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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Stator an dem mindestens eine Spule zur Erzeugung eines kommutierten magnetischen Drehfeldes ausgebildet ist und einem Rotor auf dem mindestens ein permanentmagnetisches Element ausgebildet ist, wobei der Rotor drehbar auf einer Achse gelagert ist und wobei zwischen dem kommutierten magnetischen Drehfeld und dem Magnetfeld des permanentmagnetischen Elementes eine Kraft wirkt, die den Rotor um seine Achse dreht.
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Elektromotoren der eingangs genannten Art sind bekannt und sie werden vielfältig verwendet. Dabei gibt es unterschiedliche Methoden zur Befestigung der permanentmagnetischen Elemente auf dem Rotor. Zum Beispiel ist es bekannt, die permanentmagnetischen Elemente vollständig mit einem Kunststoff zu umspritzen und so auf dem Rotor zu fixieren. Dabei wird jedoch der Abstand zwischen den permanentmagnetischen Elementen und den Spulen auf dem Stator vergrößert, wodurch die Kraft, die zwischen den Magnetfeldern von den Spulen und denen von den permanentmagnetischen Elementen entsteht, verringert wird. Zusätzlich zu der Umspritzung aus Kunststoff muss zwischen dem inneren Durchmesser des Stators und dem äußeren Durchmesser des Rotors immer noch ein Luftspalt verbleiben, der die unvermeidlichen Produktions- und Lagertolleranzen ausgleicht. Das Lager auf der Achse der Rotors, das die Drehung des Rotors erlaubt, ist nicht völlig Spielfrei herstellbar und im laufe des Betriebes des Elektromotors kann sich diese Lagerspiel auch noch vergrößern. Daher ist im Elektromotor immer ein Luftspalt zwischen dem inneren Durchmesser des Stators und dem äußeren Durchmesser des Rotors notwendig. Die vollständige Umspritzung des Rotors mit Kunststoff zur Fixierung der permanentmagnetischen Elemente verringert damit die Leistungsfähigkeit des Elektromotors.
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Die permanentmagnetischen Elemente können auch auf dem Rotor aufgeklebt werden. Dies ist jedoch ein sehr schwieriger und damit teuerer Prozess, der zudem oft zu ungenügenden Ergebnissen führt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Elektromotor anzugeben, bei dem das mindestens ein permanentmagnetisches Element kostengünstig und langzeitstabil auf dem Rotor befestigt ist, wobei die vom Elektromotor erzeugten Drehmomente möglichst groß sein sollen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
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Dadurch, dass das mindestens eine permanentmagnetische Element in seiner axialen Ausdehnung über den Stator hinaus ragt, wobei ausschließlich der über den Stator hinausragende Teil des permanentmagnetischen Elementes von einer Überspritzung aus einem Kunststoff überzogen ist, wobei diese Überspritzung das permanentmagnetischen Element in seiner Lage am Rotor fixiert, kann der Abstand zwischen der Spule auf dem Stator und dem permanentmagnetische Element auf dem Rotor besonders gering gestaltet werden. Damit wird die Leistungsfähigkeit des Elektromotors erhöht, da er durch die aufeinander wirkenden Felder mit höherer Feldstärke (nahe an der Spule und an dem permanentmagnetischen Element ist die Magnetfeldstärke höher als bei größerem Abstand) zum Beispiel ein größeres Drehmoment erzeugen kann.
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Bei einer Weiterbildung ragt das permanentmagnetische Element in seiner axialen Ausdehnung beidseitig über den Stator hinaus, wobei ausschließlich die über den Stator hinausragenden Teile des permanentmagnetischen Elementes von der Überspritzungen aus Kunststoff überzogen sind und wobei diese Überspritzungen das permanentmagnetische Element in seiner Lage am Rotor fixieren. Durch die beidseitige Überspritzung der über den Stator hinausragenden Teile der permanentmagnetischen Elemente werden diese besonders gut fixiert, was eine lange Lebensdauer es Elektromotors ermöglicht, Durch diesen symmetrischen Aufbau des Rotors wird ein besonders guter Lauf des Elektromotors gewährleistet.
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Wenn der äußere Durchmesser der Überspritzung zumindest an einer Seite des Rotors maximal dem inneren Durchmesser des Stators entspricht, kann der mit den permanentmagnetischen Elementen bestückte Rotor problemlos in den Stator geschoben werden. Dabei wird die gesamte Überspritzung Durch den Stator geschoben bis sie aufgrund der axialen Ausdehnung der permanentmagnetischen Elemente auf der anderen Seite des Sators aus diesem wieder Austritt. Nach dem Austritt der Überspritzung aus dem Rotor verbleibt im Rotor lediglich der notwendige Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, wobei der Luftspalt notwendig ist, um zum Beispiel Lagertolleranzen auszugleichen.
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Bei einer Ausgestaltung ist die Überspritzung einstückig mit Stegen ausgebildet, wobei die Stege im Rotor verankert sind und somit das mindestens eine permanentmagnetische Element zusätzlich fixieren. Hierdurch entsteht aus der Überspritzung und den Stegen ein einstückiger Käfig, der die permanentmagnetischen Elemente hervorragend fixiert und damit eine sehr genaue Lagekontrolle der permanentmagnetischen Elemente auf dem Rotor ermöglicht.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Verankerung der Stege als Hinterschnitt ausgebildet ist. Durch diese Ausbildung der Verankerung wird mit dem Spritzgießen eine feste und sichere Fixierung der Stege und somit des gesamten Käfigs aus der einstückigen Kombination der Stege und der Überspritzung erreicht.
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Bei einer Weiterbildung wird die zumindest eine Überspritzung als Einbauhilfe des Rotors in den Stator verwendet. Da der Rotor mit permanentmagnetischen Elementen versehen ist, wird er von dem Metall des Satotrs angezogen. Wenn die permanentmagnetischen Elemente gegen den Stator schlagen ist der Einbauvorgang misslungen und der Elektromotor ist in der Regel unbrauchbar geworden. Hier kann die Überspritzung als Einbauhilfe genutzt werden, da sie den Abstand zwischen den permanentmagnetischen Elementen und dem Stator so lange garantiert, bis der Rotor in sein Lager geglitten ist und dann dadurch auf seiner Drehachse gehalten wird.
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Wenn das permanentmagnetische Element quaderförmig ausgebildet ist, ist es sehr leicht und kostengünstig herstellbar. Gegenüber zylinderschalenförmig ausgestaltetem permanentmagnetischen Element ist das quaderförmig ausgebildete permanentmagnetische Element auch qualitativ überlegen, da sich das permanentmagnetische Feld des quaderförmig ausgebildeten permanentmagnetischen Elements homogener gestalten läset.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
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1: einer Elektromotor,
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2: den Aufbau des Rotors,
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3: einen seitlichen Schnitt des Rotors,
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4: einen Schnitt durch den Rotor entlang der Linie D-D,
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5 einen Schnitt durch den Rotor entlang der Linie A-A,
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6: einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Elektromotors,
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7: einen Elektromotor 1 nach dem Stand der Technik.
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1 zeigt einen Elektromotor 1 mit einem Stator 2 und einem Rotor 4. An dem Stator 2 sind Spulen 3a angebracht; die mit einem kommutierten elektrischen Strom bestromt werden könen womit ein magnetisches Wechselfeld erzeugt werden kann. Der Rotor 4 ist drehbar auf einer Achse 6 gelagert und er weist permanentmagnetische Elemente 5 auf Diese permanentmagnetischen Elemente 5 werden auf dem Rotor 4 durch eine Überspritzung 8 gehalten. Dazu ragt das mindestens eine permanentmagnetische Element 5 in seiner axialen. Ausdehnung 7 über den Stator 4 hinaus. Die Überspritzung 8 umschließt nur den Teil der permanentmagnetischen Elemente 5, der über den Stator 2 hinausragt. Durch diese Bauweise des Stators 2 kann der Abstand zwischen den permanentmagnetischen Elementen 5 und dem Stator 2 besonders gering gestaltet werden. Dieser Abstand beschränkt sich hier auf den Luftspalt, der zwischen dem Stator und dem Rotor 4 vorhanden sein muss, um das Lagerspiel des Rotors 4 und die Fertigungstoleranzen des Stators 2 und des Rotors 4 auszugleichen.
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Der Aufbau des Rotors 4 wird in 2 näher dargestellt. Zu erkennen ist eine Vielzahl permanentmagnetischer Elemente 5, die auf der zylindrischen Außenfläche des Stators 2 angeordnet sind. Hier sind die permanentmagnetischen Elemente 5 quaderförmig ausgebildet. Der Teil der permanentmagnetischen Elemente 5, der in seiner axialen Ausdehnung 7 über, den Stator 2 hinausragt, ist von einer Überspritzung 8 aus Kunststoff überzogen. Diese Überspritzung 8 aus Kunststoff fixiert die permanentmagnetischen Elemente 5 auf der Mantelfläche des zylindrischen Rotors 4. Zwischen den permanentmagnetischen Elementen 5 sind Stege 11 zu erkennen, die eine weitere Fixierung der permanentmagnetischen Elemente 5 am Rotor 4 ermöglichen. Weiterhin ist in 2 der äußere Durchmesser 9 des Rotors 4 dargestellt. Der äußere Durchmesser 9 des Rotors 4 wird aus dem mit den permanentmagnetischen Elementen 5 bestückten Rotor 4 und der über die permanentmagnetichen Elemente 5 gezogenen Überspritzung 8 gebildet. Dieser äußere Durchmesser 9 des Rotors 4 darf maximal dem inneren Durchmessers 10 des Stators 2 entsprechen, damit der Rotor in den Stator 2 bei der Montage geschoben werden kann. Zum Einführen des Rotors 4 in den Stator 2 ist es jedoch lediglich notwendig, dass die eine Seite des Rotors 4 bezüglich ihres äußeren Durchmessers 9 dem inneren Durchmessers 10 des Stators entspricht. Es kann vorteilhaft sein, wenn die andere Seite des Rotors 4 bezüglich ihres äußeren Durchmessers 9 das Maß des inneren Durchmessers 10 des Stators 2 überschreitet, denn dann kann der Rotor 4 nur bis zu diesem Punkt in den Stator 2 geschoben werden. Die Seite, des Rotors 4 deren äüßerer Durchmesser 9 maximal dem inneren Durchmesser 10 des Stators 2 entspricht kann als Montagehilfe für den Elektoromotor 1 genutzt werden, da der Rotor 4 durch die Überspritzung 8 beim Einschieben in den Stator 2 von den permanentmagnetiechen Elementen 5 nicht gegen den Stator 2 gezogen werden kann.
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3 zeigt einen seitlichen Schnitt durch, den Rotor 4. Der Rotor 4 ist auf der Achse 6 mit einem hier nicht dargestelltes Lager gelagert. Auf dem Rotor 4 sind die permanentmagnetischen Elemente 5 zu erkennen, die hier quaderförmig ausgefuhrt sind. Die permanentmagnetischen Elemente 5 weisen eine axiale Ausdehnung 7 auf. Diese axiale Ausdehnung 7 erstreckt sich über die Ausdehnung des Stators 2 hinaus. Der Teil der permanentmagnetischen Elemente 5, der sich über die Ausdehnung des Stators 2 hinaus erstreckt, ist mit einer Überspritzung 8 versehen, Diese Überspritzung 8 besteht in der Regel aus einem Kunststoff. Die Kombination des Rotors 4 mit den darauf angebrachten permanentmagnetischen Elementen 5 und der Überspritzung 8 der permanentmagnetischen Elemente 5 umfasst einen äußeren Durchmesser 9, der zumindest an einer Seite des Rotors 4 maximal dem inneren Durchmesser 10 des Stators 2 entsprechen darf. Durch die Abbildung in 3 sind zwei Schnitte gelegt entlang der Linie A-A und der Linie D-D, deren Darstellung in den nachfolgenden 4 und 5 beschrieben wird.
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4 zeigt einen Schnitt durch den Rotor 4 entlang der Linie D-D aus 3. Zu erkennen ist wiederum der Rotor 4, auf dem die quaderförmigen permanentmagnetischen Elemente 5 angeordnet sind. Diese permanentmagnetischen Elemente sind von einer Überspritzung 8 umfasst. Die Überspritzung 8 fixiert die permanentmagnetischen Elemente 5 auf dem Rotor 4. Zusätzlich ist die Überspritzung 8 einstückig mit Stegen 11 ausgebildet, die zwischen den permanentmagnetischen Elementen 5 in den Rotor 4 eingreifen. Um die Stege 11 im Rotor 4 optimal zu fixieren, sind Hinterschnitte 12 im Rotor angelegt, in die das Kunststoffmaterial während der Ausbildung der Stege 11 hineinfließt und die die Wirkung einer zusätzlichen Verankerung der Stege im Rotor 4 haben. Deutlich zu erkennen ist, dass die Überspritzung 8 einstückig mit den Stegen 11 ausgebildet ist, wobei die Überspritzung 8 zusammen mit den Stegen 11 einen Käfig bilden, in dem die permanentmagnetischen Elemente 5 sicher und dauerhaft gelagert sind.
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In 5 ist der Schnitt nach der Linie A-A aus 3 dargestellt. Auch hier ist der Rotor 4 zu erkennen, auf dem die permanentmagnetischen Elemente 5 durch die Überspritzung 8 fixiert sind. Zudem sind wiederum die Stege 11 zu erkennen, die einstückig mit der Überspritzung 8 ausgebildet sind und die in Hinterschnitte 12 eingreifen, womit wiederum der Käfig aus Überapritzungen 8 und Stegen 11 einen sicheren Halt für die permanentmagnetischen Elemente 5 gewährleistet.
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6 zeigt noch einmal schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Elektromotors 1 in einer Schnittdarstellung. Zu erkennen ist der Stator 2 und der Rotor 4. Auf dem Rotor 4 sind die permanentmagnetischen Elemente 5 gelagert. Die permanentmagnetischen Elemente 5 ragen in ihrer axialen Ausdehnung über den Stator 2 hinaus. Nur der über den Stator 2 hinausragende Teil der permanentmagnetischen Elemente 5 ist von einer Überspritzung 8 aus einem Kunststoff überzogen Diese Überspritzung 8 fixiert die permanentmagnetischen Elemente 5 in ihrer Lage auf dem Rotor 4. Dadurch, dass im Bereich des Stators 2 keine Umspritzung mit Kunststoff der permanentmagnetischen Elemente 5 erfolgt, kann der Luftspalt 13, direkt zwischen dem Stator 2 und dem permanentmagnetiechen Element 5 ausgebildet werden. Hierdurch ist der Abstand zwischen dem Stator 2 und dem permanentmagnetischen Element 5 besonders gering, was zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Elektromotors 1 führt.
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Die vom Stator 2 ausgehenden magnetischen Felder können durch die geringe Entfernung zu den permanentmagnetischen Elementen 5 eine wesentlich größere Kräfte und damit Drehmomente im Elektromotor 1 erzeugen, als bei den Lösungen nach dem Stand der Technik, von denen in 7 eine beispielhaft dargestellt ist.
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In 7 wird ein Elektromotor 1 nach dem Stand 4 der Technik gezeigt. Auch hier ist ein Stator 2 zu erkennen und ein Rotor 4. Auf dem Rotor 4 sind permanentmagnetische Elemente 5 angeordnet. Diese permanentmagnetischen Elemente 5 sind von einer Umspritzung 14 aus Kunststoff umgeben. Es sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen dieser Patentanmeldung zwischen einer Überspritzung 8 und einer Umspritzung 14 unterschieden wird. Die Überspritzung 8, wie sie in 6 dargestellt ist, überdeckt nur die Teile des mindestens einen permanentmagnetischen Elementes 5, die über den Stator 2 hinausreichen. Die Umspritzung 14, wie sie in 7 gezeigt wird überdeckt die permanentmagnetischen Elemente 5 vollständig. Durch diese vollständige Überdeckung der permanentmagnetischen Elemente 5 mit der Umspritzung 14 vergrößert sich der Abstad zwischen den permanentmagnetischen Elemente 5 und dem Stator 2 zumindest um die Dicke der Umspritzung 14. Damit setzt sich der Abstand zwischen dem Stator 2 und den permanetmagnetischen Elementen 5 aus der Dicke der Umspritzung 14 und dem notwendigen Luftspalt 13 zusammen. Da die Feldstärke eines Magnetfeldes mit dem Abstand zu seiner Quelle abnimmt, wird durch die Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Stator 2 und den permanentmagnetischen Elementen 5, die vom Elektromotor 1 erzeugte Kraft verringert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Stator
- 3
- Spule
- 4
- Rotor
- 5
- permanentmagnetisches Element
- 6
- Achse
- 7
- axiale Ausdehnung
- 8
- Überspritzung
- 9
- äußerer Durchmesser
- 10
- innerer Durchmesser
- 11
- Steg
- 12
- Hinterschnitt
- 13
- Luftspalt
- 14
- Umspritzung
