DE102007017215A1

DE102007017215A1 - Rotatorischer Direktantrieb

Info

Publication number: DE102007017215A1
Application number: DE102007017215A
Authority: DE
Inventors: Jörg BAUER; Christian Dipl.-Ing. Nuißl (FH)
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-04-12
Filing date: 2007-04-12
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-04-13
Also published as: DE102007017215B4; ITMI20080574A1; CN101324020A; CN101324020B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen rotatorischen Direktantrieb mit einer Aktiveinheit (1), die mindestens eine elektrische Wicklung (2) und zahlreiche Aktivpole (3) umfasst, und mit einer von der Aktiveinheit (1) durch einen Luftspalt beabstandeten und relativ zu dieser drehbaren Passiveinheit (4), die zahlreiche den Aktivpolen (3) gegenüberliegende Passivpole (10) sowie ein an die Passivpole gekoppeltes magnetisches Rückschlusselement umfasst. Erfindungsgemäß ist das Rückschlusselement durch ein mehrlagig aufgebrachtes Rückschlussband (12) gebildet. Vorzugsweise besitzt die Passiveinheit (4) zahlreiche Permanentmagnete (10). Das Rückschlussband (12) kann spiralförmig aufgewickelt sein. Der Direktantrieb eignet sich insbesondere als Antrieb für eine Waschmaschine, wobei die Passiveinheit als außen laufender Rotor (4) ausgebildet und mit der Wäschetrommel verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen rotatorischen Direktantrieb, der eine Aktiveinheit mit mindestens einer elektrischen Wicklung und eine Passiveinheit umfasst. Beide Einheiten weisen magnetische Pole auf, wobei die Pole der Passiveinheit vorzugsweise durch mehrere der elektrischen Wicklung gegenüberliegende Permanentmagnete gebildet sind. In bekannter Weise besitzt ein derartiger elektromagnetischer Direktantrieb Lager- und Gestelleinheiten, um eine Relativbewegung zwischen Aktiveinheit und Passiveinheit zu ermöglichen. Dabei kann die Aktiveinheit als Stator ausgebildet sein, während die Passiveinheit den Rotor des Direktantriebs bildet.
Das Funktionsprinzip elektromagnetischer Direktantriebe ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Durch die Ansteuerung der an der Aktiveinheit angeordneten zahlreichen elektrischen Spulen der Wicklung wird ein „wanderndes" bzw. rotierendes Magnetfeld erzeugt, wobei die Magnetfeldänderung die Passiveinheit/den Rotor in Drehbewegung versetzt. Direktantriebe werden vorzugsweise eingesetzt, um die erzeugte Motorkraft getriebelos auf zu bewegende Funktionseinheiten zu übertragen. Mit Hilfe entsprechender Steuereinheiten lassen sich Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung eines rotatorischen Direktantriebs einfach steuern. Für hohe Antriebskräfte ist es bei Direktantrieben von besonderer Bedeutung, dass der zwischen Stator und Rotor ausgebil dete Luftspalt möglichst klein und im Umfangsbereich gleich bleibend ist. Dies stellt hohe Anforderungen an die Fertigung der Motorbauteile, insbesondere wenn Stator und Rotor größere Abmessungen aufweisen.
Die an der Passiveinheit des Direktantriebs angeordneten Permanentmagnete (Passivpole) müssen durch ein Rückschlusselement magnetisch miteinander verbunden werden. Um die gewünschten hohen Feldstärken zu erreichen, werden massive, geschlossene Rückschlussringe eingesetzt, die vorzugsweise stoffschlüssig mit den einzelnen Permanentmagneten des Rotors verbunden sind. Im Herstellungsprozess stellt die präzise Fertigung eines solchen Rückschlussrings eine besondere Herausforderung dar, welche die Herstellungskosten entscheidend beeinflusst. Für eine gute magnetische Kopplung zwischen Permanentmagneten und Rückschlussring werden die Magneten an den Rückschlussring angeklebt oder in anderer Weise stoffschlüssig befestigt. Die Positionierung der Magneten relativ zueinander hat ebenfalls mit hoher Präzision zu erfolgen, da bei Positionsabweichungen die erzielbaren Motorkräfte sinken und der Gleichlauf des Motors erheblich gestört werden kann.
Neuerdings werden Direktantriebe nicht nur in Präzisionsanwendungen eingesetzt, sondern beispielsweise auch in Haushaltsgeräten, um die Antriebskräfte zu erhöhen und die Wartungsanfälligkeit zu reduzieren. Beispielsweise ist aus der DE 100 25 016 B4 ein Wäschebehandlungsgerät mit einem Antriebsmotor in Form eines Direktantriebs bekannt. Der Direktantrieb besitzt dabei einen Permanentmagnet-Rotor, welcher mit einem Wellenzapfen einer fliegend gelagerten Trommel verbunden ist. Der Stator des Direktantriebs ist mit dem Lagersitz verbunden, wobei in herkömmlicher Weise ein Luftspalt zwischen Rotor und Stator verbleibt. Der Rotor ist mit zahlreichen Permanentmagneten ausgerüstet, welche gleichmäßig an der Innenseite einer Rotorglocke angeordnet sind. Die Rotorglocke ist als topfförmiges Tiefziehteil oder Aluminium-Spritzguss-Teil gebildet und besitzt für den magnetischen Rückschluss an ihrer Innenseite einen ringförmigen Eisenrückschluss, auf welchem die Permanentmagneten befestigt sind. Um die bewegten Massen klein zu halten, muss der Eisenrückschlussring möglichst dünnwandig ausgeführt werden, wobei gleich zeitig ein möglichst starkes Magnetfeld im Eisenrückschluss fließen soll. Der Eisenrückschlussring muss zur Erfüllung dieser gegensätzlichen Anforderungen aus teuren Materialien gefertigt werden. Gleichzeitig bereitet die toleranzarme Herstellung dünnwandiger Eisenrückschlussringe erhebliche Probleme.
Aus der DE 690 05 553 T2 ist ebenfalls eine Antrieb für Waschmaschinen bekannt, der von einem Direktantrieb mit einem geschalteten Reluktanzmotor Gebrauch macht. Dabei kann der Rotor sowohl als Außenläufer als auch als Innenläufer ausgestaltet sein. Auch in dieser Druckschrift wird als besonderes Problem dargestellt, dass die gewünschten kleinen Luftspaltmaße von beispielsweise 0,25 mm nur bei hoher Fertigungsgenauigkeit eingehalten werden können und aus Gründen der Fertigungskosten auch deutlich größere Luftspaltmaße akzeptiert werden müssen, die dann jedoch zu einer drastischen Verringerung der Motorleistung führen. Bei der in dieser Druckschrift gezeigten Ausführungsform des Direktantriebs wird in der Passiveinheit auf Permanentmagnete verzichtet, wobei auch hier die magnetischen Pole der Passiveinheit, die in herkömmlicher Weise zahnförmig angeordnet sind, durch ein magnetisch leitfähiges Rückschlusselement verbunden werden müssen, welches als geschlossener Ring ausgebildet ist.
Die DE 697 09 868 T2 beschreibt einen elektronisch kommutierten Direktantrieb für Waschmaschinentrommeln. Der Stator des Motors ist am Träger der Waschmaschine befestigt, während der Rotor direkt an der Achse der Wäschetrommel angeordnet ist. Der Rotor besitzt wiederum einen weichmagnetischen ringförmigen Eisenkern, auf welchem zahlreiche Permanentmagnete befestigt sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen verbesserten Direktantrieb bereit zu stellen, bei welchem sich mit verringerten Fertigungsgenauigkeiten eine hohe Präzision in der Formgebung der Passiveinheit erzielen lässt, um mit geringem Materialeinsatz hohe Antriebskräfte zu erzielen. Insbesondere soll bei wenig kritischen Fertigungstoleranzen ein kleiner Luftspalt zwischen Stator und Rotor zu erzielen sein. Schließlich ist eine weitere Teilaufgabe darin zu sehen, dass beim Aufbau einer permanentmagneterregten Passiveinheit die Verbindung zwischen den Permanentmagneten und dem magnetischen Rückschlusselement sowie die genaue Positionierung der Magneten vereinfacht herstellbar sein soll.
Die genannte Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 definierten Direktantrieb gelöst. Der erfindungsgemäße Direktantrieb zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das magnetische Rückschlusselement nicht als massiver Ring, sondern durch ein mehrlagiges, vorzugsweise spiralförmig gewickeltes Rückschlussband gebildet ist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Direktantriebs besteht darin, dass kein in sich geschlossener Rückschlussring z. B. durch Fräsen oder Drehen aus weichmagnetischem Material gefertigt werden muss, sondern dass das Rückschlusselement durch Anbringung mehrerer Lagen eines dünnen weichmagnetischen Materialbandes während der Herstellung der Passiveinheit erzeugt wird.
Die bevorzugte Ausführungsform des Direktantriebs umfasst als Bestandteil der Passiveinheit zahlreiche Permanentmagnete, welche die Passivpole bilden. Prinzipiell ist es aber auch denkbar, dass auf die Permanentmagnete verzichtet wird und stattdessen die Pole der Passiveinheit durch magnetisch leitfähiges Material gebildet werden, wie dies generell von Reluktanzmotoren bekannt ist. Bei der Herstellung einer mit Permanentmagneten bestückten Passiveinheit werden die Magnete vorzugsweise an die erste Lage des Rückschlussbandes angeklebt, um eine stoffschlüssige Verbindung und damit einen optimalen Magnetfluss zwischen den Magneten und dem Rückschlusselement zu erzielen.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Passiveinheit einen nicht-magnetischen Grundkörper, beispielsweise eine Kunststoffscheibe umfasst, an welcher die Permanentmagnete befestigt bzw. geführt werden können und der gleichzeitig Führungselemente zum Aufwickeln des Rückschlussbandes bereitstellt. Ein solcher Kunststoff-Grundkörper lässt sich mit hoher Präzision als Kunststoff-Spritzteil herstellen, womit die Grundform der Passiveinheit vorgegeben ist.
Das Rückschlussband kann beispielsweise ein Stahlband sein, welches spiralförmig auf den Grundkörper aufgewickelt wird und eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 2 mm aufweist. Bei einer abgewandelten Ausführungsform, mit welcher noch höhere Maßhaltigkeit erzielt und Unwuchten am Rotor vermieden werden können, wird das Rückschlussband nicht spiralförmig, sondern in mehreren konzentrisch angeordneten Lagen am Grundkörper befestigt. Die einzelnen Lagen des Rückschlussbandes können miteinander verklebt werden oder durch entsprechend straffes Aufbringen der letzten Lage kraftschlüssig miteinander verbunden sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Passiveinheit als Außenläufer ausgebildet.
Der erfindungsgemäße Direktantrieb mit gewickeltem Rückschlussband eignet sich besonders für den Einsatz als Antrieb einer Waschmaschine, wobei der Rotor mit der rotierenden Wäschetrommel unmittelbar verbunden werden kann. In diesem Fall kann der Stator einen außenseitigen Bestandteil der Laugenwanne und/oder des Gehäuses der Waschmaschine bilden.
Weitere Abwandlungen, Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Direktantriebs, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Direktantriebs mit einem Stator und einem Rotor;
2 eine geschnittene Detailansicht des in eine Waschmaschine eingebauten Direktantriebs;
3 eine Detailansicht des Rotors des erfindungsgemäßen Direktantriebs.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Direktantriebs ist in 1 als vereinfachte Explosionsdarstellung gezeigt. Generell besitzt der Direktantrieb eine Aktiveinheit, die mindestens eine elektrische Wicklung aufweist. Die elektrische Wicklung umfasst zahlreiche Spulen, die am Umfang der Aktiveinheit verteilt sind und im Betrieb mit einem gesteuerten Motorstrom bestromt werden. Die üblicherweise auf Weicheisenkernen angeordneten Spulenpakete bilden die magnetischen Pole der Aktiveinheit, nachfolgend auch als Aktivpole bezeichnet. Der Direktantrieb umfasst weiterhin eine Passiveinheit mit zahlreichen magnetisch wirksamen Passivpolen, deren Anzahl sich üblicherweise von der Anzahl der Aktivpole unterscheidet und in einem vorgegebenen Verhältnis zu diesen steht. Im einfachsten Fall werden die Passivpole durch zahnförmig angeordnete Weicheisenabschnitte gebildet. Zur Erzielung höherer Antriebskräfte umfasst die Passiveinheit bei der hier als bevorzugt angesehenen Ausführungsformen zahlreiche Permanentmagnete, die am Umfang der Passiveinheit verteilt sind und die Passivpole bilden. In jedem Fall müssen die einzelnen Passivpole magnetisch durch ein Rückschlusselement miteinander gekoppelt werden, um die zur Antriebskrafterzeugung erforderlichen Magnetfelder aufzubauen. Je nach Ausführungsform kann die Aktiveinheit oder die Passiveinheit das bewegte Element des Motors sein, wobei ein einfacher Aufbau erzielbar ist, wenn die Aktiveinheit den Stator des Motors darstellt, da in diesem Fall an die bewegte Einheit (Rotor) keine elektrischen Ströme geliefert werden müssen.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform bildet die Aktiveinheit des Direktantriebs einen Stator 1, der mit zahlreichen elektrischen Spulen 2 bestückt ist, welche an umfangsseitig verteilten Spulenträgern bzw. Aktivpolen 3 angeordnet sind. Die Passiveinheit des Direktantriebs ist durch einen Rotor 4 gebildet, der als Außenläufer aufgebaut ist und den Stator 1 umgreift. Weiterhin ist ein Wellenzapfen 5 (siehe 2) vorgesehen, welcher in einem nicht dargestellten Maschinenelement gelagert ist. Die hier beschriebene Ausführungsform des Direktantriebs ist speziell als Antriebsmotor für eine Waschmaschine konfiguriert. Der Rotor 4 umfasst bei dieser Ausführungsform eine großflächig ausgebildete Rotorscheibe 6, die als Kunststoffscheibe gefertigt und an eine Wäschetrommel (nicht gezeigt) der Waschmaschine gekoppelt sein kann.
2 zeigt in einer geschnittenen Detailansicht den Direktantrieb gemäß 1 im zusammengebauten Zustand. Es ist ersichtlich, dass die Rotorscheibe 6 einen umlaufenden Kragen 7 besitzt, welcher den innen liegenden Stator 1 umgreift. Der Stator 1 ist fest mit einer Laugenwanne 8 verbunden, die ihrerseits an einem Gehäuse 9 der Waschmaschine befestigt ist.
An der Innenseite des Kragens 7 der Rotorscheibe sind zahlreiche Permanentmagnete 10 angeordnet, was aus der Detailzeichnung in 3 gut erkennbar ist. Die Permanentmagnete 10 bilden die Passivpole des Rotors und liegen den Spulenträgern/Aktivpolen 3 des Stators gegenüber. Die Position der Permanentmagnete 10 wird bei der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform durch Aufnahmetaschen vorgegeben, die zwischen einzelnen Kunststoffzähnen 11 ausgebildet sind. Die Kunststoffzähne sind Bestandteil der Rotorscheibe 6, welche beispielsweise als Kunststoff-Spritzteil hergestellt werden kann.
Während der Herstellung des Rotors sind die Permanentmagnete in den zwischen den Kunststoffzähnen 11 ausgebildeten Aufnahmetaschen gegen Verschiebung in Umfangsrichtung und gegen Herausfallen in Radialrichtung gesichert. Die eigentliche Befestigung der Permanentmagnete 10 erfolgt dann jedoch beispielsweise durch Verkleben der nach außen gerichteten Flächen an einem magnetischen Rückschlusselement 12, welches ebenfalls im Kragen 7 des Rotors 4 positioniert ist.
Die Besonderheit des Rückschlusselements 12 besteht darin, dass es nicht als massiver Ring geformt ist, sondern durch eine Rückschlussband gebildet wird, welches mehrlagig auf die Rückseiten der Permanentmagnete aufgebracht ist. Das Rückschlussband 12 ist vorzugsweise als dünnes Stahlband gestaltet und wird durch eine Anschlagkante 13 sowie Schnapphaken 14 an der Rotorscheibe 6 gesichert. Die einzelnen Lagen des Rückschlussbandes 12 können miteinander verklebt werden oder kraftschlüssig verbunden sein. Um einen guten Magnetfluss zu gewährleisten, sollte zwischen den einzelnen Lagen möglichst kein Spalt verbleiben.
Zur Herstellung des Rotors werden die Permanentmagnete 10 in die Aufnahmetaschen zwischen den Kunststoffzähnen 11 eingelegt. Nachfolgend wird das Rückschlussband 12 aufgewickelt, wobei die erste Lage mit den Permanentmagneten verklebt wird. Das Rückschlussband kann spiralförmig gewickelt werden, bis die gewünschte Gesamtdicke erreicht ist. Es ist aber auch denkbar, dass das Rückschlussband in Form mehrerer konzentrisch zueinander angeordneter Ringe aufgebracht wird, wodurch sich jedoch der Fertigungsaufwand erhöht. Sofern die Permanentmagnete 10 noch nicht magnetisiert sind, kann die Magnetisierung nach der Befestigung der einzelnen Magnete im Rotor erfolgen. Dies erleichtert auch die Positionierung der Permanentmagnete.
Durch das mehrlagige Aufwickeln des Rückschlussbandes 12 können die magnetischen Eigenschaften des auf diese Weise hergestellten Rückschlusselements an unterschiedliche Einsatzfälle angepasst werden. So ist es denkbar, dass mit demselben Grundkörper verschiedenartige Rotoren hergestellt werden, die sich für den Einsatz in unterschiedlich leistungsstarken Motoren eignen. Bei stärkeren Magnetfeldern wird ein dickeres Rückschlusselement benötigt, so dass mehrere Lagen des Rückschlussbandes aufgewickelt werden. Ebenfalls können in den Aufnahmetaschen verschiedenartige Permanentmagnete angeordnet werden, so dass bei kleineren Leistungsanforderungen auf preiswertere Materialien zurückgegriffen werden kann.
Der beschriebene Direktantrieb lässt sich nicht nur als Waschmaschinenmotor sondern auch in anderen Anwendungsgebieten einsetzen, insbesondere wenn großformatige Passiveinheiten preiswert hergestellt werden sollen.

1: Stator
2: Spulen
3: Spulenträger/Aktivpole
4: Rotor
5: Wellenzapfen
6: Rotorscheibe
7: Kragen
8: Laugenwanne
9: Gehäuse
10: Permanentmagnete/Passivpole
11: Kunststoffzähne
12: Rückschlussband
13: Anschlagkante
14: Schnapphaken

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10025016 B4 [0004]
- DE 69005553 T2 [0005]
- DE 69709868 T2 [0006]

Claims

Rotatorischer Direktantrieb mit einer Aktiveinheit (1), die mindestens eine elektrische Wicklung (2) und zahlreiche Aktivpole (3) umfasst, und mit einer von der Aktiveinheit (1) durch einen Luftspalt beabstandeten und relativ zu dieser drehbaren Passiveinheit (4), die zahlreiche den Aktivpolen (3) gegenüberliegende Passivpole (10) sowie ein an die Passivpole gekoppeltes magnetisches Rückschlusselement umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlusselement ein mehrlagig aufgebrachtes Rückschlussband (12) ist.
Direktantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Passiveinheit (4) zahlreiche Permanentmagnete (10) umfasst, welche die Passivpole bilden.
Direktantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage des Rückschlussbandes (12) unmittelbar an die Permanentmagnete (10) angrenzt.
Direktantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage des Rückschlussbandes (12) stoffschlüssig mit den Permanentmagneten (10) verbunden ist.
Direktantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlussband (12) ein ein- oder mehrteiliges, weichmagnetisches Stahlblechband ist.
Direktantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlussband (12) spiralförmig gewickelt ist.
Direktantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlussband (12) in mehreren konzentrisch angeordneten Lagen an der Passiveinheit (4) angeordnet ist.
Direktantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Passiveinheit (4) weiterhin einen nicht-magnetischen Grundkörper (6) umfasst, welcher Aufnahmen für die Permanentmagnete (10) und Führungselemente für das Rückschlussband (12) bereitstellt.
Direktantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht-magnetische Grundkörper (6) eine Kunststoffscheibe ist, die kammförmig am Umfang verteilte Aufnahmetaschen besitzt, in denen die Permanentmagnete (10) positioniert sind.
Direktantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktiveinheit den Stator (1) und die Passiveinheit den Rotor (4) des Direktantriebs bilden.
Direktantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) als Außenläufer ausgebildet ist, dass das Rückschlussband (12) an den radial außen liegenden Enden der Permanentmagnete (10) angeordnet ist, und dass der Stator (1) innerhalb des Rotors (4) angeordnet ist.
Direktantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er als Antrieb einer Waschmaschine aufgebaut ist, welche eine in einer Laugenwanne (8) rotierende Wäschetrommel besitzt.
Direktantrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) des Direktantriebs mit einer Welle (5) verbunden ist, welche der Lagerung des Rotors dient.
Direktantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1) einen Bestandteil der Laugenwanne (8) und/oder eines Gehäuses (9) bildet.