小。在此，在永磁体的相应的定向中，在面对定子的一侧上得到正弦形的磁场强度走向，由此尤其地，齿槽转矩减小。在与这一侧对置的一侧上，磁场强度相反地基本上等于0，从而不需要磁回路。
为此，例如借助各个预先制造的、各向异性的、在相应的定向中的永磁体制造具有海尔贝克磁化部的转子。备选于具有多个各向异性的永磁体的实施方案地，海尔贝克磁化部可以借助各向同性的环形磁体实现，在各向同性的环形磁体上创建海尔贝克磁化部。
因此，例如从DE 10 2013 007 563 A1已知了具有转子磁体的转子，转子磁体由多个以注射成型法制造的环形磁体部段形成。在此，环形磁体在安装状态下具有海尔贝克磁化部，其在周边上具有多个磁极。在此，环形磁体部段由磁各向异性的磁体材料构成，该磁体材料在注射成型过程期间被加载以相应成形的磁场，以便实现设置的磁化部。
发明内容
本发明的任务是说明一种电动马达，其具有在电动马达的转子与定子之间的更好的磁通流动和更好的易流动性。附加地，该电动马达应该低成本地制造。
根据本发明，该任务通过权利要求1的特征解决。有利的改进方案和设计方案是从属权利要求的主题。
为此，无刷电动马达包括定子和转子，转子与转动元件处于驱动连接中。在此，转子具有永磁的转子磁体(环形磁体)，其以海尔贝克布置(海尔贝克阵列)方式磁化。转子磁体是具有嵌入的磁各向异性的磁体材料的注射成型件，其中，磁各向异性的磁体材料至少部分由铁氧体形成。随后，磁各向异性的磁体材料也简单地被称为磁体材料。此外，转子整合到转动元件中，或与之拼接。
转子磁体具有海尔贝克磁化部，其具有一定数量的磁极。磁化部尤其借助磁前行方向在制造磁体时实现。转子磁体例如在此具有6个至20个磁极，尤其8个至20个磁极或优选10个至20个磁极。
优选地，磁各向异性的磁体材料是塑料粘合的。塑料在此是粘合材料，磁各向异性的、尤其粉末状的磁体材料嵌入在粘合材料中。为此，将诸如尼龙、聚苯硫醚或聚酰胺的塑料例如用作粘合剂。
特别优选地，铁氧体是硬铁氧体。例如备选于铁氧体地，磁各向异性的由钕铁硼(NdFeB)构成的合金用作磁体材料。具有作为磁各向异性的磁体材料的铁氧体的磁体然而是比较节约成本的，并且比具有由钕铁硼(NdFeB)构成的合金的磁体更耐高温。
为了拼接转子与转动元件，优选在转子上设置了拼接轮廓或拼接元件、例如螺钉帽或热夹紧帽。其优选借助多组分注射成型法成形在转子磁体上。
因此，转子磁体和设置用于拼接的拼接轮廓或拼接元件一体式地实施。转子因此是能在唯一的生产步骤中并且尤其以设置的最终形状中制造的并且是这样来制造的，这有利地省去了另外的生产步骤和生产成本。与由多个单部件制成并且因此在单部件的安装状态下具有比较高的公差链的转子相比，在借助多组分注射成型法一体式地构造的转子中，这种公差链是比较小的，因此改进了电动马达的运行特性和声学。
附加地或备选地，例如借助注射成型法构造转子，使得转子具有通风孔，通风孔尤其在关于马达轴线的轴向方向上延伸。因此能够通过承载电动马达的马达载体实现空气流。空气流例如用于冷却布置在马达载体中或在其上的马达电子设备。此外，在借助注射成型法形成的转子中不需要转子叠装，因此同样特别有利地节约了成本，减小了转子重量，并且实现了借助旋转磁场作用到转子上的(马达)转矩的比较高的(转矩)密度。
例如附加地或备选地，构造为内动子的转子借助注射成型法环形地构造。换言之，构造为内动子的(无芯的)转子在中间留空。这种转子适宜地借助拼接轮廓或借助拼接元件拼接到转动元件上。在此，转动元件相应例如借助马达载体的支承杆以能转动的方式受支承。有利地，基于该留空部提供如下结构空间，该结构空间例如用于冷却或电子设备和/或能够实现用于冷却通道的备选的设计。
总之，基于注射成型法，转子和尤其转子磁体的几何形状比较简单地匹配于和能匹配于由结构空间和/或设置的功能产生的预设参量(例如通风孔)。
在适当的设计方案中，转子磁体在室温(20℃)中具有在0.2T至0.5T之间的顽磁和在150kA/m至1000kA/m之间的磁极化的矫顽力(HcJ)。
此外，转子在其面对定子的一侧上具有正弦形的磁通密度走向。在此实现在转子磁体的顽磁的1.2倍至1.5倍之间的最大的磁通密度(磁通密度幅度)。在与这一侧对置的一侧上，磁通密度基本上等于0。换言之，转子磁体具有以海尔贝克布置的方式的磁化部，从而在转子周边上的最大的磁通密度达到顽磁的1.2倍至1.5倍。优选地，磁通密度的正弦形的走向的(磁)通密度幅度是在0.32T与0.7T之间。
总之，以海尔贝克布置的方式磁化的转子在其面对定子的一侧上并且相应在转子与定子之间形成的气隙中具有关于径向方向、即垂直于马达轴线的正弦形的磁场强度走向。这产生沿转子的周向方向的正弦形的电动势(EMK)。尤其基于借助注射成型法和相应创建的磁化部来制造转子，在此实现正弦形的EMK，其没有或至少具有比较小的和/或弱构造的谐波。因此出现比较小的转矩波动和比较小的铁损耗，因此有利地改进了马达效率。因此改进了电动马达的运行特性。附加地，磁场强度走向的正弦形状减小转子的齿槽力矩。此外，以该方式减小作用到定子齿上的径向力，从而避免定子的变形和马达声学的随之发生的变差。
总之，改进了在电动马达的转子与定子之间的更好的磁通流动和其易流动性。
借助旋转磁场作用到转子上的马达转矩与转子的直径的平方成正比。换言之，马达转矩随着转子直径的增大而增大。根据有利的设计方案，转子构造为外转子。因此，以该方式，与构造为内动子的电动马达相比，在电动马达的相同的结构大小的情况下，马达转矩更大。
此外，在转子构造为外转子的情况下，如果转动元件在径向方向上在外侧包围转子和定子和/或布置在那里，那么将转子整合到转动元件中变得容易。
为了将转子整合到转动元件中，根据有利的改进方案，转子和转动元件是单件式(一体式)构造的注射成型件。尤其地，注射成型件为此以多组分注射成型法来制造。转子因此没有借助轴与转动元件处于驱动连接中，而是转动元件在其围绕马达轴线旋转时(直接)旋转式地驱动转子。
结合拼接轮廓或拼接元件和转子磁体单件式构造的设计方案提到的优点在此类似地适用。因此，转子和转动元件在此尤其一体式地实施，这节省了生产成本，并且改进了电动马达的运行特性。此外，具有整合的转子的转动元件例如借助多组分注射成型法以如下方式制造，即转子和/或转动元件具有通风孔。
根据适宜的设计方案，具有整合的转子的转动元件通过支承系统以能转动的方式支承在马达载体的支承杆上。在此，定子接驳(保持、紧固)在马达载体上。在适当的实施方案中，转动元件是风扇轮的毂。在此，毂具有支承系统。此外，转子成形在毂的内侧。这种毂适当地在外侧关于径向方向包围转子和定子。因此，可以比较简单地实现构造为外转子的转子在包围外转子的毂的内侧上的整合。
附图说明
随后，本发明的实施例借助附图详细阐述。其中：
图1以示意图示出了电动马达的转子的转子磁体与定子之间的磁场的磁场线走向，其中，转子构造为外动子并且具有以海尔贝克布置的方式的磁化部；
图2以截面图示意性示出了具有支承系统的风扇的毂，其中，构造为外动子的转子整合到毂中，并且其中，借助支承系统，毂和转子以能转动的方式支承在马达载体的支承杆上；
图3示意性示出了电动马达的备选的设计方案，其中，构造为内动子的转子与风扇的毂拼接；
图4a以截面图示意性示出了电动马达的备选的第二设计方案，其中，构造为外动子的转子的转子磁体与转子罐拼接；并且
图4b以俯视图示出了根据图4a的转子的转子磁体，其中，转子磁体为了与转子罐的拼接而具有一定数量的凸肩和栓形的销。
彼此相应的部分在所有附图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示意性示出了无刷电动马达6的转子2的转子磁体2a与定子4之间的磁场的磁场线走向，转子以能围绕沿轴向方向A延伸的马达轴线M转动的方式受支承。在此，为了磁场线走向的更好的可见性的目的，仅局部示出。因此，图1仅示出了转子2和定子4的一半，其中，转子2和定子4的未示出的一半是相对于平面E镜像对称的，马达轴线M延伸穿过该平面，并且该平面垂直于附图平面地定向。
定子4具有环形的定子轭8，定子齿10从该定子轭远离马达轴线M地朝转子2星形地、即在垂直于轴向方向A定向的径向方向R上延伸。因此，转子2布置在定子4的外侧。换言之，转子2构造为外转子(外动子)。
在定子齿10之间形成定子槽12，在定子槽中容纳了未进一步示出的、尤其构造为线圈的定子绕组。定子齿在此具有T形形状。因此，定子齿在其面对转子2的自由端部上、在两侧在形成极接片14的情况下在周向方向上(方位角地)扩展，周向方向垂直于轴向方向A和径向方向R地定向。
转子磁体2a以海尔贝克布置方式磁化。为此，转子磁体2a构造为注射成型件，在转子磁体中嵌入了磁各向异性的磁体材料，其中，该磁体材料至少部分由铁氧体形成。在此，转子磁体具有14个磁极。基于海尔贝克磁化部，磁场线基本上在转子2内被引导。因此，不需要用于转子2的铁回路。相反地，通过定子轭8实现定子4中的磁回路。
磁场线在转子2与定子4之间形成的(空气、马达)缝隙16中基本上沿径向方向R定向。磁场在此沿转子2的周边、即在周向方向U上在其面对定子4的一侧(内侧)18具有磁通密度的正弦形的走向，而在与这一次对置的一侧20、即外侧上，磁通密度基本上等于0。转子磁体尤其具有0.28T的顽磁和200KA/m的磁极化的矫顽力(HcJ)。尤其通过选择磁体材料、其在转子磁体2a中的密度、磁极的数量和极化取向而能够实现的是，最大的磁通密度是顽磁的1.2至1.5倍。
图2以示意性的截面图示出了电动马达6，其中，截面借助轴向方向A并且借助径向方向R撑开，并且其中，马达轴线位于该截面中。定子4在此紧固或接驳在马达载体22上。马达载体22在中间具有在轴向方向A上延伸的支承杆24。转动元件28借助支承系统26以围绕马达轴线M旋转的方式受支承。在此，转动元件28具有支承系统26，或至少部分借助支承系统形成。转动元件28构造为风扇轮的毂。
转子2在此整合到转动元件28中。针对该目的，转子2和转动元件28是单件式(单体)构造的注射成型件。为此，转动元件28和整合在其中的转子2借助多组分注射成型法制成。在此，毂在外侧包围转子2。换言之，为了将转子2整合到转动元件28中，转子2成形在转动元件28的内侧30，即面对定子4的并且垂直于径向方向R延伸的一侧上。以该方式，转子2与构造为风扇轮的毂的转动元件28处于驱动连接中。
图3示出了电动马达6的备选的设计方案，其中，转子2构造为内动子。与根据图2的实施方案类似地，定子4接驳在马达载体22上，其中，马达载体22在中间具有在轴向方向A上延伸的支承杆24。
与图2的实施方案相比(在其中，构造为毂的转动元件28借助支承系统26支承在支承杆24上)，转子2在此具有转子芯2c，转子芯包括支承系统26或至少部分由其形成。转子2借助支承系统26以能转动的方式(旋转式地)支承在马达载体22的支承杆24上。在此，环形构造的转子磁体2a关于径向方向R在外侧包围转子芯。风扇轮的毂在此与转子2借助其拼接元件2b拼接。例如，拼接元件2b实施为尤其在制造转子2期间借助多组分注射成型法成形的螺钉帽，或实施为卡止轮廓，或实施为销形的拼接轮廓，其在热挤压或热填缝期间与毂的相对应的轮廓拼接。
图4a示出了电动马达6的第二备选实施方案，其中，转子2构造为外动子。在此，转子2的转子磁体2a借助转子罐2d通过支承系统26以能转动的方式支承在支承杆24上。转子罐2d在此例如是注射成型件，或备选地是借助铣削制成的部件，其中尤其地，将铝考虑为用于转子罐2d的材料。转子罐此外具有在轴向方向上贯通的留空部22，其例如分别借助钻孔实现。以该方式，空气流(气流)用于冷却定子4或布置在马达载体22上的(马达)电子设备34。转子罐2d具有用于与未进一步示出的转动元件28拼接的拼接元件2b，其在此例如构造为螺钉帽。
如在图4b中示出的那样，转子磁体2a为了其与转子罐2d的拼接而具有拼接销36，拼接销位于相对应的容纳部38中。例如，拼接销在背对转子磁体2a的一侧上借助未进一步示出的固定环保持，或备选地借助激光焊接或热填缝进行拼接。总之，转子磁体2a借助转子罐2d与未进一步示出的转动元件28拼接。
为了尤其补偿拼接销36与相应的容纳部之间的间隙并且实现磁体在切向方向上(方位角、在周向方向U上)的固定保持，转子2a在形成贴靠凸肩40的情况下具有方形的留空部，转子罐的接片42关于径向方向R和周向方向U形状锁合地位于该留空部中。平面IV成为根据图4a的截面。
本发明并不局限于前述的实施例。相反地，在不偏离本发明的主题的情况下，本领域技术人员本也可以从中推导出发明的其他的变型方案。此外尤其地，在不偏离本发明的主题的情况下，所有结合实施例描述的单个特征也可以以其他的方式相互组合。
附图标记列表
2 转子
2a 转子磁体
2b 拼接元件
2c 转子芯
2d 转子罐
4 定子
6 电动马达
8 定子轭
10 定子齿
12 定子槽
14 极接片
16 缝隙
18 转子的内侧
20 转子的外侧
22 马达载体
24 支承杆
26 支承系统
28 转动元件
30 转动元件的内侧
32 留空部
34 电子设备
36 拼接销
38 容纳部
40 贴靠凸肩
42 接片
A 轴线方向
E 对称平面
M 马达轴线
R 径向方向
U 周向方向

Claims (7)

1.无刷电动马达(6)，所述无刷电动马达具有定子(4)和与转动元件(28)处于驱动连接中的转子(2)，
-其中，所述转子(2)具有永磁的转子磁体(2a)，所述转子磁体以海尔贝克布置方式磁化，
-其中，所述转子磁体(2a)是具有嵌入的磁各向异性的磁体材料的注射成型件，所述磁各向异性的磁体材料至少部分由铁氧体形成，并且
-其中，所述转子(2)整合到所述转动元件(28)中，或与所述转动元件拼接。
2.根据权利要求1所述的无刷电动马达(6)，
-其特征在于，
-所述转子磁体(2a)具有在0.2T至0.5T之间的顽磁和在150kA/m至1000kA/m之间的磁极化的矫顽力(HcJ)。
3.根据权利要求1或2所述的无刷电动马达(6)，
其特征在于，
所述转子(2)在其面对定子(4)的一侧(18)上沿其周边具有正弦形的磁通密度走向，其中，实现在顽磁的1.2倍至1.5倍之间的最大的磁通密度，并且其中，在与这一侧(18)对置的一侧(20)上，所述转子(2)的磁通密度基本上等于0。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的无刷电动马达(6)，
其特征在于，
所述转子(2)构造为外转子。
5.根据权利要求4所述的无刷电动马达(6)，
其特征在于，
所述转子(2)和所述转动元件(28)是单件式构造的注射成型件。
6.根据权利要求5所述的无刷电动马达(6)，
其特征在于，
具有整合的转子(2)的转动元件(28)通过支承系统(26)以能转动运动的方式支承在马达载体(22)的支承杆(24)上，所述定子(4)接驳在所述马达载体上。
7.根据权利要求6所述的无刷电动马达(6)，
其特征在于，
所述转动元件(28)是风扇轮的毂，其中，所述毂具有所述支承系统(26)，并且其中，所述转子(2)成形在毂的内侧(30)。
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