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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Elektromotoren, insbesondere Elektromotoren, deren Statorpole in einer Folgepolanordnung angeordnet sind.
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Stand der Technik
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Elektromotoren sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Varianten bekannt. Eine Gruppe von Elektromotoren stellen die bürstenkommutierten Gleichstrommotoren dar, bei denen Statorpole durch Permanentmagnete ausgebildet sind, um einen mit einer Läuferwicklung versehenen Läufer drehbar um die (bei Außenläufermotoren) oder in der (bei Innenläufermotoren) Statoranordnung vorzusehen.
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Die Statorpole der Statoranordnung können nur zum Teil mit Permanentmagneten ausgebildet sein. Insbesondere kann bei einer Folgepolanordnung nur jeder zweite Statorpol in Umfangsrichtung mit einem Permanentmagneten versehen sein. Die übrigen, dazwischenliegenden Statorpole können durch einen magnetisch leitfähigen Polschuh ohne Permanentmagneten gebildet werden. Der Polschuh steht dann z. B. über ein Polgehäuse der Statoranordnung mit den Magnetpolen der Permanentmagneten in magnetisch leitender Verbindung, die den Magnetpolen gegenüberliegen, die in Richtung des Läufers ausgerichtet sind.
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Bei Statoranordnungen mit Statorpolen in einer Folgepolanordnung tritt der von den Permanentmagneten erzeugte magnetische Fluss in der Regel fast vollständig über die Läuferzähne des Läufers in den Anker ein und durchdringt die auf dem Läufer angeordnete Läuferwicklung. Ein Großteil dieses magnetischen Flusses gelangt über den Anker zu den Folgepolen der Statoranordnung. Ein nicht zu vernachlässigender Anteil des von dem Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flusses tritt jedoch an den Stirnflächen des Läufers in axialer Richtung aus und wird so nicht mit den Läuferspulen der Läuferwicklung verkettet, die den den Folgepolen zugewandten Läuferzähnen zugeordnet sind. Dieser Anteil des magnetischen Flusses wird Streufluss genannt, bildet kein Drehmoment und reduziert daher den Wirkungsgrad.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, bei dem trotz des aufgrund der Folgepolanordnung hervorgerufenen Streuflusses an Stirnseiten des Läufers ein relativ hoher Wirkungsgrad des Elektromotors erreicht werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch den Elektromotor gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein rotatorischer Elektromotor vorgesehen. Der Elektromotor umfasst:
- – eine Statoranordnung mit Statorpolen, die Permanentmagnet-Statorpole und Folgepole in einer Folgepolanordnung umfassen; und
- – einen Läufer mit einem Anker aus magnetisch leitfähigem Material,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der axialen Länge des Ankers des Läufers und einem Durchmesser des Ankers des Läufers zwischen 1 und 2 liegt.
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Eine Idee für die Gestaltung eines Elektromotors mit einem optimierten Wirkungsgrad besteht darin, zum einen den Anteil des Streuflusses an dem gesamten in den Anker eingekoppelten magnetischen Fluss zu reduzieren und zum anderen eine größtmögliche Effizienz hinsichtlich der Flussverkettung zwischen Läufer und Statorpol bezüglich des ohmschen Widerstands der Läuferwicklung des Läufers zu erreichen. Insbesondere wird die maximale Flussverkettung bei minimalem elektrischen Widerstand durch einen quadratischen bzw. kreisförmigen Spulenquerschnitt erreicht. Da die Spulenseiten in Richtung einer Umfangsrichtung im Läufer kleiner sind als die axiale Länge des Läufers, ergeben sich so optimale axiale Längen des Läufers, die kleiner sind als der Läuferdurchmesser. Mit größer werdender Polpaarzahl des Läufers und somit kleinerem Wickelschritt wird das für die maximale Flussverkettung optimale Längen-Durchmesser-Verhältnis des Läufers noch kleiner. Wie oben beschrieben, ist bei Folgepolmotoren der Streufluss über die Stirnseiten des Läufers nicht vernachlässigbar und vergrößert sich hin zu kleinen Längen-Durchmesser-Verhältnissen, was zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades führt. Aus diesem Grund führt eine Verkleinerung des Längen-Durchmesser-Verhältnisses insbesondere bei Motordesigns mit größerer Polpaarzahl im Läufer zu einem verschlechterten Wirkungsgrad hinsichtlich des genutzten magnetischen Flusses.
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Es wurde festgestellt, dass für verschiedenartige Folgepolmotoren das Optimum des Längen-Durchmesser-Verhältnisses des Läufers stets zwischen 1 und 2 liegt. Das heißt, der Wirkungsgrad des Elektromotors kann optimiert werden, da eine hohe Flussverkettung mit geringem ohmschen Widerstand der Läuferspulen bei gleichzeitig geringem Streufluss erreicht wird.
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Weiterhin kann die Statoranordnung vierpolig ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Läufer mit vier oder sechs Läuferzähnen ausgebildet sein. Alternativ kann die Anzahl der Läuferzähne 10 oder mehr betragen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Elektromotor einem bürstenkommutierten Gleichstrommotor entsprechen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen vierpoligen Folgepolmotor mit Innenläufer;
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2 eine schematische Querschnittsdarstellung entlang einer achsparallelen Ebene durch den Folgepolmotor der 1; und
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3 ein Diagramm zur Darstellung der Verläufe des Wirkungsgrads, abhängig von einem Längen-Durchmesser-Verhältnis eines Läufers eines vierpoligen Elektromotors mit Folgepolanordnung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Elektromotors 1, der als bürstenkommutierter Gleichstrommotor ausgebildet ist. Der Elektromotor 1 weist ein magnetisch leitfähiges Polgehäuse 2 als Statoranordnung auf, in dem vier Statorpole ausgebildet sind. Das Polgehäuse 2 ist aus einem magnetisch leitenden Material gefertigt und hat eine im Wesentlichen zylindrische Form mit einer Innenausnehmung, in der ein Läufer 6 (Innenläufer) angeordnet ist. Andere Ausführungsformen können auch eine Statoranordnung mit nach außen weisenden Statorpolen vorsehen, um die ein Außenläufer anordenbar ist.
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Der Läufer 6 ist mit seinem Anker an einer Welle angeordnet, die sich entlang einer Mittenachse A erstreckt und drehbar gelagert ist. Der Anker des Läufers 6 trägt eine Läuferwicklung 9, deren Läuferspulen um Läuferzähne 5 des Ankers gewickelt sind. Ein nicht gezeigter Kommutator dient dazu, die Läuferspulen zu bestromen. Der Kommutator ist so ausgebildet, dass die Bestromung der Läuferspulen so erfolgt, dass die Läuferzähne 5 ein magnetisches Feld erzeugen, das zum Antreiben des Läufers 6 in einer gewünschten Drehrichtung führt.
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Das Polgehäuse 2 weist zwei einander gegenüberliegende Permanentmagnet-Statorpole P auf, die mit Permanentmagneten 3 ausgebildet sind. Die Permanentmagnet-Statorpole liegen einander bezüglich der Mittenachse A gegenüber und die Permanentmagnete 3 weisen eine gleiche magnetische Polung in Richtung der Mittenachse A auf. Beispielsweise können die zur Mittenachse A gerichteten Magnetpole der Permanentmagneten 3 einem magnetischen Nordpol entsprechen.
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Das Polgehäuse 2 weist weiterhin zwei einander gegenüberliegende Folgepole 4 auf, die nicht mit Permanentmagneten ausgebildet sind. Die Folgepole 4 können mit einem Polschuh ausgebildet und durch einen magnetisch leitfähigen Bereich des Polgehäuses 2 definiert sein. Der Polschuh bildet eine Kontur nach, die der Bewegungsbahn einer dem Polgehäuse 2 zugewandten Fläche im Wesentlichen entspricht.
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Die Folgepole 4 stehen über das magnetisch leitfähige Polgehäuse 2 in magnetischer Verbindung zu den Magnetpolen der Permanentmagneten 3 der Permanentmagnet-Statorpole (P), die den zum Läufer 6 weisenden Magnetpolen gegenüberliegen. Die Polschuhe der Folgepole 4 weisen eine zu dem Läufer 6 gerichtete Fläche auf, die durch ihre Nähe zu dem Anker des Läufers 6 magnetisch wirksam mit diesem gekoppelt ist.
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In 2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung durch den Elektromotor 1 der 1 dargestellt, bei der die Querschnittsebene parallel zur Mittenachse A verläuft. Man erkennt in 2 insbesondere die Stirnseiten S des Läufers, durch die, wie eingangs beschrieben, ein Anteil des durch die Permanentmagnete eingekoppelten magnetischen Flusses ungenutzt als Streufluss austreten kann. Die Höhe des Streuflusses bzw. der Anteil des Streuflusses an dem gesamten durch die Permanentmagnete 3 bereitgestellten Fluss ist ein Streufluss-Faktor Ws, der den Gesamtwirkungsgrad W des Elektromotors 1 bestimmt. Der Anteil des Streuflusses an dem gesamten von den Permanentmagneten 3 in den Anker des Läufers 6 eingekoppelten magnetischen Fluss hängt von der Länge des Läufers 6, insbesondere von der Länge l des Ankers ab.
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Ein weiterer Aspekt, der den Wirkungsgrad des Elektromotors 1 bestimmt, ist die Flussverkettung bezüglich des ohmschen Widerstands der Läuferwicklung. Diese ist bei einem quadratischen, bzw. kreisförmigen Spulenquerschnitt optimal, da dort ein möglichst große, von den Läuferspulen 9 der Läuferwicklung umschlossene Fläche bei geringem ohmschen Widerstand erreicht wird. Weicht im Falle des Ankers des Elektromotors 1 die Spulengeometrie von dem quadratischen Spulenquerschnitt in Richtung rechteckiger Spulenquerschnitte ab, so reduziert sich der Gesamtwirkungsgrad des Elektromotors 1 ebenfalls durch einen Flussverkettungsfaktor WF. Da in der Regel die Breite der Läuferspule von dem Durchmesser d des Läufers 6 abhängt (Innendurchmesser bei Außenläufern), liegt der optimale Wirkungsgrad hinsichtlich der Flussverkettung bei einem Längen-Durchmesser-Verhältnis l/d des Läufers zwischen 0,3 und 0,8.
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Aus dem Diagramm der 3, bei dem der von dem Streufluss bestimmte Streuflussfaktor Ws und der Flussverkettungsfaktor WF, die den Gesamtwirkungsgrad des Elektromotors bestimmen, über dem Längen-Durchmesser-Verhältnis des Läufers 6 dargestellt sind, wurde erkannt, dass ein geeigneter Kompromiss in einem Bereich liegt, in dem das Längen-Durchmesser-Verhältnis des Läufers zwischen 1 und 2 liegt. Besonders vorteilhaft ist ein Längen-Durchmesser-Verhältnis von zwischen 1,2 und 1,7. Auch unter Berücksichtigung der Masse und des Volumens des Elektromotors 1, die erheblich von dem Längen-Durchmesser-Verhältnis des Läufers abhängen, ist erkennbar, dass auch hier ein Überschreiten eines Längen-Durchmesser-Verhältnisses von 2 zu einer deutlich verringerten Leistungsdichte des Elektromotors 1 führen würde.
