DE102011109760A1

DE102011109760A1 - Bürstenloser Motor

Info

Publication number: DE102011109760A1
Application number: DE102011109760A
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: 2010-08-10
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2012-02-16
Also published as: KR101869094B1; CN102377257B; JP2012039863A; KR20120014883A; US9083226B2; US20120038237A1; CN102377257A; JP5889576B2

Abstract

Ein bürstenloser Motor hat einen Ständer und einen Läufer. Der Ständer hat einen Ständerkern und Städ Zähne, die sich von dem Ständerjoch radial nach innen hin erstrecken. Die Ständerwicklungen sind durch konzentrierte Spulen gebildet, die auf die Zähne gewickelt sind. Der Läufer hat eine Läuferwelle, einen Läuferkern, der an der Läuferwelle befestigt ist, und Magneten, die in in dem Läuferkern gebildeten Schlitzen befestigt sind. Jeder Magnet ist plattenförmig und erstreckt sich sowohl in axialer als auch in radialer Richtung des Läufers, und jeder Magnet ist quer durch seine Dicke magnetisiert, so dass ein Läuferpol zwischen zwei benachbarten Magneten gebildet ist. Das Verhältnis der radialen Dicke (Y) des Ständerjochs zu der Breite (T) des Zahnkörpers ist von 0,4 bis 0,7.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft einen Elektromotor und im Besonderen einen bürstenlosen Motor mit einem Permanentmagnetinnenläufer.
Hintergrund der Erfindung
Ein typischer bürstenloser Motor des IPM(Innenpermanentmagnet)-Typs umfasst einen Ständer und einen an dem Ständer drehbar gelagerten Läufer. Der Ständer umfasst einen Ständerkern und um die Zähne des Ständerkerns gewickelte Ständerwicklungen. Der Läufer umfasst eine Läuferwelle, einen auf der Läuferwelle befestigten Läuferkern und Permanentmagneten, die in Schlitze in dem Läuferkern eingefügt sind.
Magnetische Streuung ist ein Problem für einen bürstenlosen IPM-Motor, weil die Permanentmagneten in einen magnetisch leitenden Läuferkern eingebettet sind. Des Weiteren hat der Ständerkern ein Risiko der magnetischen Sättigung, die es schwierig machen würde, den Motor zu steuern.
Deshalb besteht der Wunsch nach einem verbesserten bürstenlosen Motor des IPM-Typs.
Darstellung der Erfindung
Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung, in einem Aspekt davon, einen bürstenlosen Motor, der umfasst: einen Ständer, der einen Ständerkern und Ständerwicklungen umfasst, wobei der Ständerkern ein Ständerjoch und sich von dem Ständerjoch radial nach innen hin erstreckende Zähne umfasst, wobei die Ständerwicklungen auf die Zähne gewickelte, konzentrierte Spulen sind; und einen an dem Ständer drehbar gelagerten Läufer, wobei der Läufer eine Läuferwelle, einen an der Läuferwelle befestigten Läuferkern und Magneten umfasst, die in den in Ständerkern gebildeten Schlitzen befestigt sind, wobei jeder Magnet plattenförmig ist und sich sowohl in axialer als auch in radialer Richtung des Läufers erstreckt; und wobei jeder Magnet über seine Dicke hinweg magnetisiert ist, so dass ein Läuferpol durch zwei benachbarte Magneten gebildet ist, wobei das Verhältnis der radialen Dicke (Y) des Ständerjochs zu der Breite (T) des Zahnkörpers von 0,4 bis 0,7 beträgt.
Vorzugsweise sind die Windungsschlitze zwischen benachbarten Zähnen gebildet, wobei die Breite (S) einer Öffnung des Wicklungsschlitzes kleiner als die Dicke (M) der Magneten ist.
Vorzugsweise umfasst der Läuferkern: einen ringförmigen inneren Bereich, der an der Läuferwelle befestigt ist; einen ringförmigen äußeren Bereich um den inneren Bereich, wobei der äußere Bereich durch die Schlitze in eine Mehrzahl von Polsegmenten geteilt ist, in die die Magneten eingebettet sind; und rippenförmige Verbindungsbereiche, die den inneren Bereich mit dem äußeren Bereich verbinden.
Vorzugsweise umfasst der Läuferkern eine Mehrzahl an Löchern, wobei jedes davon zwischen zwei benachbarten Magneten gebildet ist.
Vorzugsweise ist jedes Loch in einem jeweiligen Bereich des Läuferkerns zwischen zwei benachbarten Magneten gebildet und auf einer radialen Linie in der Mitte zwischen den Magneten angeordnet.
Vorzugsweise sind die Verbindungsbereiche radial zu den jeweiligen Löchern ausgerichtet.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der kleinsten Breite der Verbindungsbereiche zu dem äußeren Durchmesser des Läuferkerns von 0,1 bis 0,15.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis des äußeren Durchmessers des Läuferkerns zu dem äußeren Durchmesser des Ständerkerns von 0,55 bis 0,75.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der radialen Dicke (Y) des Ständerjochs zu der Dicke (T) des Zahnkörpers von 0,51 bis 0,57.
Vorzugsweise umfasst der Ständer zwölf Zähne und der Läufer umfasst zehn Magneten.
Vorzugsweise sind die Ständerwicklungen in drei Phasen geteilt, wobei jede Phase eine Mehrzahl von Paaren von Spulen umfasst, wobei jedes Paar Spulen zwei konzentrierte Spulen umfasst, die auf benachbarte Zähne in entgegen gesetzten Richtungen gewickelt sind.
Der bürstenlose Motor der bevorzugten Ausführungsform umfasst einen Ständerkern mit einem Ständerjoch und eine Mehrzahl von sich von dem Joch erstreckenden Zähnen. Das Verhältnis der radialen Dicke des Ständerjochs zu der Breite des Zahnkörpers ist speziell entworfen, um das Risiko einer magnetischen Sättigung zu verringern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Figuren werden identische Anordnungen, Bauteile oder Teile, die in mehr als in einer Figur erscheinen, allgemein mit demselben Bezugszeichen in allen Figuren, in denen sie erscheinen, benannt. Abmessungen der in den Figuren gezeigten Komponenten und Bauteile werden im Allgemeinen hinsichtlich der Übersichtlichkeit und Klarheit der Darstellung ausgewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind unten aufgelistet.
1 ist eine isometrische Ansicht eines bürstenlosen Motors gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Teildraufsicht des bürstenlosen Motors aus 1, wobei eine Endkappe entfernt ist;
3 ist eine Draufsicht des Läufers des bürstenlosen Motors aus 1, wobei eine Deckplatte entfernt ist;
4 ist eine Teildraufsicht des Ständerkerns und der Wicklungen des bürstenlosen Motors aus 1;
5 ist ein schematisches Wicklungsdiagramm der Ständerwicklungen des bürstenlosen Motors aus 1; und
6 ist ein Magnetfeldverteilungsdiagramm des bürstenlosen Motors aus 1.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 stellt einen bürstenlosen Motor gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der Motor umfasst einen gewickelten Ständer und einen Permanentmagnetläufer 20 des IPM-Typs. Der Ständer weist zwei Endkappen 15, 16 auf, die ein Gehäuse für den Motor bilden. 2 zeigt den Motor mit entfernter Endkappe und weggelassener Deckplatte des Motors ausgelassen. Der Ständer umfasst einen von den Endkappen gehaltenen Ständerkern 10 und um Zähne 12 des Ständerkerns 10 gewickelte Ständerwicklungen 14. Der Läufer 20 ist durch an den Endkappen eingepasste Auflager drehbar gestützt.
3 ist eine Draufsicht des Läufers 20 mit weggelassenen Abdeckplatten, um den Aufbau des Läuferkerns zu zeigen. Der Läufer 20 umfasst eine Läuferwelle 21, einen an der Läuferwelle 21 befestigten Läuferkern 22, in dem Läuferkern 22 eingebettete Permanentmagneten 35 und zwei Deckplatten (nicht gezeigt), die an der Läuferwelle 21 befestigt sind und an den jeweiligen Enden des Läuferkerns 22 angeordnet sind. Die Deckplatten bedecken die axialen Enden des Läuferkerns und werden auch zum Auswuchten des Läufers verwendet. Die Magneten 35 sind plattenförmig und sind in Schlitze 29 des Läuferkerns 22 in der axialen Richtung eingefügt. Die radiale Mittellinie jedes Magneten 35 verläuft durch die Läuferwelle 21 oder die Motorachse.
Wie in 3 gezeigt, ist jeder Magnet 35 über seine Dicke hinweg magnetisiert. Zum Beispiel hat die Fläche 35a N-Polarität und die Fläche 35b hat S-Polarität. Benachbarte Flächen von benachbarten Magneten 35 haben dieselbe Polarität, um einen Läuferpol 30 dort dazwischen zu bilden. In der bevorzugten Ausführungsform hat der Läufer zehn Magneten 35, die entlang des Umfangs verteilt sind und die zehn Läuferpole 30 bilden.
Der Läuferkern 22 umfasst einen ringförmigen inneren Bereich 23, einen äußeren ringförmigen Bereich 27 und Verbindungsbereiche 26, die zwischen dem inneren Bereich 23 und dem äußeren Bereich 27 verbunden sind. Für jede Schicht sind der innere Bereich 23, die Verbindungsbereiche 26 und der äußere Bereich 27 einstückig als ein einziges Stück ausgebildet. Der innere Bereich 23 ist an der Läuferwelle 21 befestigt. Der äußere Bereich 27 ist durch sich radial erstreckende Schlitze 29 geteilt, die an den radial äußeren Enden zwischen sich entlang des Umfangs erstreckenden Fingern 31 offen sind. Die Magneten 35 sind axial in die Schlitze 29 eingefügt und die Finger 31 verhindern, dass die Magneten radial aus den Schlitzen entweichen. Der innere Bereich 23 umfasst zehn Vorsprünge 24, die an dem äußeren Rand gebildet sind und entlang des Umfangs beabstandet sind. Die Vorsprünge 24 erstrecken sich in die Schlitze 29, so dass sie jeweilige Magnete berühren oder drängen. Die Vorsprünge 24 verhindern, dass die Magneten sich radial nach innen hin innerhalb der Schlitze bewegen und, wenn die Vorsprünge elastisch von den Magneten verformt werden, drängen sie die Magneten in Kontakt mit den Fingern und fixieren dabei die radiale Position der Magneten innerhalb der Schlitze. Der äußere Bereich 27 hat zehn Löcher 28, wobei jedes dieser zwischen entsprechenden zwei benachbarten Magneten 35 gebildet ist. Die Löcher 28 verringern das Gewicht des Läuferkerns 22. Die Löcher 28 arbeiten mit dem Brückenbereich 26 zusammen, um die Motorleistung durch Verringern der magnetischen Streuung in dem inneren Bereich 23 durch Erzeugen von Gebieten mit magnetischer Sättigung zu verbessern.
Wie in 3 und 6 gezeigt, hat vorzugsweise jeder Läuferpol 30 ein darin gebildetes Loch 28. Das Loch 28 ist vorzugsweise auf einer radialen Linie gebildet, die in der Mitte zwischen den benachbarten Magneten ist, die den Läuferpol bilden. Das heißt, ein Loch 28 ist in Umfangsrichtung in der Mitte jedes Bereichs des Läuferkerns gebildet, der einen Läuferpol 30 bildet. Daher teilen die Löcher 28 das Magnetfeld gleichmäßig und führen das Magnetfeld, das in den Läuferpolen 30 durch die Magneten 35 gebildet ist. Vorzugsweise ist jeder Verbindungsbereich 26 radial an einem entsprechenden Loch 28 ausgerichtet, um die magnetische Streuung zu verringern. Die Verbindungsbereiche 26 und die Vorsprünge 24 sind alternierend angeordnet. Kleinere Löcher 25 sind durch einen jeweiligen Verbindungsbereich 26, innere Enden der jeweiligen Magneten 35, den inneren Bereich 23, den äußeren Bereich 27 und die Vorsprünge 24 gebildet. Die magnetische Streuung an dem inneren Bereich 23 wird aufgrund des großen magnetischen Widerstands der kleinen Löcher 25 weiter reduziert. Vorzugsweise ist der Verbindungsbereich 26 rippenförmig oder streifenförmig und erstreckt sich radial. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Länge des Verbindungsbereichs 26 durch seine radiale Abmessung definiert, wobei die Breite des Verbindungsbereichs 26 durch seine Abmessung in Umfangsrichtung definiert ist, und wobei die Höhe des Verbindungsbereichs 26 durch seine axiale Abmessung definiert ist. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Breite des Verbindungsbereichs 26 zu dem äußeren Durchmesser des Rotorkerns 22 von ungefähr 0,1 bis 0,15. In dieser Konfiguration haben die Verbindungsbereiche 26 genügend Festigkeit, um eine Deformation zu verhindern, während magnetische Sättigung leicht in den Verbindungsbereichen 26 erreicht werden kann, um die magnetische Streuung zu reduzieren. Ein Läufer mit diesem Aufbau ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die einen Motor mit einer Geschwindigkeit in dem Bereich von 300 U/min bis 20.000 U/min benötigen.
Vorzugsweise beträgt der kleinste Abstand von den Seitenwänden der Löcher 28 zu den entsprechenden Magneten 35 von ungefähr 1,1 Mal bis 3 Mal der Breite der Verbindungsbereiche 26. Die radiale Länge der Magneten 35 ist so lang wie möglich, so dass das meiste des magnetischen Felds durch die Magneten 35 hindurchgeht. Magnetische Streuung ist durch die offenen Enden der Schlitze 29, die den radial äußeren Rand der Magneten 35 freilegen, weiter reduziert.
4 zeigt den Ständerkern 10 und die Ständerwicklungen, obwohl drei Spulen, die einen Teil der Ständerwicklungen bilden, weggelassen sind, um den Aufbau des Ständerkerns zu zeigen. Der Ständerkern 10 wird durch Aufeinanderlegen von Schichten in axialer Richtung gebildet. Der Ständerkern 10 umfasst ein ringförmiges Ständerjoch 11 und eine Mehrzahl von Zähnen 12, die sich radial und nach innen hin von dem Ständerjoch 11 erstrecken. Die Ständerwicklungen sind konzentrierte Wicklungen, was bedeutet, dass die Wicklung durch eine Anzahl von Spulen gebildet wird und dass jede Spule um einen einzigen Zahn gewickelt ist. So umfassen die Ständerwicklungen zwölf Spulen 14, wobei jede dieser um einen jeweiligen Zahn 12 gewickelt ist. Jeder Zahn 12 umfasst einen sich radial erstreckenden Zahnkörper 13 und einen, an dem distalen Ende des Zahnkörpers gebildeten Kronenbereich 17. Zum Optimieren der Magnetfeldverteilung und zum Verringern der magnetischen Streuung beträgt die radiale Dicke Y des Ständerjochs 11 von ungefähr 40% bis 70% der Umfangsbreite T des Zahnkörpers. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Jochdicke Y zu der Zahnkörperbreite T von 0,51 bis 0,57. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Jochdicke Y ungefähr 5 mm, die Zahnkörperbreite T beträgt ungefähr 9 mm und das Verhältnis der Jochdicke Y zu der Zahnbreite T beträgt ungefähr 0,56.
Wicklungsschlitze sind zwischen benachbarten Zähnen 12 gebildet, um die Ständerspulen 14 aufzunehmen. Die Breite S der Wicklungsschlitze, die sich zwischen benachbarten Zahnkronen 17 öffnen, ist vorzugsweise kleiner als die Dicke M der Magneten 35.
Gemäß dem schematischen Wicklungsdiagramm von 5, auf das nun Bezug genommen wird, umfassen die Ständerwicklungen zwölf konzentrierte Spulen 14, die um die jeweiligen Zähne 12a~12l gewickelt sind. Die zwölf Spulen sind in drei Phasen aufgeteilt, das heißt, U-Phase, V-Phase und W-Phase. Jede Phase umfasst zwei Paar Spulen, wobei jedes Paar zwei um zwei benachbarte Zähne gewickelte konzentrierte Spulen 14 in entgegen gesetzten Richtungen umfasst. Die zwei Paar Spulen sind diametral angeordnet. Zum Beispiel umfasst die U-Phase zwei Paar Spulen, die auf den Zähnen 12a und 12b, 12g und 12h gewickelt sind. Das Paar Zähne 12a, 12b und das Paar Zähne 12g, 12h sind an diametral entgegen gesetzten Stellen des Läuferkerns 22 angeordnet. Die Spule auf Zahn 12a ist im Uhrzeigersinn gewickelt, während die Spule auf dem benachbarten Zahn 12b gegen den Uhrzeigersinn gewickelt ist. Ähnlich umfasst die V-Phase zwei Paar Spulen, die auf die Zähne 12c und 12d, 12i und 12j gewickelt sind. Die W-Phase umfasst zwei Paar Spulen, die auf die Zähne 12e und 12f, 12k und 12l gewickelt sind. Die drei Phasen sind in einer Sternkonfiguration verbunden, wobei ein Ende der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase zusammen an einem neutralen Punkt No verbunden ist.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen beträgt das Verhältnis des äußeren Durchmessers des Läuferkerns 22 zu dem äußeren Durchmesser des Ständerkerns von ungefähr 0,55 bis 0,75, und vorzugsweise 0,65. Der bürstenlose Motor ist besonders geeignet zum Verwenden in einer Wasserextraktions- oder Trocknerausrüstung.
In der Beschreibung und den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung wird jedes der Verben „umfassen”, „aufweisen”, „beinhalten” und „haben” und Variationen davon in einem inklusiven Sinn verwendet, um das Vorhandensein der genannten Dinge zu spezifizieren, allerdings nicht, um das Vorhandensein zusätzlicher Dinge auszuschließen.
Obwohl die Erfindung mit Bezug zu einer oder mehr bevorzugten Ausführungsformen beschrieben ist, sollte von einem Fachmann erkannt werden, dass verschiedene Modifikationen möglich sind. Deshalb soll der Umfang der Erfindung mit Bezug auf die Ansprüche, die folgen, bestimmt werden.

Claims

Bürstenloser Motor umfassend: einen Ständer, der einen Ständerkern (10) und Ständerwicklungen (14) umfasst, wobei der Ständerkern (10) ein Ständerjoch (11) und sich von dem Ständerjoch (11) radial nach innen hin erstreckende Zähne (12) umfasst, wobei die Ständerwicklungen (14) auf die Zähne (12) gewickelte, konzentrierte Spulen sind; und einen Läufer, der drehbar an dem Ständer gelagert ist, wobei der Läufer eine Läuferwelle (21), einen an der Läuferwelle (21) befestigten Läuferkern (22) und Magneten (35) umfasst, die in dem Ständerkern (22) gebildeten Schlitzen (29) befestigt sind, wobei jeder Magnet (35) plattenförmig ist und sich sowohl in axialer als auch in radialer Richtung des Läufers erstreckt; und wobei jeder Magnet (35) über seine Dicke hinweg magnetisiert ist, so dass ein Läuferpol durch zwei benachbarte Magneten (35) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der radialen Dicke (Y) des Ständerjochs (11) zu der Breite (T) des Zahnkörpers (13) von 0,4 bis 0,7 insbesondere von 0,51 bis 0,57 beträgt.
Bürstenloser Motor nach Anspruch 1, wobei Wicklungsschlitze zwischen benachbarten Zähnen (12) gebildet sind, wobei die Breite (S) einer Öffnung des Wicklungsschlitzes kleiner als die Dicke (M) der Magneten (35) ist.
Bürstenloser Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Läuferkern umfasst: einen ringförmigen inneren Bereich (23), der an der Läuferwelle (21) befestigt ist; einen ringförmigen äußeren Bereich (27) um den inneren Bereich (23), wobei der äußere Bereich durch die Schlitze (29), in denen die Magneten (35) eingebettet sind in eine Mehrzahl von Polsegmenten geteilt ist; und rippenförmige Verbindungsbereiche (26), die den inneren Bereich (23) mit dem äußeren Bereich (27) verbinden.
Bürstenloser Motor nach Anspruch 3, wobei der Läuferkern (22) eine Mehrzahl von Löchern (28) umfasst, wobei jedes davon zwischen zwei benachbarten Magneten (35) gebildet ist.
Bürstenloser Motor nach Anspruch 4, wobei jedes Loch (28) in einem jeweiligen Bereich des Läuferkerns zwischen zwei benachbarten Magneten (35) gebildet ist und auf einer radialen Linie in der Mitte zwischen den besagten Magneten (35) angeordnet ist.
Bürstenloser Motor nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Verbindungsbereiche (26) an den jeweiligen Löchern (28) radial ausgerichtet sind.
Bürstenloser Motor nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, wobei das Verhältnis der kleinsten Breite der Verbindungsbereiche (26) zu dem äußeren Durchmesser des Läuferkerns (22) von 0,1 bis 0,15 beträgt.
Bürstenloser Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis des äußeren Durchmessers des Läuferkerns (22) zu dem äußeren Durchmesser des Ständerkerns von 0,55 bis 0,75 beträgt.
Bürstenloser Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ständer zwölf Zähne (12) umfasst und der Läufer zehn Magneten (35) umfasst.
Bürstenloser Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ständerwicklungen in drei Phasen geteilt sind, wobei jede Phase eine Mehrzahl von Paaren von Spulen (14) umfasst, wobei jedes Paar Spulen zwei auf benachbarten Zähnen (12) gewickelte, konzentrierte Spulen in entgegen gesetzten Richtungen umfasst.