DE10135019A1

DE10135019A1 - Permanentmagnetisch erregter Elektromotor

Info

Publication number: DE10135019A1
Application number: DE10135019A
Authority: DE
Inventors: Volker Bosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2003-01-30
Also published as: KR20040019333A; CN1462499A; WO2003009449A1; CN1286244C; KR100913683B1; EP1421664A1; US20030151324A1; JP2004521600A; US6803690B2

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit permanentmagnetischer Erregung, der einen Rotor besitzt, auf dessen der Innenseite eines Stators zugewandten Oberfläche mehrere Permanentmagnete angeordnet sind.
Ein derartiger permanentmagnetisch erregter Elektromotor ist beispielsweise aus der US 6,204,587 oder der DE 38 44 074 C2 bekannt. Die Rotoren der in diesen Veröffentlichungen beschriebenen Elektromotoren tragen auf ihrer Oberfläche Permanentmagnete, wobei jeweils benachbarte Permanentmagnete entgegengesetzt gepolt sind. Wie insbesondere aus der DE 38 44 074 C2 hervorgeht, müssen gerade bei hochtourigen Motoren Maßnahmen ergriffen werden, um die auf die Permanentmagnete wirkenden Fliehkräfte aufzunehmen. Dazu wird auf den Rotor ein massiver Hohlzylinder aufgeschoben, und zwar derart, dass er mit seiner Innenwand unmittelbar auf den Permanentmagneten aufliegt. Dadurch werden die Permanentmagnete in ihrer Lage auf dem Rotor fixiert und damit eine auch bei sehr hohen Drehzahlen zuverlässige Befestigung der Permanentmagnete erreicht. Derartige relativ aufwendige Maßnahmen zur Fixierung der Permanentmagnete sind erst recht dann erforderlich, wenn die Permanentmagnete eine große Wandstärke aufweisen, damit sie nicht radial sondern lateral magnetisiert werden können, um auf einen magnetischen Rückschluß durch den Rotor verzichten zu können. Permanentmagnete, die von großer Wandstärke sind, werden üblicherweise aus einem Magnetmaterial gepreßt.
Gepreßtes Magnetmaterial weist aber nur eine geringe mechanische Zugfestigkeit auf, so dass eine z. B. aus der DE 38 44 074 C2 hervorgehende Bandagierung der Permanentmagnete erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem das die Permanentmagnete bildende Magnetmaterial in einer relativ dünnen Schicht direkt auf die Oberfläche des Rotors aufgebracht werden kann.

Vorteil der Erfindung

Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Rotor, auf dessen Oberfläche das Material für die Permanentmagnete aufgebracht wird, auf seiner Oberfläche und/oder in seinem Inneren mit Aussparungen versehen ist, die so platziert und so bemessen sind, dass sie radial zur Oberfläche des Rotors ausgerichtete und über den Rotor einen Rückschluß bildende Linien des magnetischen Flußes nicht unterbrechen.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten vom Eisen des Rotors und von dem Magnetmaterial differieren nämlich sehr stark, und die große Wärmekapazität des Rotors führt zu einer schnellen Auskühlung des auf den Rotor z. B. durch Spritzen aufgebrachten Magnetmaterials. Aufgrund dessen besteht die Gefahr, dass das aufgebrachte Magnetmaterial reißt. Dieser unerwünschte Effekt läßt sich durch die erfindungsgemäße Maßnahme zur Reduzierung der Wärmekapazität des Rotors durch Einbringen von Aussparungen in den Rotor vermeiden. Da grade der Erregerfluß, der von den Permanentmagneten des Rotors aus in radialer Richtung zum Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator verläuft, das verfügbare Drehmoment des Motors erhöht, sind die Aussparungen so platziert, dass sie gerade die Linien des magnetischen Flußes in radialer Richtung zur Oberfläche des Rotors nicht unterbrechen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Da die tangential bzw. nahezu tangential zur Oberfläche des Rotors ausgerichteten und über den Rotor einen Rückschluß bildenden Linien des magnetischen Flußes das verfügbare Drehmoment des Rotors verringern, werden die Aussparungen vorteilhafter Weise so platziert und so bemessen, dass sie diese tangential bzw. nahezu tangential zur Oberfläche des Rotors ausgerichteten Linien des magnetischen Flußes unterbrechen.
Die Permanentmagnete bestehen vorteilhafter Weise aus einer auf die Oberfläche des Rotors aufgespritzten Schicht aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial.
Es ist zweckmäßig, in der Oberfläche des Rotors in Bereichen zwischen jeweils zwei entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten Aussparungen einzulassen, die sich in Richtung der Längsachse des Rotors erstrecken. Die Schleuderfestigkeit des Rotors kann dadurch erhöht werden, dass diese Aussparungen einen schwalbenschwanzförmigen Querschnitt aufweisen. Denn die Schwalbenschwanzform der Aussparungen ermöglicht eine Verkeilung der Permanentmagnete, so dass sie nicht nur gegen eine Rototionsbewegung sondern auch gegen eine radiale Bewegung gesichert sind.
Es kann zusätzlich zu den in der Oberfläche des Rotors eingelassenen Aussparungen oder auch ausschließlich im Innern des Rotors jeweils unterhalb eines jeden Übergangs zwischen zwei benachbarten entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten mindestens eine Aussparung vorgesehen werden, welche die Form eines sich quer zur Längsachse des Rotors ausdehnenden Schlitzes hat, der sich in Richtung der Längsachse des Rotors erstreckt. Aussparungen im Innern des Rotors führen einerseits zu einer sehr starken Reduzierung der Wärmekapazität des Rotors und sie bilden ideale Sperren für tangential zur Oberfläche des Rotors ausgerichtete Komponenten des magnetischen Flußes.
Die im Innern des Rotors befindlichen Aussparungen können dazu ausgenutzt werden, um ein Material darin einzubringen, das eine Unwucht des Rotors ausgleicht.
Der Rotor ist vorteilhafter Weise aus geschichteten Eisenblechen aufgebaut.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch einen Elektromotor, dessen Stator 1 nur ausschnittweise mit zwei Polen 2, 3 und den dazugehörigen Wicklungen 4, 5 dargestellt ist. Innerhalb des Stators 1 ist ein auf einer Motorwelle 6 angeordneter Rotor 7 drehbar gelagert. Der Rotor 7 besteht vorzugsweise aus einem Stapel von aufeinander geschichteten Eisenblechen. Ebenso kann der Stator 1 aus aufeinander geschichteten Eisenblechen bestehen. Der Rotor 7 und der Stator 1 werden vorzugsweise in einem Arbeitsvorgang aus einem Blechstapel herausgestanzt.
Der ausschnittweise dargestellte Elektromotor ist ein permanentmagnetisch erregter Drehstromsynchronmotor bzw. ein bürstenloser Gleichstrommotor. Deshalb ist der Rotor 7 an seiner Oberfläche mit Permanentmagneten 8, 9, 10 und 11 beschichtet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zur Realisierung von 4 Magnetpolen 4 Permanentmagnete 8, 9, 10 und 11 auf der Oberfläche des Rotors 7 aufgebracht, wobei jeweils einander benachbarte Permanentmagnete, wie durch Pfeile angedeutet, in entgegengesetzte Richtung radial zur Oberfläche des Rotors 7 magnetisiert sind. Die 4 Permanentmagnete 8, 9, 10, 11 werden durch eine direkt auf die mit der Innenseite des Stators 1 einen Luftspalt bildende Oberfläche des Rotors 7 aufgespritzte Schicht aus einem vorzugsweise kunststoffgebundenen Magnetmaterial (z. B. NdFeB) gebildet. Der aus Eisen bestehende Rotor 7 bildet das Rückschlußjoch für Ben magnetischen Fluß der Permanentmagnete 8, 9, 10, 11.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Magnetmaterials und des Eisenmaterials des Rotors 7 sind sehr unterschiedlich. Außerdem ist die Wärmekapazität des Rotors 7 wenn dieser aus einem Vollmaterial besteht, sehr hoch. Für das auf den Rotor 7 aufgespritzte Magnetmaterial besteht daher wegen eines zu schnellen Auskühlens aufgrund der hohen Wärmekapazität des darunter befindlichen Rotors 7 die Gefahr, dass die aufgespritzte Magnetschicht reißt. Um das zu verhindern, wird die Wärmekapazität des Rotorjochs sehr stark dadurch reduziert, das an der Oberfläche des Rotor 7 Aussparungen 12, 13, 14, 15 und/oder im Innern des Rotors 7 Aussparungen 16, 17, 18, 19 eingelassen werden. Diese Aussparungen 12 bis 19 bewirken eine starke Reduzierung der Wärmekapazität des Rotormaterlals, wodurch verhindert wird, dass das auf den Rotor 7 aufgespritzte Magnetmaterial zu schnell auskühlt und dadurch reißt.
Die in der Oberfläche des Rotors 7 ausgelassenen Aussparungen 12, 13, 14 und 15, die sich in Richtung der Längsachse, senkrecht zur Zeichenebene, des Rotors 7 erstrecken, sind unterhalb der Übergänge zwischen benachbarten entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten 8, 9, 10, 11 platziert. Wie aus "Berichte aus dem Institut für elektrische Maschinen und Antriebe", Band 7, Volker Bosch: Elektronisch kommutiertes Einzelspindelantriebssystem, Shaker Verlag, Aachen 2001, hervorgeht, ist diese Platzierung der Aussparungen deshalb gewählt, damit durch sie tangential bzw. nahezu tangential zur Oberfläche des Rotors ausgerichtete und über den Rotor einen Rückschluß bildende Linien des magnetischen Flußes unterbrochen werden. Dadurch wird erreicht, dass tangential im Luftspalt zwischen dem Rotor 7 und dem Stator 1 ausgerichtete Flußlinien, welche das Drehmoment des Motors schwächen, gesperrt werden. Dagegen sollen die radial zur Oberfläche des Rotors 7 ausgerichteten magnetischen Flußlinien nicht gesperrt werden, weil sie das verfügbare Drehmoment des Motors erhöhen. Nach diesen Gesichtspunkten sind auch die im Innern des Rotor 7 eingelassenen, ebenfalls in Längsachsrichtung des Rotors 7 sich erstreckenden Aussparungen 16, 17, 18, 19 unterhalb der Übergänge zwischen benachbarten entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten 8, 9, 10, 11 platziert und bemessen.
Eine optimale Sperre für tangential bzw. nahezu tangential zur Rotoroberfläche verlaufende magnetische Flußlinien bilden Aussparungen 16, 17, 18, 19, die einen quer zur Rotor-Längsachse verlaufenden schlitzförmigen Querschnitt haben. Statt, wie in der Figur dargestellt, unter jedem Übergang zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten nur eine Aussparung 16, 17, 18, 19 vorzusehen, können auch mehrere zum Beispiel in radialer Richtung gestaffelte schlitzförmige Aussparungen in den Rotor 7 eingelassen sein. Die Schleuderfestigkeit des Rotor 7 läßt sich dadurch vergrößern, das die in die Oberfläche des Rotor 7 eingelassenen Aussparungen 12, 13, 14 und 15 einen schwalbenschwanzförmigen Querschnitt aufweisen. Denn die Schwalbenschwanzform der Aussparungen 12, 13, 14 und 15 ermöglicht eine Verkeilung der Permanentmagnete 8, 9, 10 und 11, so dass sie nicht nur gegen eine Rototionsbewegung sondern auch gegen eine radiale Bewegung gesichert sind. In die insbesondere im Inneren des Rotors 7 eingelassenen Aussparungen 15, 17, 18, 19 kann nichtmagnetisches Material ("Wuchtkitt") eingebracht werden, um eine Unwucht des Rotors 7 auszugleichen.

Claims

1. Elektromotor mit permanentmagnetischer Erregung, der einen Rotor (7) besitzt, auf dessen der Innenseite eines Stators (1) zugewandten Oberfläche mehrere Permanentmagnete (8, 9, 10, 11) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) an seiner Oberfläche und/oder in seinem Inneren mit Aussparungen (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) versehen ist, die so platziert und so bemessen sind, dass sie radial zur Oberfläche des Rotors (7) ausgerichtete und über den Rotor (7) einen Rückschluß bildende Linie des magnetischen Flußes nicht unterbrechen.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) so platziert und so bemessen sind, dass sie tangential bzw. nahezu tangential zur Oberfläche des Rotors (7) ausgerichtete und über den Rotor (7) einen Rückschluß bildende Linie des magnetischen Flußes unterbrechen.

3. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (8, 9, 10, 11) aus einer auf die Oberfläche des Rotors (7) aufgespritzten Schicht aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial bestehen.

4. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberfläche des Rotors (7) im Bereich zwischen jeweils zwei entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten (8, 9, 10, 11) Aussparungen (12, 13, 14, 15) eingelassen sind, die sich in Richtung der Längsachse des Rotors (7) erstrecken.

5. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (12, 13, 14, 15) einen schwalbenschwanzförmigen Querschnitt aufweisen.

6. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das im Inneren des Rotors (7) jeweils unterhalb eines jeden Übergangs zwischen zwei benachbarten entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten (8, 9, 10, 11) mindestens eine Aussparung (16, 17, 18, 19) vorhanden ist, welche die Form eines sich quer zur Längsachse des Rotors (7) ausdehnenden Schlitzes hat, der sich in Richtung der Längsachse des Rotors (7) erstreckt.

7. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in ein oder mehrere der sich im Inneren des Rotors (7) befindenden Aussparungen (16, 17, 18, 19) ein Material eingebracht ist, das eine Unwucht des Rotors (7) ausgleicht.