DE102007027060B4

DE102007027060B4 - Permanentmagnet-Motor mit axial magnetisiertem Zugmagnet

Info

Publication number: DE102007027060B4
Application number: DE102007027060.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. Popov Vladimir V.
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2027-06-13
Also published as: DE102007027060A1

Abstract

Permanentmagnet-Motor mit axial magnetisiertem Zugmagneten (12), bestehend aus einer Basisplatte (11), auf der ein Statorblechpaket (4) mit Statorwicklungen (5) angeordnet ist, wobei der Basisplatte (11) gegenüberliegend eine Nabe (1) angeordnet ist, die mit einer Welle (7) verbunden ist, die über ein oder mehrere Fluidlager (8–10) gegenüber einer Lagerbuchse (6) abgestützt ist, wobei die Nabe (1) mindestens einen ringförmigen Rotormagneten (2) trägt, der dem Statorblechpaket (4) gegenüberliegt, wobei im Bereich zwischen der Nabe (1) und einem feststehenden Teil des Permanentmagnet-Motors eine in axialer Richtung wirkende, unter Einwirkung magnetischer Zugkräfte arbeitende Zugeinrichtung angeordnet ist, die aus dem rotorseitigen permanentmagnetischen Zugmagneten (12) besteht, der in magnetischer Wirkverbindung mit mindestens einer statorseitigen Fläche steht, wobei ferner die Welle (7) des Permantenmagnet-Motors mit zugeordneten Oberflächen der als Teil des Stators ausgebildeten Lagerbuchse (6) ein Radiallager bildet und eine Stirnseite dieser Lagerbuchse (6) mit einer zugeordneten Oberfläche der Nabe (1) ein oberes Axiallager (8) ausbildet und im Bereich zwischen der Nabe (1) und dem feststehenden Teil des Permanentmagnet-Motors die Zugeinrichtung das Axiallager (8) in axialer Richtung vorspannt, wobei der rotorseitige Zugmagnet (12) in Wirkverbindung zu einem fluchtend darunter angeordneten statorseitigen ferromagnetischen Zugring (3) steht, der kein Magnet ist, die im Zugmagneten (12) erzeugten Feldlinien (15) nahezu senkrecht aus dessen Oberfläche (23) austreten und weitgehend senkrecht in die Oberfläche (20) des Zugrings (3) eintreten, und wobei der Zugmagnet (12) als in axialer Richtung magnetisierter Ringmagnet ausgebildet ist oder aus in axialer Richtung magnetisierten Ringsegmenten (19) besteht, wobei der Zugmagnet (12) in radialer Richtung nach außen über den Rotormagneten (2) hinaussteht und der hinausstehende Teil des Zugmagneten (12) von oben und radial außen von der Nabe (1) umschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Permanentmagnet-Motor mit axial magnetisiertem Zugmagneten.
Derartige Permanentmagnet-Motoren sind beispielsweise mit dem Gegenstand der JP 2005/045 876 A1 bekannt geworden. Bei dieser Anordnung ist der in axialer Richtung magnetisierte Zugmagnet auf der Basisplatte befestigt und hat einen Abstand zur ferromagnetischen Nabe, der durch einen Luftspalt überbrückt ist. Hierbei ist der Zugmagnet, der als ringsumlaufender Ring ausgebildet ist, im radial äußeren Bereich der Nabe und der Basisplatte angeordnet.
Eine magnetische Kopplung mit dem Rotormagneten ist nicht gegeben; er ist vielmehr außerhalb des Feldlinienbereiches des umlaufenden Rotormagneten angeordnet. Nachteil bei der genannten Druckschrift ist, dass für die radial auswärts gerichtete Lage des Einbaus des Zugmagnetes ein gesonderter Einbauraum beansprucht wird, der unnötigerweise den Durchmesser des verwendeten Permanentmagnet-Motors vergrößert.
Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass die Anordnung nur funktioniert, wenn die Nabe aus einem ferromagnetischen Material besteht.
Beim Gegenstand der JP 2003/061 305 A1 ist kein ringförmiger Zugmagnet vorhanden, sondern lediglich ein ferromagnetischer Zugring, der unmittelbar und fluchtend unter dem Rotormagneten angeordnet ist. Damit nimmt er Streuflüsse von diesem Rotormagneten auf und aufgrund dieser Streuflüsse kommt es zu einer gewissen Anziehungskraft zwischen dem Zugring und dem Rotormagneten, so dass die mit dem Permanentmagnet-Motor verwendeten Fluidlager in axialer Richtung vorgespannt werden.
Nachteil bei dieser Ausführung sind jedoch die Wirbelstromverluste, die im Zugring entstehen. Ferner entstehen im Zugring Ummagnetisierungsverluste, welche insgesamt den Wirkungsgrad des Permanentmagnet-Motors herabsetzen. Nachdem die axiale Vorspannung durch den Zugring, der lediglich aufgrund von Streuflüssen des Rotormagneten seine axiale Vorspannung entfaltet, nicht ausreicht, ist es zusätzlich erforderlich, einen Offset zwischen der magnetischen Mittellinie des Stators und des umlaufenden Rotormagneten vorzusehen. Dies bildet jedoch in unerwünschter Weise Geräusche, weil drehwinkelabhängige axiale Störungskräfte entstehen, die zu unerwünschten Schwingungen des Rotors führen.
Die US 5 545 937 A bildet den nächstliegenden Stand der Technik und offenbart einen Permanentmagnet-Motor mit axial magnetisiertem Zugmagneten, bestehend aus einer Basisplatte, auf der ein Statorblechpaket mit Statorwicklungen angeordnet ist, wobei der Basisplatte gegenüberliegend eine Nabe angeordnet ist, die mittels eines als Fluidlager ausgebildeten Zapfenlagers (pivot bearing) gegenüber der Basisplatte abgestützt ist, wobei die Nabe mindestens einen ringförmigen Rotormagneten trägt, der dem Statorblechpaket gegenüberliegt, wobei im Bereich zwischen der Nabe und einem feststehenden Teil des Permanentmagnet-Motors eine in axialer Richtung wirkende, unter Einwirkung magnetischer Axialkräfte arbeitende Zugeinrichtung angeordnet ist, die aus einem rotorseitigen permanentmagnetischen Zugmagneten besteht, der in magnetischer Wirkverbindung mit einem an der Basisplatte angeordneten Permanentmagneten steht, wobei im Bereich zwischen der Nabe und dem feststehenden Teil des Permanentmagnet-Motors die Zugeinrichtung das Zapfenlager in axialer Richtung vorspannt, wobei die im Zugmagneten erzeugten Feldlinien nahezu senkrecht aus dessen Oberfläche austreten und weitgehend senkrecht in die Oberfläche des an der Basisplatte angeordneten Permanentmagneten eintreten, und wobei der Zugmagnet als in axialer Richtung magnetisierter Ringmagnet ausgebildet ist.
Die JP 09-149 586 A beschreibt einen Spindelmotor, der ein magnetisches Axiallager besitzt, das ähnlich wie in der oben genannten US 5 545 937 A durch sich gegenüberliegende magnetisierte Ringe gebildet wird. Die Radiallagerung erfolgt durch fluiddynamische Radiallager. Ein fluiddynamisches Axiallager und ein ferromagnetischer Zugring sind nicht offenbart.
US 5 623 382 A zeigt einen Spindelmotor, dessen Lager in axialer Richtung durch einen schräg magnetisierten Ring vorgespannt ist, dem ein ferromagnetisches Bauteil gegenüberliegt. Die Radiallagerung erfolgt durch fluiddynamische Radiallager, die Axiallagerung durch ein Zapfenlager. Ein fluiddynamisches Axiallager ist nicht vorgesehen.
Die US 5 683 183 A offenbart einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Radiallager. Die axialen Kräfte werden entweder durch zusätzliche Kugellager oder magnetische Axiallager aufgenommen. Ein fluiddynamisches Axiallager und ein ferromagnetischer Zugring sind nicht offenbart.
DE 1 226 496 A offenbart eine elektromagnetisch angetriebene Schwingeranordnung für kleine elektrische Uhren. Es wird beschrieben, dass ein Ringmagnet durch magnetisierte Ringsegmente ersetzt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, nämlich eine ausreichende Zugkraft in axialer Richtung ohne wesentliche Wirbelstromverluste und Ummagnetisierungsverluste zu erreichen und hierbei auch entstehende Geräusche zu vermindern.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Der Zugmagnet ist an dem Rotor unterhalb des Rotormagneten angeordnet und steht in magnetischer Wirkverbindung zu dem statorseitigen Teil, das erfindungsgemäß als fluchtend darunter angeordneter Zugring ausgebildet ist.
Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der Vorteil, dass auf kleinem Einbauraum, nämlich direkt unterhalb des Rotormagneten, ein Zugmagnet eingebaut ist. Ein solcher Zugmagnet ist bevorzugt ein in axialer Richtung magnetisierter Permanent-Magnet, der bevorzugt ring- oder scheibenförmig ausgebildet ist.
In einer bevorzugten anderen Ausgestaltung ist es jedoch vorgesehen, dass statt einer durchgehenden Scheibe oder eines durchgehenden Ringes einzelne Ringsegmente vorhanden sind, wobei jeweils vorausgesetzt wird, dass alle Ringsegmente oder Stücke in axialer Richtung magnetisiert sind. Eine solche Magnetisierung könnte beispielsweise so ausgestaltet sein, dass die Oberseite umlaufend als Südpol und die Unterseite umlaufend als Nordpol polarisiert ist.
Mit dieser technischen Lehre ergibt sich der Vorteil, dass auf geringem Einbauplatz eine starke Zugkraftkomponente in axialer Richtung erzeugt wird
Aufgrund des Zugringes werden Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste weitgehend vermieden. Das magnetische Feld wird nämlich homogen in senkrechter Richtung auf die Oberfläche des Zugringes eingeleitet und aufgrund dieser homogenen senkrechten Einleitung kommt es zu einer homogenen Feldverteilung ohne Feldwechsel, welche zu Wirbelströmen führen würden.
Ferner werden die Ummagnetisierungsverluste vermieden, weil keine Wechselfelder vorhanden sind. Damit besteht der weitere wesentliche Vorteil, dass nun auch störende Geräuschentwicklungen entfallen, denn erfindungsgemäß kann der Offset zwischen dem Stator und dem Rotormagneten entfallen, weil die durch den erfindungsgemäßen Zugmagneten entwickelte Axialkraft so groß ist, dass auf einen zusätzlichen Offset verzichtet werden kann. Der nun entfallende Offset hatte aber – wie obenstehend erläutert – den Nachteil, dass unerwünschte Geräuschentwicklungen entstehen, was erfindungsgemäß nicht mehr stattfindet.
Aufgrund der fehlenden Ummagnetisierungsverluste und der verminderten Wirbelströme kommt es nunmehr auch insgesamt zu einem verbesserten elektrischen Wirkungsgrad des Motors, denn es fehlen unerwünschte Bremsmomente, die anderenfalls bei Entstehung von Wirbelströmen in Kauf genommen werden müssen.
Ferner kann der Luftspalt zwischen dem umlaufenden Zugmagneten und dem feststehenden Zugring entscheidend verringert werden, weil keine Wirbelströme vorhanden sind und diese auch nicht mehr entstehen. Vorher – beim Stand der Technik – musste ein relativ großer Luftspalt gewählt werden, um aufgrund der Größe des Luftspaltes Wirbelstromerscheinungen zu vermindern. Nachdem erfindungsgemäß von vorneherein keine Wirbelstromerscheinungen entstehen, kann nun auch der Luftspalt kleiner gewählt werden. Mit einem kleineren Luftspalt sind deshalb auch größere Axialkräfte möglich, wodurch wiederum – wie vorhin ausgeführt – der Offset zwischen Stator und Rotormagnet entfällt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass statt eines umlaufenden Zugmagneten, der als Ring ausgebildet ist, einzelne Ringsegmente vorhanden sind.
Anstatt von Kreissegmenten oder Kreissegmentabschnitten können auch tablettenförmige, punktförmige oder röhrenförmige Permanentmagnete verwendet werden, die stückweise am Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Jedoch sind auch weitere Ausführungsformen denkbar.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen:
1: einen Schnitt durch einen Teil eines Permanentmagnet-Motors.
2: eine erste Ausführung eines Zugmagneten.
3: eine zweite Ausführung eines Zugmagneten.
3a: eine dritte Ausführung.
4: einen Schnitt durch die erste Ausführung des Motors mit Zugmagnet und Zugring.
5: einen Schnitt durch eine zweite Ausführung des Motors mit Zugmagnet und dämpfendem elastischem Element.
In 1 ist der allgemeine Aufbau eines Permanentmagnet-Motors dargestellt, wobei im Bereich einer umlaufenden Nabe 1 ein Rotormagnet 2 im Bereich einer Ausnehmung 24 angeordnet ist.
In an sich bekannter Weise ist eine Welle 7 fest mit der Nabe 1 verbunden und bildet in ihrem oberen Bereich in Richtung auf die Lagerbuchse 6 ein oberes Axiallager 8 aus und weist im Übrigen zwei voneinander beabstandet angeordnete Radiallager 9, 10 auf.
Im Bereich einer Basisplatte 11 ist die Statoranordnung angeordnet, die aus einem Statorblechpaket 4 besteht, in welchem Statorwicklungen 5 angeordnet sind.
Wichtig ist, dass die Statorwicklungen 5 in an sich bekannter Weise in die Ausnehmung 24 hineinreichen, weil diese Ausnehmung fertigungstechnisch in der Nabe 1 stets vorhanden sein muss.
Zur Erzeugung einer zusätzlichen axialen Vorspannung wird ein Zugring 3 vorgesehen, der als umlaufender Ring auf der Basisplatte 11 angeordnet ist und der aus einem ferromagnetischen Material besteht. Ein solches ferromagnetisches Material ist beispielsweise ein Eisen oder eine Eisenlegierung oder ein Elektroblech.
Erfindungsgemäß ist nun unterhalb des Rotormagneten 2 – und mit diesem über z. B. eine Klebestelle verbunden – ein Zugmagnet 12 angeordnet, der in einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 2 als umlaufender Ring ausgebildet ist. In 2 ist erkennbar, dass der Ring eine Oberseite 16 und eine Unterseite 17 aufweist und dass die Feldlinien 15, die durch den Ring erzeugt werden, von oben nach unten verlaufen, so dass beispielsweise an der Oberseite stets umlaufend Süden und an der Unterseite stets umlaufend Norden ausgebildet ist. Es wird damit eine Magnetisierungsrichtung 18 in axialer Richtung definiert.
Statt eines solchen Zugmagneten 12 können auch einzelne Segmente 19 eines solchen Ringes vorgesehen werden, wie in 3 dargestellt ist.
Die 3a zeigt als Alternative, dass auch stückweise vorhandene Permanentmagnete vorgesehen werden können, die z. B. zylinderförmig oder punktförmig oder quaderförmig ausgebildet sind.
Sie sind jedenfalls im gleichmäßigen Abstand gleichmäßig am Umfang der Nabe verteilt angeordnet.
Es ist im Stand der Technik bekannt, dass zwischen der magnetischen Mittellinie des Stators 4 und dem Rotormagneten 2 ein Offset 13 vorhanden ist, um eine zusätzliche axiale Vorspannung auf das Axiallager 8 zu erzeugen. Erfindungsgemäß kann dieser Offset 13 (muss aber nicht) auch entfallen, weil nun durch die unmittelbare Ausbildung des Zugmagneten 12 gegenüber dem Zugring 3 eine so starke axiale Zugkraft gemäß 4 erzeugt wird, die beispielsweise in Pfeilrichtung 21 auf den Rotor wirkt.
Es ist in 1 und 4 erkennbar, dass die im Zugmagneten 12 erzeugten Feldlinien 15 nahezu senkrecht aus der Oberfläche 23 austreten und weitgehend senkrecht in die Oberfläche 20 beim Zugring 3 eintreten. Diese axiale Magnetisierung liefert eine höhere Feldhomogenität, was zu einer wesentlichen Verringerung von Wirbelströmen sowie von Ummagnetisierungs-Verlusten im Zugring und somit zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades des Elektromotors führt. Damit ist es nun erstmals auch möglich, die Höhe des Luftspaltes 14 entscheidend zu verringern, die vorher vergleichsweise groß gewählt werden musste, um störende Effekte von Wirbelströmen zu vermeiden.
In 5 ist dargestellt, dass der Zugring 3 auch entfallen kann und dass der Zugmagnet 12 auch an anderen Stellen des Rotors befestigt werden kann. Selbstverständlich kann er beispielsweise auch die Ausführungsformen einnehmen, wie sie anhand der 2 bis 3a erläutert wurden.
Das Ausführungsbeispiel nach 5 zeigt, dass wenn das Statorblechpaket 4 an der unteren Seite mit einem elastischen, dämpfenden Material, etwa einer Vergussmasse 25 in der Basisplatte 11 gehalten wird, dies zur Dämpfung von möglichen angeregten Schwingungen durch den Zugmagneten 12 führt.
Bezugszeichenliste

1: Nabe
2: Rotormagnet
3: Zugring
4: Statorblechpaket
5: Statorwicklung
6: Lagerbuchse
7: Welle
8: Axiallager
9: Radiallager
10: Radiallager
11: Basisplatte
12: Zugmagnet
13: Offset
14: Luftspalt
15: Feldlinie
16: Oberseite (z. B. S)
17: Unterseite (z B. N)
18: Magnetisierungsrichtung
19: Segment
20: Oberfläche
21: Pfeilrichtung (bez. auf Rotor)
22: Oberfläche (Teil 4)
23: Oberfläche (Teil 12)
24: Ausnehmung (Nabe 1)
25: dämpfendes Material

Claims

Permanentmagnet-Motor mit axial magnetisiertem Zugmagneten (12), bestehend aus einer Basisplatte (11), auf der ein Statorblechpaket (4) mit Statorwicklungen (5) angeordnet ist, wobei der Basisplatte (11) gegenüberliegend eine Nabe (1) angeordnet ist, die mit einer Welle (7) verbunden ist, die über ein oder mehrere Fluidlager (8–10) gegenüber einer Lagerbuchse (6) abgestützt ist, wobei die Nabe (1) mindestens einen ringförmigen Rotormagneten (2) trägt, der dem Statorblechpaket (4) gegenüberliegt, wobei im Bereich zwischen der Nabe (1) und einem feststehenden Teil des Permanentmagnet-Motors eine in axialer Richtung wirkende, unter Einwirkung magnetischer Zugkräfte arbeitende Zugeinrichtung angeordnet ist, die aus dem rotorseitigen permanentmagnetischen Zugmagneten (12) besteht, der in magnetischer Wirkverbindung mit mindestens einer statorseitigen Fläche steht, wobei ferner die Welle (7) des Permantenmagnet-Motors mit zugeordneten Oberflächen der als Teil des Stators ausgebildeten Lagerbuchse (6) ein Radiallager bildet und eine Stirnseite dieser Lagerbuchse (6) mit einer zugeordneten Oberfläche der Nabe (1) ein oberes Axiallager (8) ausbildet und im Bereich zwischen der Nabe (1) und dem feststehenden Teil des Permanentmagnet-Motors die Zugeinrichtung das Axiallager (8) in axialer Richtung vorspannt, wobei der rotorseitige Zugmagnet (12) in Wirkverbindung zu einem fluchtend darunter angeordneten statorseitigen ferromagnetischen Zugring (3) steht, der kein Magnet ist, die im Zugmagneten (12) erzeugten Feldlinien (15) nahezu senkrecht aus dessen Oberfläche (23) austreten und weitgehend senkrecht in die Oberfläche (20) des Zugrings (3) eintreten, und wobei der Zugmagnet (12) als in axialer Richtung magnetisierter Ringmagnet ausgebildet ist oder aus in axialer Richtung magnetisierten Ringsegmenten (19) besteht, wobei der Zugmagnet (12) in radialer Richtung nach außen über den Rotormagneten (2) hinaussteht und der hinausstehende Teil des Zugmagneten (12) von oben und radial außen von der Nabe (1) umschlossen ist.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugmagnet (12) aus in axialer Richtung magnetisierten tablettenförmigen, punktförmigen oder röhrenförmigen Permanentmagneten besteht.
Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugmagnet (12) über eine Klebestelle mit dem Rotormagneten (2) verbunden ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorblechpaket (4) an der unteren Seite mit einem elastischen, dämpfenden Material, etwa einer Vergussmasse (25), in der Basisplatte (11) gehalten ist, und somit eine Dämpfung von möglichen angeregten Schwingungen durch den Zugmagneten (12) stattfindet.