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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Wischerantrieb, und einen Wischerantrieb mit einem Elektromotor. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Wischerantrieb für ein Kraftfahrzeug und dessen Auslegung.
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Stand der Technik
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Es sind zahlreiche Elektromotoren für Wischerantriebe (WSM) und für andere Bereiche in Kraftfahrzeugen bekannt. Typischerweise, werden Motoren mit Permanentmagneten, zwei Polen, und Bürsten verwendet. Diese Motoren neigen dazu schwer und groß zu sein, insbesondere wegen ihrer geringen Anzahl an Polen.
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Bei Wischerantrieben (WSM) werden die Bauteile im Betrieb durch Kräfte belastet. Zum Beispiel kann der Wischerantrieb bzw. der Motor des Wischerantriebs durch Wischen unter großer Last aufgeheizt werden. Insbesondere, die Kombination aus Motor und Getriebe neigt dazu sich zu erwärmen.
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Als Schutzfunktion gegen eine Überhitzung kann ein in einem Wischerantrieb enthaltener Elektromotor abgeschaltet werden oder in einen Zustand geringer Belastung gebracht werden. Dies erfordert jedoch das Eingreifen des Fahrers oder eine anderweitige Steuerung, zum Beispiel einen Regensensor.
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Das Erwärmen spielt für Wischermotoren unter anderem deswegen eine Rolle, da ein Wischerantrieb lange Zeit, z.B. über mehrere Stunden, in Betrieb sein kann und ein Eingreifen eines Thermoschutzes zu gefährlichen Situation durch das Aussetzen des Wischerantriebs beim Führen eines Kraftfahrzeugs bei Regen führen kann.
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Darüber hinaus ist es bei einem Motor wünschenswert, geringe Verluste, wenig Motorgeräusche, und eine leichte und kompakte Bauweise zu realisieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben genannten Probleme zumindest teilweise zu lösen bzw. einen verbesserten Elektromotor für einen Wischerantrieb und für andere Anwendungen in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein Wischerantrieb für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Der Wischerantrieb beinhaltet einen bürstenlosen Elektromotor wobei der Elektromotor einen Stator mit Wicklungen und einen aus einem Halbach-magnetisiert-Permanentmagnet-Ring ausgebildeten Rotor beinhaltet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Scheibenwischvorrichtung, insbesondere für eine Scheibe eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung beinhaltet einen Wischerantrieb. Der Wischerantrieb beinhaltet einen bürstenlosen Elektromotor wobei der Elektromotor einen Stator mit Wicklungen und einen aus einem Halbach-magnetisiert-Permanentmagnet-Ring ausgebildeten Rotor beinhaltet.
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Bevorzugte Ausführungsformen und besondere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Zeichnungen und der beiliegenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die hier beschriebenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung können verbesserte Wischerantriebe und Elektromotoren für Kraftfahrzeuge bzw. deren Auslegung zur Verfügung stellen, wobei insbesondere eine verbesserte Drehmomentdichte, geringere Motorgeräusche, reduziertes Gewicht und eine kleine Bauform realisiert werden können. Darüber hinaus ist es möglich, die für Kraftfahrzeuge und für Wischerantriebe wichtigen thermischen Eigenschaften von Permanentmagnetmotoren zu verbessern.
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Ausführungsformen der Erfindung stellen hierzu einen bürstenlosen Elektromotor mit einem als Permanentmagnet dienenden, halbachmagnetisierten Ring bzw. einen Wischerantrieb mit einem bürstenlosen Elektromotor mit einem als Permanentmagnet dienenden Halbach-magnetisert- Ring zur Verfügung.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Wischerantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einen bürstenloser Elektromotor zur Verfügung gestellt, wobei der Elektromotor einen Stator mit Wicklungen und einen aus einem Halbach-magnetisiert-Permanentmagnet-Ring ausgebildeten Rotor beinhaltet. Der mit Wicklungen ausgebildeten Stator erlaubt es die mit den Wicklungen versehenen Komponenten, die mit den durch die elektromagnetischen Wechselfelder und der Erzeugung entstehende Wärme beaufschlagt werden, mit guter thermischen Leitung in den Motor zu integrieren. Die durch Verluste in Wicklungen und Statorblechpaket erzeugte Wärme kann somit gut an die Umgebung abgegeben werden.
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Gemäß einer weiteren typischen bevorzugten Ausführungsform, kann der Halbach-magnetisiert-Permanentmagnet-Ring aus gesintertem Ferrit-Material ausgebildet sein. Hierdurch werden die thermischen Eigenschaften des Rotors durch Reduzierung von Wirbelströmen ebenfalls verbessert. Darüber hinaus ergeben sich vereinfachte Herstellungsbedingungen durch einfache Magnetisierbarkeit des Permanentmagneten (PM).
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Gemäß einer weiteren typischen bevorzugten Ausführungsform kann der Rotor ausgebildet sein innerhalb des Stators zu rotieren. Hierdurch wird die oben beschriebene Wärmeabführung weiter vereinfacht.
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Gemäß weiteren typischen bevorzugten Ausführungsformen können die Wicklungen für die Verwendung von drei Phasen ausgebildeten sein, der Halbachmagnetisiert-Permanentmagnet-Ring kann 6–10 Pole, bevorzugt 8 Pole haben, und/oder der Stator kann eine Anzahl von Zähnen haben, die im Verhältnis 2:3 zu der Anzahl der Pole steht (9–15). Es ist gemäß einer weiteren optionalen Implementierung möglich, dass die Spulen Wicklung um jeweils einen Zahn des Stators gewickelt sind. Durch die Anzahl der Pole, Phasen und Zähne kann zum einen die Drehmomentdichte des Elektromotors verbessert werden und zudem eine Symmetrie erzeugt werden, die Vibrationen und hohen Motorgeräuschen entgegenwirkt. Eventuell existierende Nachteile im Bezug auf Wirbelströme treten insbesondere in Verbindung mit nichtleitendem Material für den PM nicht in Erscheinung.
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Gemäß einer weiteren typischen bevorzugten Ausführungsform kann die Kombination von Rotor und Joch des Rotors eine mittlere Dichte von weniger als 4.8 g/cm³ haben. Dies ist insbesondere durch die Verwendung des Halbachmagnetisiert-Permanentmagnetrings und dessen Material möglich, wodurch eine reduzierte Trägheit des Rotors erzielt werden kann. Dies führt zu einer verbesserten Rotordynamik bzw. zu einem geringeren Energieverbrauch und somit wiederum zu geringerer Wärmeentwicklung durch Verluste bei vorbestimmtem dynamischen Verhalten.
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Gemäß einer weiteren typischen Ausführungsform enthält der Wischerantrieb ein Steuergerät zur Versorgung der Wicklungen mit drei phasigem Strom bzw. drei-phasigen Strömen. Typischerweise wird die Steuerung der Phasen über einen Mikrokontroller realisiert, z.B. mit MOSFET Invertern. Somit kann eine mechanische Kommutation, d.h. Stromumschaltung, und die entsprechenden Bürsten entfallen.
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Gemäß weiteren typischen bevorzugten Ausführungsformen beinhaltet der Antrieb weiterhin ein Getriebe zur übersetzenden Kraftübertragung zwischen dem Elektromotor und einem Wischerblatt. Das gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen verbesserte thermische Verhalten des Elektromotors wirkt insbesondere günstig wenn der Motor in Zusammenhang mit einem ebenfalls Wärme erzeugenden Getriebe auf engem Raum zur Verfügung gestellt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Scheibenwischvorrichtung insbesondere für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Die Scheibenwischvorrichtung beinhaltet einen Motor bzw. einen Wischerantrieb gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen und den damit verbundenen Vorteilen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen: 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Wischermotors gemäß dem Stand der Technik; 2 eine schematische Darstellung eines Wischerantriebs eines Scheibenwischers auf einer Scheibe und korrespondierende Steuer- und Kontrollelemente; und 3A und 3B 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Wischermotors bzw. dessen Magnetisierung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Querschnitt durch einen herkömmlichen bürstenbehafteten Elektromotor, wie er für Wischerantriebe und andere Anwendungen in Kraftfahrzeugen verwendet wird. Der Motor 50 hat zwei Pole 52 und daher in Relation zu seiner Größe, d.h. seinem Volumen, ein relativ geringes Drehmoment.
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Das Verhältnis aus Drehmoment und Volumen des Motors, d.h. dessen Drehmomentdichte, ist somit relative gering. Eine Erhöhung der Anzahl der Pole führt in der Praxis durch die existierenden Grenzen der Winkel-Toleranzen der Bürstenanordnung im Bezug auf die Permanentmagneten, durch die existierenden Grenzen der Winkel-Toleranzen beim Kommutator, insbesondere im Bezug auf den Anker und die Ankerwicklungen, und durch die existierenden Toleranzen bei den Bürsten und Bürstenhaltern zu Problemen in der Umsetzung. Auch andere Faktoren wie z.B. die Geräuschcharakteristik des Motors, die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie, und deren Abhängigkeit von mechanischen Toleranzen in der Kommutator-Anordnung, etc. sind von den Toleranzen abhängig. Eine Erhöhung der Anforderungen an die Toleranzen ist für Produkte mit der Randbedingung des Kostensparens nur schwer realisierbar, wodurch die Polzahl bei bürstenbehafteten PM-Motoren in Kraftfahrzeugen und insbesondere für Wischerantriebe typsicherweise auf 2 Pole limitiert ist.
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Der Anker 54 hat 12 Spulen 55, von denen eine in 1 exemplarisch dargestellt ist. Jede der Spulen ist um fünf der Ankerzähne gewickelt. Die Anordnung ist in einem Gehäuse 53 integriert, wobei der Stator bzw. dessen Pole 52 außen angeordnet sind und der Rotor innerhalb des Permanentmagneten rotiert.
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Typischerweise wird die Lebensdauer einer solchen Anordnung durch die Lebensdauer der Bürsten limitiert. Ferner führt der feste Kommutator-Winkel, d.h. die feste Winkelposition der Bürsten im Verhältnis zum Kommutator zu einer festgelegten Drehmoment-Drehzahlkennlinie. Ferner führt die geringer Polanzahl zu einer schweren und somit trägen Anordnung. Dies reduziert die Dynamik des Motors. Der hohe Anteil an aktiv, elektromagnetischen Material, d.h. Kupfer, Eisen und Material der Permanentmagneten, wirkt sich zudem ungünstig auf die Kosten aus.
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Darüber hinaus führt der Kontakt zwischen Bürste und Kommutator zu weiteren Problemen, wie zum Beispiel Vibrationen und erhöhten Motorgeräuschen, Funkenschlag durch nicht optimal eingestellter Stromumschaltung, was zu einer weiteren Erhöhung der Bürstenabnutzung führt, und HF Störungen. Dabei können HF Störungen sowohl leitend als auch strahlend auftreten, was durch entsprechende Maßnahmen wie zum Beispiel Abschirmungen unterdrückt werden muss, um EMC Standards zu genügen. Durch die zwei Pole und zwölf Zähne des Motors entsteht eine Halb-Symmetrie des Motors, gemäß derer ferner der zweite Schwingungsmode der Motorstruktur angeregt werden kann, wodurch die Entstehung von Vibrationen und Geräuschentwicklung erhöht wird.
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Für Wischerantriebe aber auch für andere Anwendung in Kraftfahrzeugen kann insbesondere das thermische Verhalten eines Motors gemäß dem Stand der Technik zu einem Problem führen. Ein Großteil der wärmeerzeugenden Verluste, wie Verluste in den Kupferwicklungen und Verluste in den Blechpaketen aus Eisen, finden im rotierenden Anker statt. Eine Wärmabführung kann hier lediglich durch Motorachse und Motorlager erfolgen.
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Durch die Vielzahl der Anforderungen für einen Wischerantrieb, wobei insbesondere die Reduktion und Ableitung von Verlustwärme berücksichtigt werden sollte, um lang laufende Motoren auch für sicherheitsrelevante Komponenten wie z.B. Wischantriebe zur Verfügung zu stellen, stellt die Optimierung bzw. Verbesserung der Auslegung eines bürstenlosen Permanentmagnet-(PM)-Motors daher eine große Herausforderung dar.
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Gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird ein bürstenloser Elektromotor zur Verfügung gestellt, wobei ein gesinterter Ferrit-Halbach-magnetisiert-PM-Ring zur Verfügung gestellt wird. Bei dem Motor handelt es sich um einen bürstenlosen Gleichstrommotor, z.B. mit elektronischer Stromumschaltung in den Wicklungen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Wischerantriebs. Der Motor 10, der gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet ist, führt am Lager 28 zu einer Drehbewegung des Wischhebels 32. 2 zeigt den Wischhebel 32 in einer beliebigen Position auf der Scheibe 30. Durch Rotation des Motors 10 – zum Beispiel eine reversierenden Rotation – wird im Normalbetrieb der Wischhebel 32 zwischen der oberen Wen- delage und der unteren Wendelage hin- und herbewegt. Wird der Wischer während des Betriebs des Kraftfahrzeugs nicht benötigt oder nicht verwendet, das heißt wenn ein Benutzer den Wischerantrieb ausschaltet, fährt der Wischhebel 32 von der unteren Wendelage zum Beispiel in eine erweiterte Parkstellung.
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Wie in 2 dargestellt wird der Motor typischerweise durch ein Steuergerät 35 gesteuert. Die Ansteuerung und gegebenenfalls eine Lastregelung kann zum Beispiel durch eine Pulsweitenmodulation zur Verfügung gestellt werden. Typischerweise kann einem in einem Wischerantrieb enthaltener Elektromotor durch Pulsweitenmodulation (PWM) eine reduzierte Spannung und somit ein reduziertes Motor-Drehmoment zugeführt werden. Dies ermöglicht eine stufenlose bzw. quasi-stufenlose Regelung der Wischgeschwindigkeit. Dennoch besteht bei Wischerantrieben oder anderen Antrieben für Kraftfahrzeuge das Bestreben bzw. die Notwendigkeit, das thermische Verhalten durch Verringerung von Verlusten und Ableitung von Verlustwärme zur verbessern. Dies ist nicht nur durch die Vielzahl elektronischer und elektrischer Verbraucher in modernen Kraftfahrzeugen motiviert, sondern auch durch die Tatsache, dass der Ausfall von sicherheitsrelevanten Komponenten wie Scheibenwischern zu gefährlichen Verkehrssituationen führen kann.
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Gemäß weiteren typischen bevorzugten Ausführungsformen kann das Steuergerät eine Rotorposition erfassen. Hierzu kann zum Beispiel in dem Motors 10 ein oder mehrere Sensoren zur Verfügung gestellt werden, der die Winkelkoordinate der Motorwelle bzw. des Rotors erfasst und an das Steuergerät übermittelt. Auch andere Rotorpositionserfassungssysteme bzw. Motorpositionserfassungssysteme, die typischerweise mit einer Mikroprozessorsteuerung verwendet werden können für Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, wobei eine ausreichende Winkelauflösung für einen p-poligen Permanentmagnetmotor mit p > 4, bevorzugt p > 6, zur Verfügung gestellt werden muss. Bei der Verwendung eines Sensors für die Erkennung der Rotorposition kann typischerweise zumindest eine Sensor aus der folgenden Gruppe verwendet werden: ein Hall-Sensor, ein AMR (anisotropic Magnetoresistance) Sensor, und ein GMR (giant Magnetoresistance) Sensor.
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Ein Querschnitt eines Elektromotors gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist in 3A dargestellt. Ein korrespondierender Querschnitt, der die Magnetisierung innerhalb des Elektromotors zeigt, ist in 3B dargestellt. Der Motor 10 wird als bürstenloser Motor ausgestaltet. Daher stellt ein Wischerantrieb eine elektronische Ansteuerung zum Beispiel mit einer Brückenschaltung bzw. MOSFET-Invertern zur Verfügung, um die Ströme in den Spulen elektronisch zu steuern.
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Durch die Ausgestaltung der Kommutierung mit einer elektronischen Schaltung kann der Kommutationswinkel durch den Algorithmus im Mikroprozessor variiert werden. Typischerweise kann der Phasenwinkel den Phasenströmen im Verhältnis zur Phasen-EMK voreilen. Somit ist eine Drehmoment-Drehzahlkurve nicht fest vorgegeben und kann variiert werden. Hierdurch kann zum Beispiel mittels einer Feldschwächung (Phasenvoreilungskommutation) der Drehzahlbereich des Motors erhöht werden.
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Eine solche Steuerung erleichtert die Verwendung von Permanentmagnetsystemen mit einer größeren Anzahl an Polen. Daher beinhaltet ein Elektromotor gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen einen Permanentmagneten mit 6–10 Polen, bevorzugt mit 8 Polen. Der Permanentmagnet ist dabei gemäß Ausführungsformen der Erfindung als Halbach-magnetisiert-Ring 310 ausgebildet. Eine Erhöhung der Anzahl der Pole führt zu einer Erhöhung der Drehmomentdichte. Umgekehrt erfordert eine Erhöhung der Anzahl der Pole auch eine Erhöhung der elektronischen Kommutierungs-Frequenz, was zur Notwendigkeit eines schnelleren Mikroprozessor und einer genaueren Positionserkennung der Rotorposition führt.
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Die Ausgestaltung als bürstenloser Motor führt durch die Abwesenheit von Bürsten zu einer längeren Lebensdauer des Motors. Ferner wird das Motorgeräusch um die Geräusche der Bürsten reduziert und es können die mit dem Kontakt zwischen Bürste und Kommutator verbundene HF Störungen verhindert werden. Eine aufwendige Abschirmung des Motors, um EMC Standards zu erfüllen, kann somit vermieden werden.
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Der Stator 312, wie zum Beispiel ein Stator-Blechpaket, hat gemäß typischen Ausführungsformen von 9 bis 15 Zähnen, bevorzugt 12 Zähne. Gemäß typischen Ausführungsformen wird die Anzahl der Stator- Zähne 313 im Vergleich zu der Anzahl der Pole des PM so gewählt, dass eine Viertel-Symmetrie des Motors existiert. Daher ist der erste Anregungsmode der Motorstruktur, der mechanisch angeregt werden kann, der vierte Mode, was zu einer Reduktion von Vibrationen und Geräuschen, insbesondere im Vergleich zur Anregung des zweiten Modes bei herkömmlichen Motoren, führt.
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3A zeigt, die Wicklungen 314a–c, die um einzelne Zähne 313 des Stators gewickelt sind. Typischerweise stellt der bürstenlose Motor 3 Phasen für die Spulenwicklungen zur Verfügung. Dies korrespondiert zu den Wicklungen 314a, 314b und 314c. Hierdurch können vom Motor generierte Drehmomentschwankungen reduziert werden, was wiederum zur reduzierten Vibrationen und Geräuschen führt. Gemäß weiteren typischen Ausführungsformen wird die Wicklung als konzentrierte Einzelzahnwicklung zur Verfügung gestellt. Hierbei können die Spulen der Phasen z.B. mit einem Nadelwickelverfahren direkt um einen einzigen Zahn 313 gewickelt werden. Dies führt zu einem kleinen Wickelkopf mit reduzierter Menge an Kupfer, d.h. reduzierten Verlusten im Kupfer, und einem kompakten Motor.
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Wie in 3A dargestellt ist, rotiert der ringförmig ausgebildete Permanentmagnet 310 im inneren des Stators und dessen Spulen. Die Ausbildung als Innenläufer gemäß typischen Ausführungsformen der Erfindung mit den Spulenwicklungen am außen liegenden Stator führt zu verbesserten thermischen Eigenschaften des Motors. Verluste des Motors 10, die als thermische Energie anfallen, entstehen zum Beispiel in den Wicklungen und in den Zähnen des Stators. Diese Verluste sind durch die elektrische Leitung der Wicklungen, die zum Beispiel aus Kupferdraht zur Verfügung gestellt werden, und durch die Ummagnetisierung in den Blechpaketen des Stators, der zum Beispiel aus Eisen zur Verfügung gestellt wird, bewirkt. Der Stator, an dem die Verluste in Motoren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auftreten, liegt außen, wie in 3A dargestellt ist. Der außen liegende Stator, z.B. das Blechpaket des Stators, kann auf einfache Weise mit einer guten Wärmeleitung zum Motorgehäuse und der Umgebung des Motors zur Verfügung gestellt werden. Somit kann die Wärme gut abgeführt werden und eine Überhitzung des Motors und ein damit gegebenenfalls bedingtes Abschalten kann verhindert werden. Dies ist in vielen Anwendungen in Kraftfahrzeugen aber insbesondere für Wischerantriebe von Bedeutung.
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Der Permanentmagnet 310 mit seinen 8 Polen kann als einstückiger Halbachmagnetisiert-Ring, d.h. als Ring mit einer Halbachmagnetisierung, zur Verfügung gestellt werden. Die Verwendung eines Rings, d.h. einer Komponente, erleichtert den Zusammenbau des Motors und führt auch somit zu geringeren Kosten. Der Permanentmagnet hat gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen eine Halbach Magnetisierung. Ein Halbach-Magnet beinhaltet Segmente, deren Magnetisierungsrichtung gegeneinander jeweils um 90° gedreht ist. Dadurch rücken die Feldlinien auf der einen Seite enger zusammen, was eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte bewirkt. Auf der gegenüberliegenden Seite liegen die Feldlinien weniger eng zusammen. Das Feld wird abgeschwächt, bzw. verschwindet in einer gewissen Distanz. Als Halbachmagnetisiert-Ring oder Halbach-magnetisiert-Zylinder ausgebildet kann der Magnet derart magnetisiert werden, dass die magnetische Flussdichte vollständig außerhalb des Rings bzw. des Zylinders liegt, und im Inneren kein Feld oder ein vernachlässigbares Feld existiert. Daher benötigt der Magnet kein magnetisches Joch im Inneren. Es kann gemäß hier beschriebenen typischen Ausführungsformen zum Beispiel Plastik im Inneren des Permanentmagneten 310 als Joch 311 verwendet werden. Auch dies trägt zur Kostenund Gewichtsreduktion bei.
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Gemäß typischen Ausführungsformen kann der Permanentmagnet-Ring aus gesintertem Ferritmaterial zur Verfügung gestellt werden. Im Vergleich zu Hochenergie-Magneten aus einem Seltenen-Erden-Material existiert somit im Luftspalt zwischen Stator und Rotor ein radiales magnetisches Feld mit vergleichsweise geringer Amplitude. Die daraus resultierenden ebenfalls geringen radialen Kräfte sind für geringer Geräuschentwicklung des Motors ebenfalls günstig.
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Gemäß weiteren typischen Ausführungsformen kann das Ferrit-Material eine Dichte von ca. 6 g/cm³ und darunter, zum Beispiel von 5 g/cm³ und darunter haben. Die geringe Dichte und zusätzlich die geringe Dichte von Plastik (ca. 2.2 g/cm³) als Joch führen zu einem geringen Gewicht des Rotors. Die daraus resultierende geringe Trägheit des Motors führt zu einer verbesserten Dynamik bzw. zu einem geringeren Energiebedarf für ein vergleichbares dynamisches Verhalten. Auch hierdurch kann die Wärmeentwicklung reduziert werden.
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Die Ausführung des Rotors als Halbach-magnetisiert-Permanentmagnet 310 führt weiterhin zu einem sinusförmigen magnetischen Feld im Spalt zwischen Rotor und Stator. Dies führt zu einer Reihe von weiteren Charakteristika des Motors, die zu geringen Verlusten und reduzierten Vibrationen bzw. Geräuschen führen. Somit kann die Entstehung von Verlustwärme weiter reduziert werden, was für Elektromotoren in Kraftfahrzeugen und insbesondere für Wischerantriebe von Vorteil ist. Diese Charakteristika sind u.a.: eine Reduktion des Rastmoments; geringe Drehmomentschwankungen, insbesondere bei Verwendung von sinusförmigen Phasenströmen in den Wicklungen des Stators; eine Reduktion der Anzahl der Feld-Raumharmonischen im Luftspalt und eine damit verbundene geringere Wahrscheinlichkeit der Anregung von Statorresonanzen; und Eisenverluste im Stator, vor allem in den Statorzähnen, sind reduziert, was ebenfalls zu einer Reduktion von Verlustwärme und einer verbesserten Effizienz führt.
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Die Verwendung eines Halbach-Permanentmagneten führt gemäß typischen Ausführungsformen zu weiteren thermischen Vorteilen bei der Auslegung des Elektromotors. Gemäß typischen Ausführungsformen hat der Motor mit einem Halbach-Permanentmagnet 0.5 Nuten (bzw. Zähne) pro Pol und pro Phase(12:(8*3)). Bei Verwendung eines elektrisch leitfähigen Materials wie zum Beispiel NdFeB oder Eisen für den Rotor führt das erzeugte rotierende Magnetfeld zu Wirbelströmen bzw. den dazugehörigen Verlusten. Daher kann die Auslegung, zum Beispiel mit 3 Phasen, 12 Zähnen und 8 Polen, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung insbesondere mit Halbach-Magnetisierung aus gesintertem Ferrit und einem Plastik-Joch genutzt werden, um bei einer solchen Auslegung Wirbelströme zu verhindern. Hierdurch wird die Auslegung, die die oben beschriebenen anderweitigen Vorteile aufweist, günstig genutzt ohne in einer Erhöhung von Verlusten und den damit verbundenen negativen thermischen Einflüssen zu resultieren. Die gegebenenfalls aus Stahl oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material hergestellte Welle des Motors hat einen ausreichend großen Abstand, um nicht durch Wirbelströme unnötige Verluste zu erzeugen. Analoge Argumente für die Vermeidung von Wirbelströmen gelten auch für Variationen des magnetischen Flusses im Permanentmagnetring durch die Stator-Nuten.
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Gemäß typischen Ausführungsformen kann bei der Verwendung eines Halbbachrings ein Material mit einer geringen Koerzitivfeldstärke der magnetischen Polarisation Hcj von 350 kA/m oder kleiner, zum Beispiel 270 kA/m für gesinterten Ferrit, verwendet werden. Dies und die interne magnetische Orientierung eines Halbach-magnetisiert-PM-Rings erleichtern den Magnetisierungsprozess.
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Die hier beschriebenen Ausführungsformen mit einer hohen Anzahl von Polen, zum Beispiel 6, 8 oder 10 Polen, führen weiterhin zu einer Reduzierung der Menge an elektromagnetischem Material, wie Kupfer, Eisen und dem Material des Permanentmagneten. Hierdurch kann eine Kostenreduktion erzielt werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können ist es möglich, den bürstenlosen Permanentmagnetmotor bzw. einen Wischerantrieb mit einem bürstenlosen Permanentmagnetmotor mit oder ohne einem Sensor für die Rotorposition zu betreiben. Bei der Verwendung eines Sensors für die Erkennung der Rotorposition kann typischerweise zumindest eine Sensor aus der folgenden Gruppe verwendet werden: ein Hall-Sensor, ein AMR (anisotropischer Magnetoresistance) Sensor, und ein GMR (giant Magnetoresistance) Sensor.
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Durch Ausführungsformen der Erfindung werden bürstenlose Elektromotoren mit einem Halbach-magnetisiert-Permanentmagneten zur Verfügung gestellt.
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Diese bieten, insbesondere mit den Auslegungen gemäß der hier beschriebenen Ausgestaltungen, thermische Vorteile bei guter Drehmomentdichte und geringer Geräuschentwicklung. Die thermischen Vorteile können einerseits durch eine verbesserte Wärmeableitung als auch durch geringe Verluste erzielt werden. Dies bietet Vorteile für viele Anwendungen in Kraftfahrzeugen, insbesondere auch für Wischerantriebe.
