DE102011111667A1

DE102011111667A1 - Drehfeldmaschine mit Außenläufer

Info

Publication number: DE102011111667A1
Application number: DE102011111667A
Authority: DE
Inventors: Michael Höfgen; Dr. Leiber Thomas; Simon Strasinsky
Original assignee: CPM Compact Power Motors GmbH
Current assignee: SONTER SA A SWISS CORPORATION, CH
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-03-07
Also published as: WO2013030108A3; WO2013030108A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehfeldmaschine mit einer in einem Stator (1) und einer am Stator drehbar gelagerten Welle (3) auf der ein Außenrotor (10) angeordnet ist. Es ist vorgesehen dass der Außenrotor zumindest teilweise aus einem Kunststoff besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehfeldmaschine mit Außenläufer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Stand der Technik
Drehfeldmaschinen mit Außenläufer sind an sich bekannt (z. B. DE 10 2010 050 403 A1 ). Diese Maschinen weisen normalerweise eine Welle auf, die in einem Statorträger drehbar gelagert ist. Auf dem Statorträger ist das Statorblechpaket mit den Erregerspulen angeordnet. Ein glockenförmiger Außenläufer ist auf der Welle drehfest angeordnet, so dass er das Joch und die Erregerspulen mit geringem Abstand umgreift. Bei derartigen Drehfeldmaschinen mit Außenläufer besteht das Problem der letztlich auch die Leistung begrenzenden Wärmeentwicklung bzw. der Abfuhr der entstehenden Wärme. Ferner sind die Rotoren relativ kostenaufwendig und es entstehen Wirbelstromverluste im Rotor, die größer sind als bei Innenläufermotoren.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Drehfeldmaschine mit Außenläufer zu schaffen, bei der sich mit einfachen Mitteln ein verbesserter Wirkungsgrad erreichen lässt.
Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Rotor ganz oder teilweise aus einem Kunststoff besteht und dass in dem sich axial erstreckenden Teil des Rotors, radial außenliegend, ein Blechpaket angeordnet ist an dem, radial innenliegend, Magnete angeordnet sind.
Mit dieser Lösung wird auf einfache Weise eine kostengünstige und leistungsfähige Außenläufermaschine geschaffen.
Vorteilhafte Ausführungen bzw. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Mit der Erfindung bzw. ihren Ausführungen bzw. Ausgestaltungen ergeben sich als weitere Vorteile, dass im Rotor keine Wirbelstromverluste auftreten, dass eine einfache Montage möglich ist, da die Einlegeteile im Werkzeug enthalten sein können, anstelle mehrere Montageschritte bei den herkömmlichen Lösungen. Ferner werden Resonanzeffekte weitgehend reduziert, da der Rotor elastischer ist als Stahlrotoren. Über eine Pressverbindung zwischen Läufer und Welle können hohe Momente übertragen werden. Auch ergibt sich eine signifikante Verbesserung der Wärmeverhältnisse bzw. des thermischen Leitwertes und daraus resultierend eine entsprechende Leistungssteigerung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhaften Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.
In der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drehfeldmaschine mit einem Außenrotor aus Kunststoff dargestellt, mit weiteren Maßnahmen zur Verbesserung des thermischen Leitwertes. Die dargestellte Drehfeldmaschine weist einen Statorträger 1 auf, der an einem Gehäuseteil 2 angebracht ist (welches Bestandteil eines Motorgehäuses oder eines Elektronikgehäuses sein kann) und an dem eine Welle 3 über zwei Lager 4, 5 drehbar gelagert ist. Für ein vereinfachtes Dichtungskonzept können Statorträger 1 und Gehäuseteil 2 bzw. das entsprechende Gehäuse einteilig ausgeführt sein (nicht dargestellt). Der Statorträger 1 trägt ein Joch 6 bestehend aus einem Statorblechpaket und die Statorspulen 7. Mit der Welle 3 drehfest verbunden ist ein glockenförmiger Außenläufer bzw. Rotor 10. Zur Verbindung des Außenläufers 10 mit der Welle 3 ist ein Mitnehmer 11 vorgesehen. Dieser besteht vorzugsweise aus Metall und sitzt, insbesondere mittels Pressverbindung, drehfest auf der Welle 3. Am Außenumfang weist der Mitnehmer einen geriffelten oder dergleichen Bereich 12 auf, wobei die radialen Vorsprünge der Riffelung sich im wesentlichen achsparallel zur Welle 3 erstrecken, so dass sich der Kunststoff gut verteilt und sich eine gute Verbindung ergibt, so dass das Drehmoment gut abgestützt wird. In diesem Bereich ist der radial verlaufende Schenkel des Außenläufers 10 angebracht und insbesondere mit dem Mitnehmer verbunden, wobei die Verbindung insbesondere im Spritzguss-Herstellverfahren erfolgt.
Insbesondere im radialen Bereich des Außenläufers sind über den Umfang verteilt, zweckmäßig schräg verlaufende, durchgehende Öffnungen 13 vorgesehen, die der Belüftung des Innenraumes dienen, in dem die Spulen angeordnet sind. Innen am radialen Schenkel des Außenläufers sind im Bereich der Öffnungen bzw. Durchgänge 13 Lüfterelemente 14 vorgesehen, die einstückig in den Außenläufer integriert oder als separate Teile bei der Herstellung mit dem Rotor verbunden, insbesondere eingespritzt sind. Die Herstellung der Lüftergeometrie erfolgt dabei vorteilhaft in Spritzgusstechnik, wobei die Lüfterelemente zweckmäßig in das Werkzeug eingelegt werden.
Der Außenläufer 10 hat eine im Querschnitt L-Form mit einem sich axial erststreckenden Schenkel und einem radialen Schenkel. Er besteht aus Kunststoff, insbesondere Duroplast. Im sich axial erstreckenden Schenkel des Außenläufers 10 ist radial außenliegend ein Blechpaket 15 angeordnet, das zweckmäßig als umlaufendes Blechrohr gestaltet sein kann. Das Blechpaket bzw. Blechrohr erstreckt sich axial über die Länge des Joches 6. Innen an diesem Blechpaket bzw. Blechrohr sind gestückelte Magnete 16 angebracht und mit dem Blechrohr insbesondere mittels geeigneten Klebstoffes verbunden. Die einzelnen Magnetelemente sind jeweils in einer Reihe axial hintereinander angeordnet, wobei mehrere solcher Reihen über den Umfang des Läufers mit Zwischenräumen verteilt sind. Das Blechpaket bzw. Blechrohr 15 und die Magnete 16 werden bei der Herstellung des Rotors entsprechend in einem Werkzeug angeordnet bzw. eingelegt und, ggf. gemeinsam mit den oben beschriebenen Lüfterelementen, mit Kunststoff umspritzt. Die Umspritzung ist insbesondere beidseitig, so dass die Magnete an der Innenseite gegen Korrosion geschützt sind. Ferner ist im axialen Bereich bei Bedarf eine Verrippung mit integriert, die die Fliehkraftbelastung reduziert.
Ein Gehäuse 32 umgibt die Motorkomponenten glockenförmig und ist mit einem weiteren Gehäuse 33 verbunden, das mit dem Statorträger z. B. mittels Verschraubung verbunden ist und welches auf einer darin angeordneten Leiterplatte die Elektronik aufnimmt (auf die hier nicht näher eingegangen ist). Das Motorgehäuse 32 umgibt die Motorkomponenten mit einem Abstand, so dass ein Zwischenraum 34 gebildet wird. Es ist mittels Verguss 7a, Dichtungen 42b und 42c bzw. 42a und 42c und eingestemmtem Blech 47 von der Elektronik abgedichtet. In diesen Zwischenraum kann über eine Öffnung 49 Öl zugeführt werden, so dass im Betrieb ein Ölnebel entsteht, der die Wärmeübertragung bzw. Abfuhr unterstützt. Werden Statorträger 1 und Gehäuse 2/33 einteilig ausgeführt kann auf die Dichtungen verzichtet werden, da über den Verguss und das eingestemmte Dichtblech der Motor komplett abgedichtet ist.
Ferner ist bei dieser Ausführung dargestellt, dass die Vergussmasse 7a mit der die Erregerspulen 7 umgossen bzw. umspritzt sind, bis an den Statorträger 1, insbesondere dessen radiale Erstreckung 1b, heranreicht und mit diesem über einen größeren Flächenbereich in Verbindung sind. Mit dieser Maßnahme wird der Wärmeübergang in axialer Richtung in den Statorträger und über diesen über das Gehäuse nach außen signifikant verbessert gegenüber dem Stand der Technik, bei dem die Spulenenden relativ weit vom Statorträger entfernt angeordnet sind. Weiter unterstützt wird dieser, indem das die Enden der Spulendrähte bzw. Kontaktstifte tragenden Stanzgitter 36 radial nach außen versetzt ist, so dass im radial innenliegenden Bereich Platz geschaffen wird und der Kontaktbereich weiter vergrößert werden kann und zusätzlich, indem ein Vergussmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Das von der Vergussmasse umschlossene Stanzgitter 36 ist über Kontaktstifte 48 mit der Elektronik bzw. der Leiterplatte verbunden und im Bereich 1c des Statorträgers über Verguss zur Elektronik abgedichtet. Bei 42c kann dabei eine weitere Dichtung vorgesehen sein.
Zur weiteren Verbesserung der Wärmesituation kann im Statorträger 1, insbesondere dessen radialer Erstreckung 1a, mittels entsprechender Kanäle 40 ein Wasserkreislauf vorgesehen sein. Die Abdichtung gegenüber dem angrenzenden Elektronikgehäuse 33 erfolgt z. B. mittels Ringdichtungen 42a, 42b.
Am Ende der Motorwelle 3 ist ein Sensortarget in einer entsprechenden Ausnehmung 46 des Elektronikgehäuses 33 vorgesehen. Diese Ausnehmung ist mittels eines eingestemmten Dichtungsdeckels 47 aus z. B. oder einem anderen magnetisch nicht leitfähigen Material (V2A-Stahl) und vorzugsweise zusätzlich nicht elektrisch leitfähigen Material (z. B. Kunststoff) verschlossen. Der Sensor 45 ist so angeordnet, dass das Sensorsignal kann über die im Elektronikgehäuse vorgesehene Leiterplatte über ein oder mehrere Hallelemente 45 direkt abgetastet werden.
Bezugszeichenliste

1: Statorträger
2: Gehäuseteil
3: Welle
4: Lager
5: Lager
6: Joch
7: Statorspule
7a: Vergussmasse
10: Aussenläufer
11: Mitnehmer
12: geriffelter Bereich
13: Öffnung
14: Lüfterelement
15: Blechpaket
16: Magnet
32: Gehäuse bzw. Motorgehäuse
33: Gehäuse bzw. Elektronikgehäuse
34: Zwischenraum
36: Stanzgitter
40: Kanal
42a: Ringdichtung
42b: Ringdichtung
42c: Ringdichtung
45: Sensortarget bzw. Hallelement
46: Ausnehmung
47: Dichtungsdeckel
48: Kontaktstift
49: Ölzufuhröffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010050403 A1 [0002]

Claims

Drehfeldmaschine mit einer in einem Stator und einer am Stator drehbar gelagerten Welle auf der ein Außenrotor angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenrotor (10) zumindest teilweise aus einem Kunststoff besteht.
Drehfeldmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am radial innenliegenden Ende des Außenrotors (10) ein, insbesondere aus Metall bestehender, Mitnehmer (11) angeordnet ist, der einerseits mit dem Rotor (10) und andrerseits mit der Welle (3) verbunden ist.
Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (11) eine zumindest teilweise geriffelte oder dergleichen Oberfläche aufweist, um den Rotor (10) daran zu befestigen.
Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Außenläufer gestückelte Magnete (16) und ein Blechpaket (15) für den Rückschluss angeordnet sind.
Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere im radial verlaufenden Teil des Rotors durchgehende Öffnungen (12) zur Belüftung vorgesehen sind, die mit Lüfterelementen versehen sein können.
Drehfeldmaschine, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (32) vorgesehen ist, das den Rotor (10) mit Abstand umgibt und das nach außen abgedichtet ist und dass in den dadurch gebildeten Raum ein Ölnebel eingebracht werden kann.
Drehfeldmaschine, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspulen (7) in geringem Abstand und vorzugsweise in Kontakt mit dem Statorträger (1), insbesondere dessen radialer Erstreckung, angeordnet sind.
Drehfeldmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verguss der Erregerspulen (7) ein Material hoher Leitfähigkeit verwendet wird.
Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik gegenüber dem Motor, insbesondere durch Verguss, eingestemmtes Blech (47) und Ringdichtungen (42c, 42a; 42c, 42b) abgedichtet ist.
Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Statorträger ein Wasserkreislauf vorgesehen ist, der, insbesondere mittels Ringdichtungen (42a, 42b) abgedichtet ist
Verfahren zur Herstellung des Läufers einer Drehfeldmaschine insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer aus Kunststoff, insbesondere Duroplast gefertigt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für den Rückschluss erforderliche Teile bei der Herstellung des Läufers mit Kunststoff umspritzt werden.
Verfahren zur Herstellung des Stators einer Drehfeldmaschine insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verguss des Stators mit einem Material hoher Leitfähigkeit erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verguss des Stators in der Weise erfolgt, dass das Vergussmaterial bis dicht an den Statorträger, insbesondere dessen radiale Erstreckung, herangeführt wird und insbesondere in Berührung mit diesem ist.