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Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere Synchronmotor,
mit einem Ankerspulen aufweisenden Anker und einem Induktor, der
permanentmagnetische Polelemente aufweist. Entsprechende Permanentmagnete
aufweisende Synchronmotoren sind in verschiedensten Ausführungen
und Leistungsklassen bekannt. Die Elektromotoren können
ohne Einschränkung als Linear- oder Rotationsmotoren ausgeführt
sein. Der vorzugsweise aus einem Blechpaket gebildete Anker weist
eine Vielzahl von Nuten und Zähnen auf, wobei die Ankerspulen jeweils
in zugeordnete Nuten eingesetzt sind und wobei durch einen Stromfluss
in den Spulen ein magnetischer Fluss in den Zähnen erzeugt
wird. Eine Relativbewegung zwischen Anker und Induktor wird durch die
Wechselwirkung eines durch die Ankerspulen erzeugten Wechselfeldes
mit den permanentmagnetischen Polelementen erzeugt, so dass eine
Umwandlung von elektrischer Energie in eine mechanische Antriebsenergie
erfolgt.
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Die
Druckschrift
DE 197
05 432 A1 betrifft einen Trägerring zur Aufnahme
von Permanentmagneten für eine elektrische Maschine. Zur
Befestigung der Magnete ist vorgesehen, diese zwischen Stege des
Trägerrings zu klemmen, wobei zwischen den Magneten und
dem Trägerring ein elastischer Halter vorgesehen ist. Damit
die Magnete, die in axialer Richtung des Trägerrings segmentiert
sein können, formschlüssig in dem Halter aufgenommen
werden, ist eine aufwendige Ausformung der Magnete vorgesehen, sodass
deren Herstellung aufwändig und teuer ist.
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Ein
Synchronmotor mit einem Ankerspulen aufweisenden Anker und einem
Induktor, der Permanentmagnete als Pole aufweist, ist aus der
DE 10 2004 027 036
A1 bekannt. Die einzelnen Permanentmagnete sind mit abwechselnder
Polung auf einem Rotor angeordnet. Die Permanentmagnete weisen eine
Trapezform auf und sind deshalb aufwändig zu fertigen.
Durch die Trapezform können die Magnete bei der Herstellung
des Synchronmotors durch das Spreizen eines Klemmelementes dauerhaft
an dem Rotor befestigt werden.
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Ein
gattungsgemäßer Synchronmotor ist auch aus der
Druckschrift
DE 695
03 521 T3 bekannt, die sich mit dem Problem der auftretenden
Rastmomente und Rastkräfte (Reluktanz-Kräfte)
beschäftigt. Durch eine geeignete Parameterwahl kann bei
dem beschriebenen Synchronmotor auch bei großen Öffnungen
des Ankers erreicht werden, dass die Summe der Rastmomente insgesamt
gering ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Elektromotor, insbesondere
Synchronmotor anzugeben, der leicht zu fertigen ist und gute Betriebseigenschaften
aufweist.
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Ausgehend
von einem Elektromotor mit den eingangs beschriebenen Merkmalen
wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Polelemente jeweils einen typischerweise ferromagnetischen
Träger und zumindest zwei in Bewegungsrichtung des Elektromotors
gesehen hintereinander angeordnete Permanentmagnete aufweisen, die
gegeneinander elektrisch isoliert sind und einen gemeinsamen Magnetpol
bilden. Durch die Segmentierung der einzelnen Magnetpole in Bewegungsrichtung
können die von dem Feld der Ankerspulen erzeugten Wirbelströme
minimiert werden. Die einzelnen, vorzugsweise stabförmigen
Magnete eines Magnetpols sind auf einen gemeinsamen Träger
aufgebracht. Besonders vorteilhaft ist eine Befestigung durch einen
Klebstoff, der auch als elektrische Isolation dient. Die Polelemente
sind zweckmäßigerweise auf einem gemeinsamen Rückflusselement
angeordnet.
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Insbesondere
bei Motoren mit einer großen Leistung und/oder großen
Dreh- oder Stellmomenten werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung
vorzugs weise Permanentmagnete verwendet, die Metalle der Seltenen
Erden enthalten. Die entsprechenden Magnete, wie beispielsweise
Kobalt-Samarium-Magnete oder Neodym-Eisen-Bor-Magnete, werden typischerweise
durch Sintern unter einem Magnetfeld hergestellt. Die eigentliche
Magnetisierung, die vorzugsweise bis zur Sättigung erfolgt,
wird erst nachfolgend in einem separaten Verfahrenschritt durchgeführt.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Elektromotors
ermöglicht bei Hochenergie-Magneten eine besonders einfache
Herstellung der Magnetpole. So können die Polelemente durch
das Befestigen von jeweils zumindest zwei unmagnetisierten oder
nur geringfügig magnetisierten Magneten auf einem Träger
gebildet werden, wobei die Magnete nachfolgend magnetisiert werden
und wobei die magnetisierten Polelemente vorzugsweise unter Verwendung
eine Rückflusselementes zu einem Induktor des Elektromotors
zusammengesetzt werden. Dabei sind die magnetischen Kräfte
bei der Montage der Magnete auf dem Träger vergleichsweise
gering, so dass die einzelnen Magnete leicht und mit einer hohen
Genauigkeit in einem geringen Abstand zueinander angeordnet werden
können. Eine Magnetisierung des gesamten Trägers
erfolgt dann erst, wenn alle Magnete befestigt sind, beispielsweise
nach dem Aushärten eines Klebers.
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Im
Rahmen der Erfindung weisen die Permanentmagnete bevorzugt eine
einfache Quaderform auf. Wenn die Permanentmagnete auf die Träger
aufgeklebt werden sind insbesondere auch keine speziellen Nuten,
Ausnehmungen oder dergleichen erforderlich. Die Permanentmagnete
können so auf besonders einfache Weise und ohne eine Nachbehandlung
aus einem Block geschnitten werden, wodurch eine günstige
Herstellung ermöglicht wird. Die quaderförmigen
Magnete weisen eine Breite b, eine Höhe h und eine Länge
l auf und liegen typischerweise mit einer Breitseite (b·l)
auf den Trägern auf.
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Die
Träger können beispielsweise mit dem Rückflusselement
verklebt oder verschraubt werden. Zwei benachbarte Träger
können sich dabei im Rahmen der Erfindung an ihren Längsrändern
unmittelbar berühren. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass
das Rückflusselement Stege aufweist, zwischen die die Polelemente
bei der Montage eingesetzt werden. Trotz der wirkenden Magnetkräfte
ist so eine leichte und genaue Positionierung möglich. Die
Stege sind üblicherweise kurz im Vergleich zu der Gesamthöhe
der Polelemente, um einen erhöhten magnetischen Fluss durch
die Stege zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß können
die Träger massiv ausgeführt oder aus geschichteten
Blechen gebildet sein. Wenn die Träger aus mehreren geschichteten Blechen
gebildet sind, können die in den Trägern auftretenden
Wirbelströme minimiert werden. Aufgrund ihrer elektrischen
und mechanischen Eigenschaften sind im besonderen Maße
Elektrobleche für die Träger geeignet. Bevorzugt
ist vorgesehen, dass die einzelnen Schichten der Träger
jeweils aus mehreren Blechen gebildet sind, wobei die Bleche der
aufeinander folgenden Schichten mit einem Versatz aufgeschichtet
sind. Die Bleche werden vorzugsweise durch einen Klebstoff zu den
Trägern zusammengefügt.
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Der
Elektromotor kann ohne Einschränkung als Linearmotor oder
als Rotationsmotor ausgeführt sein, wobei der Induktor
bei einem Rotationsmotor innen- oder außenliegend angeordnet
sein kann und wobei der Rotationsmotor ein Innen- oder Außenläufer
sein kann.
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Bei
einer Ausgestaltung als Rotationsmotor ist vorzugsweise vorgesehen,
dass die Polelemente an ihrer dem Anker zugewandten Seite eine Stufenform
aufweisen. Die Stufenform kann dabei zweckmäßigerweise
zumindest in etwa an die Krümmung des Ankers angepasst
sein. Die Stufenform kann durch eine Abstufung des Trägers
und/oder durch eine unterschiedliche Höhe der Permanentmagnete eines
Polelementes erzeugt werden. Bei einer gestuften Ausführung
des Trägers kann dieser ohne Einschränkung wie
zuvor beschrieben massiv oder aus geschichteten Blechen gebildet
sein. Durch die beschriebene Ausgestaltung kann ohne eine aufwendige
Form der Magnete der Spalt zwischen dem Anker und den Polelementen
gering gehalten werden. Die Magnete sind dabei vorzugsweise als
quaderförmige Stäbe ausgebildet, wobei die Magnete
mit einer Breitseite (l·b) auf dem Träger aufliegen
und wobei die Länge l üblicherweise größer
ist als die Breite b und die Höhe h. b und h können
beispielsweise zwischen 5 mm und 25 mm und l zwischen 20 mm und 150
mm liegen.
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Die
Anzahl der Permanentmagnete, die auf einen Träger aufgebracht
werden, ist im Rahmen der Erfindung nicht eingeschränkt.
Wenn die Polelemente eine Stufenform aufweisen sind auf jedem Träger zumindest
drei Permanentmagnete und üblicherweise auch ein symmetrischer
Querschnitt der Polelemente vorgesehen. Vorzugsweise können
auch Permanentmagnete mit standardisierten Maßen kombiniert
werden. In Längsrichtung können vorzugsweise zumindest
zwei Magnete hintereinander angeordnet sein, wobei durch die Segmentierung
in Längsrichtung eine zusätzliche Reduzierung
der Wirbelstromverluste in den Magneten erreicht werden kann. So können
beispielsweise Träger mit einer Länge von 50 mm
oder 100 mm aus zwei oder vier Magneten mit jeweils einer Länge
von 25 mm gebildet werden. Durch die Anordnung von in Längsrichtung
zwei oder mehr Magneten hintereinander können auch ohne
Weiteres Rotationsmotoren mit einer großen Achslänge gebildet
werden.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es auch möglich in Längsrichtung
zumindest zwei Träger vorzusehen, wobei durch einen gewissen
Versatz und eine Verkippung der hintereinander angeordneten Träger auch
die Rastmomente vorteilhaft beeinflusst werden können.
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Durch
die Anordnung der Permanentmagnete auf einem Träger und
durch den Einsatz von Permanentmagneten mit unterschiedlichen Abmessungen
und/oder mit einer unterschiedlichen Stärke kann der Feldverlauf
in Bewegungsrichtung entsprechend der Erfordernisse in einem weiten
Rahmen variiert werden.
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Die
Wicklungen der Ankerspulen sind in Nuten des Ankers aufgenommen,
wobei die Nuten durch Zähne voneinander getrennt sind.
Um die Rastmomente gering zu halten sind aus der Praxis Anker bekannt,
deren Zähne sich zu ihren Enden verbreitern, wobei die
Nuten zwischen den Zahnenden in einen schmalen Spalt münden.
Bei der Herstellung der Ankerspulen werden die einzelnen Wicklungen durch
die Spalte in die Nuten eingelegt, weshalb ein erhöhter
Aufwand erforderlich ist. Durch die vorliegende Erfindung können
die Polelemente so ausgeführt werden, dass auch bei großen Öffnungen
des Ankers die Summe der Rastmomente insgesamt gering gehalten werden
kann. Es ist deshalb möglich die Ankerspulen zunächst
zu wickeln und dann in entsprechend weit geöffnete Nuten
einzusetzen. Da das von den Polelementen erzeugte Magnetfeld durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung in einem weiten
Bereich variiert werden kann, verbleiben auch weitere konstruktive
Freiheiten. Im Gegensatz zu der aus der
DE 695 03 521 T3 bekannten
Ausgestaltung unterliegen auch die Polbedeckung, das Verhältnis der
Polteilung zu der Zahnteilung und das Verhältnis der Nutbreite
zu der Zahnbreite keinen engen Vorgaben, da je nach Ausgestaltung
eine Anpassung des von den Polelementen erzeugten Magnetfelds möglich
ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
schematisch:
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1 Eine
schematische Darstellung eines als Rotationsmotor ausgeführten
Synchronmotors,
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2 ein
aus einem Träger und Permanentmagneten gebildetes Polelement,
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3a und 3b eine
alternative Ausgestaltung des Trägers,
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4 eine
alternative Ausgestaltung eines Polelementes,
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5 eine
weitere Ausgestaltung eines Polelementes,
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6 ein
Rückflusselement mit darauf angeordneten Polelementen,
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7a bis 7d alternative
Ausgestaltungen eines Ankers für einen Linearmotor.
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1 zeigt
einen als Innenläufer ausgeführten Synchronmotor.
Der Rotor 1 ist von einem Ankerspulen 2 aufweisenden
Anker 3 umgeben und weist insgesamt zwölf Polelemente 4 auf,
die auf ein zweigeteiltes Rückflusselement 5 aus
Eisen oder einer Eisenlegierung aufgeklebt sind. Die einzelnen Polelemente 4 sind
jeweils aus einem Träger 6 und zumindest zwei
in Bewegungsrichtung des Elektromotors gesehen hintereinander angeordneten
Permanentmagneten 7 gebildet. Die Permanentmagnete 7 eines
Polelementes 4 weisen die gleiche Magnetisierungsrichtung
M auf und bilden einen gemeinsamen Magnetpol. Die Permanentmagnete 7 sind
untereinander elektrisch isoliert, sodass auftretende Wirbelströme
minimiert werden können.
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2 zeigt
ein Polelement 4 mit vier Permanentmagneten 7 in
einer Detailansicht. Das Polelement 4 ist für
einen Rotationsmotor vorgesehen, wobei die dem Anker 3 zugewandte
Seite eine Stufenform aufweist. Wie auch in 1 zu erkennen
ist, kann durch die Stufenform der Spalt zwischen den Polelementen 4 und
dem Anker 3 gering gehalten werden. Der 2 ist
zu entnehmen, dass die Permanentmagnete 7 eine einfache
Quaderform ohne Nuten und Ausneh mungen aufweisen und so besonders
leicht gefertigt werden können. Der Träger 6 ist als
ebene, massive Platte ausgeführt, wobei die Stufenform
der in einer gleichen Richtung magnetisierten Permanentmagnete 7 durch
eine unterschiedliche Höhe h1,
h2 der einzelnen Permanentmagnete 7 erzeugt
wird. Um mit Permanentmagneten 7, die eine Standardabmessung
aufweisen, Motoren mit einer großen axialen Länge
zu fertigen, können zumindest zwei Permanentmagnete 7 in
Längsrichtung hintereinander angeordnet werden. Die Isolation
der Permanentmagnete 7 gegeneinander und die Befestigung
auf dem Träger 6 kann durch einen Klebstoff erfolgen.
Vorzugsweise werden die Permanentmagnete 7 vor ihrer endgültigen
Magnetisierung auf den Träger 6 aufgebracht, da
dann nur vergleichsweise geringe Wechselwirkungskräfte
zwischen den einzelnen Permanentmagneten 7 auftreten.
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Die 3a und 3b zeigen
eine bevorzugte Ausgestaltung eines ebenen Trägers 6,
der aus geschichteten Blechen, vorzugsweise Elektroblechen 8 gebildet
ist, in einer perspektivischen Ansicht und in einer Seitenansicht.
Die einzelnen in Richtung der Höhe h übereinander
geschichteten Ebenen sind jeweils in Richtung der Breite b und der Länge
l in mehrere Elektrobleche 8 segmentiert, wobei die Bleche
der einzelnen Lagen mit einem Versatz aufeinander geschichtet sind.
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4 zeigt
eine Ausgestaltung eines Polelementes 4 mit vier Permanentmagneten 7,
bei der alle Permanentmagnete 7 die gleiche Quaderform
aufweisen und eine Stufenform durch die Ausgestaltung des aus Elektroblechen 8 gebildeten
Trägers 6 erreicht wird. Typischerweise liegen
die Höhe h und die Breite b der einzelnen Permanentmagnete
zwischen 5 mm und 25 mm und die Länge l zwischen 20 mm und
150 mm. Insbesondere, wenn bei einem Rotationsmotor die Stufenform
durch die Ausgestaltung des Trägers erreicht wird, können
besonders kostengünstig erhältliche Standardmaße
(beispielsweise h × b × l = 6 × 5 × 25
mm) eingesetzt werden.
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5 zeigt
eine Ausgestaltung eines Polelementes 4 mit einer ebenen
Oberfläche. Entsprechende Polelemente 4 sind insbesondere
für Linearmotoren oder Rotationsmotoren mit großen
Krümmungsradien geeignet. Das Polelement 4 weist
einen Träger 6 aus geschichteten Elektroblechen 8 und
eine Vielzahl von Permanentmagneten 7 mit unterschiedlicher
Breite auf. Durch die Auswahl und Anordnung der einzelnen Permanentmagnete 7 kann
der Feldverlauf in dem Elektromotor in einem großen Maße variiert
werden.
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Während
bei der Ausgestaltung gemäß der 1 sich
zwei benachbarte Polelemente 4 an der Längsseite
ihrer Träger 6 berühren, sind bei dem
in 6 dargestellten Rückflusselement 5 Stege 9 vorgesehen.
Bei der Montage werden dann die einzelnen Polelemente 4 in
die Zwischenräume zwischen den Stegen 9 eingeführt,
sodass auf besonders einfache Weise eine genaue Montage möglich
ist. Die Stege 9 werden zweckmäßig möglichst
kurz ausgeführt, um den magnetischen Fluss in den Stegen 9 möglichst
gering zu halten. Eine Stufenform der Oberseite der Polelemente 4 wird
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine unterschiedliche Höhe
der Permanentmagnete 7 erreicht, die auch eine unterschiedliche
Breite aufweisen.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann auch bei großen Öffnungen
des Ankers 3 erreicht werden, dass die Summe der Rastmomente
insgesamt gering ist. So zeigen die 7a bis 7d Ausgestaltungen eines Ankers 3 für
einen Linearmotor mit im Wesentlichen geraden Zähnen 10.
Durch die großen Öffnungen der Nuten 11 können
die Ankerspulen 2 vorgewickelt und nachfolgend in die Nuten 11 eingesetzt
werden. Vorzugsweise sind auch die Ankerspulen 2 abschließende
Nutabdeckungen 12, beispielsweise aus einem ferromagnetischen
Verbundstoff, vorgesehen. Neben den dargestellten Ankergeometrien
für einen Linearmotor sind entsprechend weit geöffnete
Nuten 11 auch bei einem Rotationsmotor möglich.
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Um
die mechanische Belastbarkeit insbesondere in Bezug auf die Fliehkraftbeanspruchung bei
hohen Drehzahlen eines Rotationsmotors zu erhöhen kann
der gesamte Rotor 1 von in den Zeichnungen nicht dargestellten
Bandagen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK)
umwickelt sein, die mit Epoxydharz getränkt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19705432
A1 [0002]
- - DE 102004027036 A1 [0003]
- - DE 69503521 T3 [0004, 0016]