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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Waschmaschine bzw. einen
Antrieb für
eine Waschmaschine. Waschmaschinen und deren Antriebe sind aus dem
Stand der Technik seit langem bekannt. Dabei war es früher üblich, Waschmaschinen
bzw. deren Wäschetrommeln
mit Hilfe eines Riemenantriebs anzutreiben. Diese Riemenantriebe
erlauben zwar eine hohe Flexibilität in der Herstellung, führen jedoch
beispielsweise durch Schlupf auch zu Energieverlusten. Daneben erzeugen
Riemenantriebe ein vergleichsweise hohes Laufgeräusch der Waschmaschine.
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Daher
ist man im Stand der Technik teilweise dazu übergegangen, die Wäschetrommel
nicht mehr mittels eines Riemenantriebs, sondern mittels eines Direktantriebs
anzutreiben. Dabei ist es beispielsweise möglich, den Rotor des antreibenden
Elektromotors direkt auf der Welle der Trommel anzuordnen bzw. anzuflanschen.
Bei dieser Vorgehensweise werden insbesondere Geräusche am
Antrieb reduziert. Daneben kann auch Bauraum in der Waschmaschine eingespart
werden, der beispielsweise zugunsten einer größeren Trommel genutzt werden
kann. Die gesamten Antriebe der Motore stellen dabei relativ schwere
und auch teuere Bauteile dar. Daneben ist auch die Bauhöhe der im
Stand der Technik bekannten direkt antreibenden Motoren oft in denjenigen Fällen problematisch,
in denen größere Wäschetrommeln
eingesetzt werden sollen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine direkt
angetriebene Waschmaschine zur Verfügung zu stellen, und gleichzeitig die
Bauhöhe
des antreibenden Motors unter Beibehaltung von elektrischen Leistungsgrößen zu verringern.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch
eine Waschmaschine nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Waschmaschine weist
einen Elektromotor auf, der eine Wäschetrommel der Waschmaschine
direkt antreibt. Erfindungsgemäß weist
der Elektromotor wenigstens einen Permanentmagneten auf und dieser
Permanentmagnet wiederum weist ein Material auf, welches ein chemisches
Element aus der Gruppe der seltenen Erden enthält. Die Elemente der seltenen
Erden werden auch als Lanthaniden bezeichnet. Bevorzugt ist eine Vielzahl
von Permanentmagneten vorgesehen, die Materialien mit Elementen
der seltenen Erden enthalten.
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Unter
einem Direktantrieb der Wäschetrommel
wird dabei verstanden, dass die Wäschetrommel nicht über einen
Riemenantrieb angetrieben wird, sondern der Elektromotor direkt
an der Welle der Wäschetrommel
angeordnet ist.
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Vorzugsweise
ist das chemische Element aus einer Gruppe von Elementen ausgewählt, welches
Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Neodym, Samarium, Kombinationen
hieraus und dergleichen enthält.
Diese genannten Materialien haben sich als besonders geeignet für die Herstellung
von Permanentmagneten erwiesen. Insbesondere handelt es sich bei
dem chemischen Element um Neodym.
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Vorzugsweise
ist das Material, welches der Permanentmagnet aufweist, Neodym-Eisen-Bor
(NdFeB) bzw. eine Legierung aus diesen Elementen. Permanentmagnete
aus diesem Material haben sich im Verhältnis zur jeweiligen Größe als besonders leistungsfähig erwiesen.
Ein weiteres mögliches
Material für
einen Permanentmagneten wäre
beispielsweise eine aus den Elementen Samarium und Kobalt bestehende
Legierung. Der Vorteil der hier besonders bevorzugt anzuwendenden
Legierung NdFeB liegt darin, dass deren Koerzitivfeldstärke wesentlich höher ist
als diejenige von herkömmlichen
Magneten wie beispielsweise Magneten aus AlNiCo und Permanentmagnete
aus NdFeB erheblich günstiger
sind als Permanentmagnete beispielsweise aus SmCo.
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Bei
der Herstellung wird besonders bevorzugt zur Verbesserung der Eigenschaften
eine NdFeB Legierung zu Pulver gemahlen, gepresst, gesintert und
mit einer Oberflächenbeschichtung
versehen. Diese Oberflächenvergütung ist
vorteilhaft, da eine NdFeB Legierung chemisch relativ leicht reagiert
und beispielsweise ohne Schutz korrodiert. Vorzugsweise sind die
Permanentmagnete an dem Rotor des Elektromotors angeordnet. Dabei
sind unterschiedliche Ausführungsformen
denkbar, beispielsweise eine Ausführung, bei der der Rotor im
inneren des Stators angeordnet ist sowie Ausführungsformen, bei denen der
Stator des Elektromotors radial innerhalb der Permanentmagnete angeordnet
ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Elektromotor ein Synchronmotor. Vorzugsweise wird der Elektromotor
mit Drehstrom bzw. allgemein mit einem dreiphasigen Strom betrieben.
Es wäre
jedoch auch möglich,
den Elektromotor als Asynchronmotor auszuführen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Elektromotor an einer Welle der Wäschetrommel befestigt. Damit
sind bei dieser Ausführungsform
sowohl der Motor als auch die Wäschetrommel
auf einer Welle angeordnet. Beim Betrieb ist es möglich, dass
sich die Motordrehzahl langsam einem gewissen vorgegebenen Sollwert
anpasst.
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Vorzugsweise
wird ein elektrisch kommutierter Direktantrieb verwendet, d. h.
Gleichstrom wird mechanisch oder elektrisch in Wechsel- oder Drehstrom
umgewandelt.
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Der
Stator des Motors ist besonders bevorzugt an dem Träger der
Waschmaschine beispielsweise an einem kreuzförmigen Träger der Waschmaschine angeordnet.
Der Stator weist eine Höhe
zwischen 4mm und 14mm, bevorzugt zwischen 5mm und 10mm und besonders
bevorzugt von ca. 6mm auf.
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Durch
die Verwendung von Motoren mit Permanentmagneten aus NdFeB hebt
sich insgesamt das erfindungsgemäße Motorkonzept
technologisch und preislich günstig
von bestehenden Motoren in Waschmaschinen ab. Daneben wurde erreicht,
dass durch geeignete Dimensionierung der Wicklungen des Motors ungewünschte Stoß- bzw.
Rütteleffekte, die
auch als Cogging bezeichnet werden, erheblich (um bis zu eine Zehnerpotenz)
verringert wurden. Daneben konnte durch die Wahl von NdFeB-Magneten
die Bauform des Motors deutlich reduziert werden.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen:
Darin zeigen:
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1 einen
Stator eines erfindungsgemäßen Elektromotors;
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2 eine
Seitenansicht des Stators aus 1 mit einem
Rotor;
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3 eine
Detailansicht eines Stators mit einem Rotor; und
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4 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Leistungsmerkmale des erfindungsgemäßen Motors.
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1 zeigt
den Stator 3 eines erfindungsgemäßen Elektromotors. Dieser Stator 3 ist,
wie aus dem Stand der Technik bekannt, aus einer Vielzahl von im
Wesentlichen gleichartigen Blechen zusammengesetzt, die aufeinander
gelegt sind. Der Stator 3 weist eine Vielzahl von Vorsprüngen 14 auf,
um die jeweils (nicht gezeigte) Spulen gewickelt sind. Zwischen
diesen Vorsprüngen
bzw. Spulen sind jeweils Zwischenräume 9 vorgesehen.
Die Windungszahl der einzelnen Spulen beträgt hier 200.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform sind insgesamt 48
solche Spulen vorgesehen. Das Bezugszeichen 15 bezieht
sich auf Bohrungen, mit denen die Blechpakete in ihrer Position
arretiert werden.
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2 zeigt
eine Seitenansicht des in 1 gezeigten
Stators 3 zusammen mit einem Rotor 7. Dabei beziehen
sich die Bezugszeichen 12 und 13 auf jeweils einen
Verguss, in dem die Spulen angeordnet sind. Das Bezugszeichen 16 bezieht
sich auf einen Kabelanschluss zur elektrischen Versorgung der Spulen
und das Bezugszeichen 2 auf den Elektromotor selbst.
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Das
Bezugszeichen 4 kennzeichnet einen an dem Rotor 7 angeordneten
Permanentmagnet aus NdFeB. Das Blechpaket wird mit Hilfe eines Adapterrings 17 zusammengehalten.
Zwischen dem Permanentmagneten 4 und dem Stator 3 wird
jeweils ein Luftspalt 5 (3) ausgebildet.
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3 zeigt
eine detaillierte Darstellung eines Stators 3 mit einem
Rotor 7. Man erkennt, dass an dem Rotor 7 eine
Vielzahl von Permanentmagneten 4 angeordnet ist, wobei
die Polaritäten
dieser Permanentmagneten 4 in der Umfangsrichtung des Rotors
jeweils abwechselnd zueinander angeordnet sind. Bei der hier gezeigten
Ausführungsform
sind 44 Permanentmagnete und damit 22 Polpaare vorgesehen. Damit
ist die Anzahl der Permanentmagnete geringer als die Anzahl der
Spulen. Weiterhin wird aus 3 deutlich,
dass sich die Permanentmagnete 4 in Umfangsrichtung des
Motors weiter erstrecken als die Endabschnitte 14a der
Vorsprünge.
Sämtliche Permanentmagnete 4 bestehen
aus NdFeB oder weisen dieses Material auf.
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Es
wäre jedoch
auch möglich,
eine höhere oder
geringe Anzahl von Permanentmagneten 4 vorzusehen.
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Die
Höhe des
Stators 3 beträgt
bei der in den 1–3 gezeigten
Ausführungsform
ca. 6 mm. Bei einer vergleichbaren Ausführungsform unter Einsatz eines
konventionellen Permanentmagneten wäre eine Statorhöhe von etwa
20 mm nötig,
um vergleichbare technische Daten zu erreichen. So wurden beispielsweise
eine Ferrit-Variante und NdFeB-Varianten gegenüber gestellt, welche jeweils eine
maximale Drehzahl von 1600 Umdrehungen pro Minute erreichen und
jeweils 22 Polpaare aufweisen. Dabei konnte das Gewicht des Kupfers
bedingt durch die geringere Statorhöhe von 1,55 kg auf 0,93 kg
reduziert werden. Hinsichtlich des so genannten Coggins, d. h. des
ungewollten Rüttelns
der Motoren, lieferten die NdFeB-Variante und die Ferrit-Variante
in etwa vergleichbare Werte.
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Auch
die so genannte Gegenspannungskonstante ku liegt im Falle der beiden
NdFeB-Varianten in einem ähnlichen
Bereich wie im Falle der Ferrit-Variante.
Die Gegenspannungskonstante ku bezeichnet diejenige Spannung, die
induziert wird, wenn die Klemmen des Motors offen bleiben und der
Motor sich gleichzeitig dreht. Diese Spannung ist im linearen Bereich
(wenn also das Eisen durch den Magnetfluss nicht gesättigt ist)
proportional zur Drehzahl des Motors.
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Damit
fällt auch
die so genannte Momentenkonstante km bei den NdFeB-Varianten geringer
aus als im Falle der Ferrit-Variante. Diese Momentenkonstante steht
in direktem mathematischen Zusammenhang mit der Gegenspannungskonstante
ku.
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4 zeigt
ein Diagramm zur Veranschaulichung der technischen Daten. Dabei
wurden auf der Abszisse bzw. x-Achse die Drehzahl des Motors bzw. der
Wäschetrommel
aufgetragen, auf der Ordinate bzw. linken y-Achse das jeweilige
Drehmoment des Motors und auf der rechten Seite die mechanische Wirkleistung.
Der durch das Bezugszeichen 22 gekennzeichnete Verlauf
kennzeichnet die mechanische Wirkleistung so dass insoweit die rechte
y-Achse maßgeblich
ist. Der Verlauf 22 spaltet in die Verläufe 22a und 22b auf.
Der Verlauf 22a kennzeichnet den Verlauf bei Vorliegen
einer Feldschwächung
und der Verlauf 22b den Verlauf ohne Feldschwächung. Die
Feldschwächung
wird alleine über
einen Regler erreicht, der die Phasenverschiebung zwischen Motorwirkstrom
und Motorblindstrom festlegt. Durch die Phasendifferenz werden die
Induktivitäten
der Spulen genutzt, wodurch eine schnellere Drehung des Motors möglich wird.
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Der
Verlauf 24, der in die Verläufe 24a und 24b aufspaltet,
bezeichnet das Drehmoment des Motors, so dass hier die linke y-Achse
maßgeblich
ist. Auch hier kennzeichnet das Bezugszeichen 24a den Verlauf
mit Feldschwächung
und das Bezugszeichen 24b den Verlauf ohne Feldschwächung.
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Man
erkennt, dass bei beiden Verläufen 22 und 24,
welche miteinander korreliert sind, ohne Feldschwächung nur
Drehzahlen von ca. 1200 rpm möglich
sind, da ohne Feldschwächung
die mechanische Wirkleistung und das Drehmoment ab Drehzahlen von
ca. 500 rpm stark absinken. Bei Anwendung von Feldschwächung sind
hingegen wesentlich höhere
Drehzahlen erreichbar bzw. bleibt auch bei höheren Drehzahlen die aktive
Wirkleistung auf einem relativ hohen Niveau.
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Das
in 4 gezeigte Diagramm wurde für den erfindungsgemäßen Motor
aufgenommen und zeigt, dass dieser Motor trotz erheblich verringerter Bauhöhe für den Stator
und daher den Motor insgesamt hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit
nicht hinter den aus dem Stand der Technik bekannten Motoren zurückbleibt.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 3
- Stator
- 4
- Permanentmagnet
- 5
- Luftspalt
- 7
- Rotor
- 9
- Zwischenräume
- 12,
13
- Verguss
- 14
- Vorsprünge
- 14a
- Endabschnitte
der Vorsprünge
- 15
- Bohrungen
- 16
- Kabelanschluss
- 17
- Adapterring
- 18
- Bohrung
- 22
- Verlauf
Wirkleistung-Drehzahl
- 22a
- Verlauf
bei Feldschwächung
- 22b
- Verlauf
ohne Feldschwächung
- 24
- Verlauf
Drehmoment-Drehzahl
- 24a
- Verlauf
bei Feldschwächung
- 24b
- Verlauf
ohne Feldschwächung