DE102011102959A1

DE102011102959A1 - Bürstenloser Motor

Info

Publication number: DE102011102959A1
Application number: DE201110102959
Authority: DE
Inventors: Yue Li; Jian Zhao; Yong Wang; Ya Ming Zhang; Yan Hong Xue; Mao Xiong Jiang
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-02-23
Also published as: CN102263445A; US20110291515A1; CN102263445B; US8866359B2

Abstract

Ein bürstenloser Motor hat einen Stator und einen Rotor. Der Stator hat einen Statorkern mit einer Vielzahl sich nach innen hin erstreckender Schenkelpole und um die Schenkelpole gewickelte Wicklungen. Der Rotor hat eine Welle, einen an der Welle befestigten Rotorkern und in den Rotorkern eingesetzte Magneten zur Bildung magnetischer Pole des Rotors. Jeder der Schenkelpole hat einen Polschuh mit einer Polfläche, die sich entlang einer Umfangsrichtung erstreckt, die dem Rotorkern gegenübersteht und die von dem Rotorkern durch einen Luftspalt beabstandet ist. In einem radialen Querschnitt des Motors hat jeder der magnetischen Pole des Rotors eine effektive Abmessung (W), die ungefähr 0,85 Mal bis 1,2 Mal der Sehnenlänge (L) jeder Polfläche ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Motor und im Besonderen auf einen bürstenlosen Elektromotor.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein bürstenloser Motor umfasst einen Stator und einen in Hinblick auf den Stator drehbar gelagerten Rotor. Der Stator umfasst einen Statorkern, der sich nach innen erstreckende Zähne und Wicklungen, die um die Zähne gewickelt sind, hat. Der Rotor umfasst eine Welle, einen an der Welle befestigten Rotorkern und an dem Rotorkern befestigte Magneten.
Einer der Faktoren, die die Effizienz eines bürstenlosen Motors beeinträchtigen, ist der Streufluss. Aus diesem Grund besteht der Wunsch, den Streufluss des bürstenlosen Motors zu reduzieren.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein bürstenloser Motor bereitgestellt, umfassend: einen Stator, umfassend einen Statorkern und Wicklungen, wobei der Statorkern eine Vielzahl von Schenkelpolen umfasst, von denen sich jeder nach innen hin erstreckt, wobei die Wicklungen um die Schenkelpole gewickelt sind; und ein Rotor, umfassend eine Welle, einen an der Welle befestigten Rotorkern, und Magneten, die im Rotorkern zur Bildung von magnetischen Polen befestigt sind, wobei der Rotor drehbar an dem Stator gelagert ist, wobei jeder der Schenkelpole einen Polschuh umfasst, der sich entlang einer Umfangsrichtung des Rotors erstreckt, wobei jeder der Polschuhe eine dem Rotorkern gegenüberstehende Polfläche umfasst und von dem Rotorkern durch einen Luftspalt beabstandet ist, und wobei, in einem radialen Querschnitt des Motors, jeder dieser magnetischen Pole des Rotors eine effektive Abmessung (W) hat, die ungefähr 0,85 bis 1,2 Mal der Sehnenlänge (L) der Polfläche entspricht.
Vorzugsweise ist ein Intervall (D) zwischen zwei benachbarten Polschuhen gleich oder größer als drei Mal die radiale Dicke des Luftspalts.
Vorzugsweise sind die Wicklungen konzentrierte Wicklungen.
Vorzugsweise ist das Verhältnis der Zahl der Schenkelpole zu der Zahl der magnetischen Polen 3:2.
Vorzugsweise ist jeder dieser magnetischen Pole durch ein in den Rotorkern (22) eingesetztes Stück eines Permanentmagneten (60) gebildet.
Alternativ wird jeder der magnetischen Pole durch zwei Stücke in den Rotorkern eingesetzter Permanentmagnete gebildet. In einem Querschnitt des Rotorkerns bilden die zwei Stücke Permanentmagneten ein „V”, das sich nach außen hin öffnet.
Alternativ wird jeder der magnetischen Pole durch eine Vielzahl in den Rotorkern eingesetzter Permanentmagneten gebildet, wobei die Permanentmagnete zumindest in einer inneren und einer äußeren Schicht angeordnet sind, wobei die innere Schicht näher an der Welle als die äußere Schicht ist, wobei die in der inneren Schicht angeordneten Permanentmagneten von den in der äußeren Schicht angeordneten Permanentmagneten beabstandet sind.
Vorzugsweise bilden die in der äußeren Schicht angeordneten Permanentmagneten in einem Querschnitt des Rotorkerns ein „V”, das sich nach außen hin öffnet.
Vorzugsweise bilden die in der inneren Schicht angeordneten Permanentmagneten in einem Querschnitt des Rotorkerns ein „V”, das sich nach außen hin öffnet.
Vorzugsweise umfasst, für jeden der magnetischen Pole, die äußere Schicht zwei Permanentmagneten, die in einem Querschnitt des Rotorkerns ein „V” formen, und die innere Schicht umfasst drei Stücke von Permanentmagneten, die in einem Querschnitt des Rotorkerns ein „V” bilden, wobei beide der zwei „V” sich nach außen hin öffnen.
Vorzugsweise sind für jeden der magnetischen Pole zwei der in der inneren Schicht angeordneten Permanentmagneten jeweils auf jeder Seite des magnetischen Pols gelegen, und jeder der zwei Permanentmagneten in radialer Richtung des Rotorkerns angeordnet ist und als gemeinsamer Magnet benutzt wird, der von zwei benachbarten magnetischen Polen geteilt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden, allein an Hand von Beispielen, mit Bezug auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen, beschrieben. In den Figuren werden identische Strukturen, Bauteile oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, allgemein mit der gleichen Referenznummer in allen Figuren, in denen sie erscheinen, gekennzeichnet. Die Abmessungen der in den Figuren gezeigten Komponenten und Bestandteilen werden generell zur Einfachheit und Klarheit der Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren werden im Folgenden aufgelistet.
1 zeigt einen bürstenlosen Motor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt einen Statorkern und die Statorwicklungen des bürstenlosen Motors von 1;
3 ist eine Draufsicht des Rotorkerns von 2;
4 zeigt einen Rotor des bürstenlosen Motors von 1;
5 zeigt einen Rotorkern und Magneten des Rotors;
6 zeigt einen Statorkern, den Rotorkern und Magneten;
7 zeigt einen Rotorkern und Magneten des bürstenlosen Motors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt einen Rotorkern und Magneten des bürstenlosen Motors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
9 zeigt den Rotorkern und Magneten des bürstenlosen Motors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt einen bürstenlosen Motor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der bürstenlose Motor umfasst einen Stator und einen Rotor. 2 zeigt dessen Statorkern und Statorwicklungen, und 3 zeigt den Statorkern. Der Stator umfasst einen Statorkern 11, der sechs Schenkelpole 12 hat, um die Schenkelpole gewickelte Statorwicklungen 13, zwei an den jeweiligen axialen Enden des Statorkerns 11 befestigte Enddeckel 15 und 16, und in den Enddeckeln befestigte Lager 17.
4 zeigt den Rotor, der eine Welle 21, einen an der Welle 21 befestigten Rotorkern 22, an dem Rotorkern 22 befestigte Magneten und Haltescheiben 23, 24 umfasst. Die Haltescheiben 23, 24 sind an den jeweiligen axialen Enden des Rotorkerns 22 befestigt. Der Rotorkern 22 und die Magneten werden zwischen den zwei Haltescheiben 23, 24 gehalten. Die Welle 21 ist drehbar durch die Lager 17 mit dem dem Statorkern 11 gegenüberstehenden Rotorkern 22 gestützt. Ein Luftspalt wird zwischen dem Rotorkern 22 und dem Statorkern 11 gebildet.
Wie in 2 und 3 gezeigt, umfasst jeder Schenkelpol 12 einen Polschuh 14, der eine Polfläche 18 hat, die sich entlang einer Umfangsrichtung des Rotorkerns 22 erstreckt und dem Rotorkern 22 gegenübersteht. Die Sehnenlänge jeder Polfläche ist als L ausgewiesen. Das Intervall zwischen zwei benachbarten Polschuhen 14 ist als D ausgewiesen. Die Statorwicklungen 13 sind konzentrierte Wicklungen, umfassend sechs Spulen, von denen jede um eine der Schenkelpole 12 gewickelt ist. In konzentrierten Wicklungen überlappen Spulen nicht miteinander, so dass die Spulen eine kürzere axiale Länge und einen verminderten Kupferdrahtverbrauch als traditionelle Schleifenwicklungen haben. Deshalb haben konzentrierte Wicklungen einen geringeren Widerstand als traditionelle Schleifenwicklungen und eine höhere Effizienz auf Grund ihres geringeren Widerstands.
5 ist eine Endansicht des Rotors mit entfernten Endplatten, um den Rotorkern 22 und sechzehn Magneten 31~38, 41~48 zu zeigen. Vier magnetische Pole sind durch die Magnete 31~38, 41~48 gebildet. Die vier magnetischen Pole werden gleichmäßig beabstandet um den Umfang des Rotorkerns 22 geformt. Im Speziellen wird ein erster magnetischer Pol durch die Magneten 31, 32, 41, 42 und 43 geformt. Die fünf Magneten 31, 32, 41, 42, 43 sind in zwei Schichten angeordnet: Magneten 31 und 32 in einer äußeren Schicht und Magneten 41, 42, 43 in einer inneren Schicht. Jeder dieser fünf Magneten ist in Richtung ihrer Dicke gepolt, und ihre äußeren Seiten haben dieselbe Polarität, wie zum Beispiel S. Auf gleiche Weise wird ein zweiter magnetischer Pol durch die Magneten 33, 34, 43, 44 und 45 geformt, und die fünf Magneten werden auch in zwei Schichten angeordnet. Ein dritter magnetischer Pol wird durch die Magneten 35, 36, 45, 46 und 47 gebildet und ein vierter magnetischer Pol wird durch die Magneten 37, 38 und die Magneten 47, 48 und 41 gebildet.
In dieser Ausführungsform wird jeder magnetische Pol durch fünf Magneten gebildet, wobei zwei der fünf Magneten in einer äußeren Schicht und die drei anderen Magneten in einer inneren Schicht angeordnet sind. Die innere Schicht ist zwischen der Rotorwelle 21 und der äußeren Schicht angeordnet. Magneten in der äußeren Schicht sind von den Magneten in der inneren Schicht beabstandet. Der Querschnitt der zwei Magneten in der äußeren Schicht bildet ein V, das sich nach außen hin öffnet, und ist im Wesentlichen durch einen Radius des Rotorkerns 22 geteilt. Der Querschnitt der drei Magneten in der inneren Schicht bildet ein weiteres V, welches sich auch nach außen hin öffnet, und ist im Wesentlichen durch einen Radius des Rotorkerns 22 geteilt. In der Ausführung in den anhängenden Ansprüchen soll sich die V-Form auf eine Form beziehen, die wie ein „V” oder ihre Varianten aussieht, die durch zwei oder mehr Linienzüge gebildet werden kann. In anderen Worten kann das „V” durch zwei oder mehr als zwei Magneten gebildet werden. Da jeder magnetische Pol durch zwei Lagen von Magneten gebildet wird, ist der magnetische Streufluss reduziert und die Motorleistung erhöht. Des Weiteren ist das Reluktanzmoment auf Grund der erhöhten Achseninduktivität (Ld) erhöht.
Wie in 5 gezeigt, gibt es für jeden magnetischen Pol zwei Magneten, die in der inneren Schicht angeordnet sind und sich in radialer Richtung erstrecken. Zum Beispiel sind Magneten 41 und 43 in der inneren Schicht angeordnet und erstrecken sich in radialer Richtung. Die zwei Magneten 41, 43 sind an den jeweiligen Umfangsrändern des ersten magnetischen Pols. Jeder der zwei Magneten wird als gemeinsamer Magnet benutzt, der von zwei benachbarten magnetischen Polen geteilt wird. Im Besonderen ist Magnet 41 ein gemeinsamer Magnet, der vom vierten magnetischen Pol und vom ersten magnetischen Pol geteilt wird. Magnet 43 ist ein gemeinsamer Magnet, der vom ersten magnetischen Pol und vom zweiten magnetischen Pol geteilt wird. Magnet 45 ist ein gemeinsamer Magnet, der vom zweiten magnetischen Pol und vom dritten magnetischen Pol geteilt wird. Magnet 47 ist ein gemeinsamer Magnet, der vom dritten magnetischen Pol und vom vierten magnetischen Pol geteilt wird.
Die effektive Abmessung jedes magnetischen Pols ist als W gekennzeichnet. Für einen aus zwei oder mehr Schichten von Magneten gebildeten magnetischen Pol ist die effektive Abmessung W des magnetischen Pols definiert als der Abstand zwischen zwei sich axial erstreckenden Rändern der Magneten der äußeren Schicht, und die zwei sich axial erstreckenden Ränder sind weiter von der Rotorwelle weg als die anderen, sich axial erstreckenden Ränder. Für einen aus einer Schicht von Magneten gebildeten magnetischen Pol (wie gezeigt in 8) ist die effektive Abmessung W definiert als der Abstand zwischen zwei sich axial erstreckenden Rändern des Magneten (der Magneten), und die zwei sich axial erstreckenden Ränder sind weiter von der Rotorwelle weg als die anderen sich axial erstreckenden Ränder. Die effektive Abmessung W des magnetischen Pols ist gleich 0,85~1,2 Mal der Sehnenlänge L der Polfläche. Vorzugsweise ist die effektive Abmessung W gleich 0,9~1,1 Mal der Sehnenlänge L. In dieser Ausführung ist die effektive Abmessung W im Wesentlichen gleich der Sehnenlänge L, was den Streufluss reduzieren wird.
6 zeigt einen Querschnitt des Statorkerns, des Rotorkerns und der Magneten. Ein Luftspalt besteht zwischen dem Rotorkern 22 und dem Statorkern 11. Das Intervall D zwischen zwei nebeneinander liegenden Polschuhen 14 ist drei oder mehr als drei Mal die radiale Dicke des Luftspalts. Es wird für den magnetischen Fluss einfacher sein, durch den Luftspalt zu verlaufen als durch das Intervall D, so dass der Streufluss reduziert ist. Des Weiteren variiert für jeden magnetischen Pol der Abstand zwischen den Magneten in der äußeren Schicht und den Magneten in der inneren Schicht. In dieser Ausführungsform sind zwei Magneten in der äußeren Schicht angeordnet, die Distanz D1 zwischen den radial äußeren Enden der zwei Magneten und den Magneten der inneren Schicht ist die kleinste Distanz und ist im Wesentlichen gleich der Distanz D2 zwischen den radial inneren Enden der zwei Magneten und den Magneten der inneren Schicht.
7 zeigt den Rotorkern und Magneten eines bürstenlosen Motors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Rotor umfasst acht magnetische Pole. Jeder der acht magnetischen Pole wird aus fünf Magneten gebildet, zwei in einer äußeren Schicht und drei in einer inneren Schicht. Zum Beispiel wird einer der acht magnetischen Pole durch die Magneten 31, 32 und Magneten 41~43 gebildet. Die Magneten 31 und 32 sind in der äußeren Schicht angeordnet und bilden ein „V”. Die Magneten 41~43 sind in der inneren Schicht angeordnet und bilden ein weiteres „V”. In gleicher Weise variiert für jeden magnetischen Pol der Abstand zwischen den Magneten der äußeren Schicht und den Magneten der inneren Schicht. In dieser Ausführungsform ist die Distanz D1 zwischen den radial äußeren Enden der Magneten der äußeren Schicht und den Magneten der inneren Schicht die kürzeste Distanz und ist im Wesentlichen gleich der Distanz D2 zwischen den radial inneren Enden der Magneten der äußeren Schicht und den Magneten der inneren Schicht. In dieser Ausführungsform gibt es keine gemeinsamen Magneten, die von zwei nebeneinander liegenden magnetischen Polen geteilt werden.
8 zeigt einen Rotorkern eines bürstenlosen Motors gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Rotor umfasst vier magnetische Pole, von denen jeder durch zwei Magneten 51, 52 gebildet wird. Für jeden magnetischen Pol zeigt der Querschnitt der zwei Magneten eine V-Form mit einer Öffnung nach außen und geteilt durch eine radiale Linie. Die effektive Abmessung W jedes magnetischen Pols ist definiert als der Abstand zwischen zwei sich axial erstreckenden Rändern der zwei Magneten, und die zwei sich axial erstreckenden Ränder sind weiter von der Rotorwelle weg als die anderen sich axial erstreckenden Ränder.
9 zeigt einen Teil eines Rotorkerns eines bürstenlosen Motors gemäß einer weiteren Ausführungsform. In dieser Ausführungsform ist jeder magnetische Pol durch einen einzigen in den Rotorkern eingesetzten Magneten 60 gebildet. Die effektive Abmessung W jedes magnetischen Pols ist definiert als der Abstand zwischen zwei sich axial erstreckenden Rändern des Magneten 60, und die zwei sich axial erstreckenden Ränder sind weiter von der Rotorwelle weg als die anderen sich axial erstreckenden Ränder.
Es ist angedacht, dass der Streufluss reduziert ist, weil die Umfangsbreite der Statorpole und der Rotorpole am Luftspalt ungefähr gleich sind, was es dem Flussweg erlaubt oder den Flussweg veranlasst, fokussierter zu sein mit weniger Möglichkeit für Streuung.
In der Beschreibung und den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung wird jedes der Verben „umfassen”, „beinhalten”, „enthalten” und „haben” und Varianten davon in einem einschließenden Sinn verwendet, um das Vorhandensein der genannten Teile zu spezifizieren, aber nicht, um das Vorhandensein von zusätzlichen Teilen auszuschließen.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf ein oder mehr bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte Fachleuten bewusst sein, dass verschiedene Modifikationen möglich sind. Deshalb wird der Umfang der Erfindung durch den Bezug auf die folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims

Bürstenloser Motor, umfassend: einen Stator umfassend einen Statorkern (11) und Wicklungen (13), wobei der Statorkern (11) umfassend eine Vielzahl von Schenkelpolen (12) umfasst, von denen sich jeder nach innen hin erstreckt, wobei die Wicklungen um die Schenkelpole gewickelt sind; und einen Rotor umfassend eine Welle (21), einen an der Welle (21) befestigten Rotorkern (22), und Magneten (31~38, 41~48, 51, 52, 60), die in dem Rotorkern zur Bildung von magnetischen Polen befestigt sind, wobei der Rotor drehbar an dem Stator montiert ist, wobei jeder der Schenkelpole (12) einen Polschuh (14) umfasst, welcher sich entlang einer Umfangsrichtung des Rotors erstreckt, wobei jeder der Polschuhe (14) eine Polfläche (18) umfasst, die dem Rotorkern (22) gegenübersteht und durch einen Luftspalt von dem Rotorkern (22) beabstandet ist; dadurch gekennzeichnet, dass in einem radialen Querschnitt des Motors jeder der magnetischen Pole des Rotors eine effektive Abmessung (W) hat, die ungefähr 0,85 Mal bis 1,2 Mal der Sehnenlänge (L) jeder Polfläche (18) ist.
Bürstenloser Motor nach Anspruch 1, wobei ein Intervall (D) zwischen zwei benachbarten Polschuhen (14) gleich oder größer als drei Mal die radiale Dicke des Luftspalts ist.
Bürstenloser Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wicklungen (13) konzentrierte Wicklungen sind.
Bürstenloser Motor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Verhältnis der Anzahl der Schenkelpole (12) zu der Anzahl der magnetischen Pole 3:2 ist.
Bürstenloser Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder der magnetischen Pole durch ein in den Rotorkern (22) eingesetztes Stück eines Permanentmagneten (60) gebildet ist.
Bürstenloser Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder der magnetischen Pole durch zwei in den Rotorkern (22) eingesetzte Stücke von Permanentmagneten (51, 52) gebildet ist, und wobei in einem Querschnitt des Rotorkerns (22) die beiden Stücke der Permanentmagneten ein „V” bilden, das sich nach außen hin öffnet.
Bürstenloser Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder der magnetischen Pole durch eine Vielzahl von in den Rotorkern (2) eingesetzten Stücken von Permanentmagneten (31~38, 41~48) gebildet ist, wobei die Permanentmagneten zumindest in einer inneren Schicht und einer äußeren Schicht angeordnet sind, wobei die innere Schicht näher an der Welle (21) als die äußere Schicht ist, wobei die in der inneren Schicht angeordneten Permanentmagneten (41~48) von den in der äußeren Schicht angeordneten Permanentmagneten (31~38) beabstandet sind.
Bürstenloser Motor nach Anspruch 7, wobei in einem Querschnitt des Rotorkerns (22) die in der äußeren Schicht angeordneten Permanentmagneten (31~38) ein „V” bilden, das sich nach außen hin öffnet.
Bürstenloser Motor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei in einem Querschnitt des Rotorkerns (22) die in der inneren Schicht angeordneten Permanentmagneten (41~48) ein „V” bilden, das sich nach außen hin öffnet.
Bürstenloser Motor nach Anspruch 8 oder 9, wobei für jeden der magnetischen Pole zwei der in der inneren Schicht angeordneten Permanentmagneten (41, 43, 45, 47) jeweils auf jeder Seite des magnetischen Pols platziert ist, wobei jeder der beiden Permanentmagneten in radialer Richtung des Rotorkerns (22) angeordnet ist und als gemeinsamer Magnet verwendet wird, der von zwei benachbarten magnetischen Polen geteilt wird.