DE102012107793B4

DE102012107793B4 - Bürstenloser Motor

Info

Publication number: DE102012107793B4
Application number: DE102012107793.2A
Authority: DE
Inventors: Yue Li; Jin Yun Gan; Chui You ZHOU; Cheng Xue; Ya Ming Zhang
Original assignee: Johnson Electric International AG
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2024-04-04
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: CN102957227A; DE102012107793A1; JP2013046571A; US9729037B2; US20130052061A1

Abstract

Bürstenloser Motor, umfassend:einen Ständer der einen Ständerkern (42), der 6N Zähne (45) hat, undeine Ständerwicklung umfasst, die 6N Spulen (46) hat, die jeweils um die Zähne gewickelt sind, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist; undeinen Läufer (10), der eine Welle (12), einen Läuferkern (14), der an der Welle befestigt ist, und 6N ± 2 Permanentmagnete (24) umfasst, die an dem Läuferkern befestigt sind;dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (24) in Umfangsrichtung um den Ständer (42) angeordnet sind und den Zähnen (45) über einen Luftspalt (30) gegenüberliegen, wobei die radiale Dicke des Luftspalts (30) entlang der Umfangsrichtung des Motors ungleichmäßig ist,wobei jeder Permanentmagnet (24) eine Umfangsmitte und zwei Umfangsenden hat und die radiale Dicke jedes Permanentmagnets in der Mitte größer ist als die radiale Dicke an den Umfangsenden undwobei die radiale Dicke des Luftspalts (30) in der Umfangsmitte der Magnete kleiner ist als an den Umfangsenden der Magnete undwobei die dem Ständerkern (42) zugewandte radial innere Fläche (25) jedes Permanentmagnets (24) eine ebene Fläche ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Elektromotoren und insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) haben große Akzeptanz gefunden. Aus diesem Grund ist auch der Bedarf an BLDC-Motoren mit besserer Qualität gestiegen. Es wurden Verbesserungen gemacht, die sich auf die Anzahl von Permanentmagnetpolen und elektromagnetischen Polen von BLCD-Motoren beziehen, um deren Qualität und Effizienz zu steigern. Zum Beispiel lehrt die US 4 774 428 A einen Motor mit 3(2n+1)±1 Permanentmagnetpolen und 3(2n+1) elektromagnetischen Polen. Die durch diese Druckschrift vorgeschlagene Lösung der Qualitäts- und Effizienzprobleme schlägt einen Motor mit einem asymmetrischen Spulenwicklungsmuster vor, weshalb hier bedeutende asymmetrische Radialkräfte beteiligt sind. Diese asymmetrischen Radialkräfte sind besonders offensiv bei Anwendungen, bei denen der Motor unter hohen Lasten arbeitet. Auch der gleichmäßige Luftspalt zwischen den Permanentmagnetpolen und den elektromagnetischen Polen führt zu einer bedeutenden Restwelligkeit des Drehmoments oder zu einem bedeutenden Rastmoment.
Die US 2008/0136285 A1 lehrt einen Außenläufer-Spindelmotor für einen Diskettenantrieb mit einem Ständer mit 6 Ständerpolen und einem Läufer mit 8 Permanentmagnetpolen, wobei Ständerzähne an den Ständerpolen an ihrer den Permanentmagneten über einen Luftspalt zugewandten Außenfläche je zwei Schlitze aufweisen.
Aus der JP 2010-158130 A ist ein Außenläufer-Elektromotor für einen Aufzug bekannt, der 12 Ständerpole und 10 Permanentmagnetpole am Läufer aufweist. Die Permanentmagnetpole haben an ihrer zum Ständer über einen Luftspalt hin gewandten Innenfläche eine gekrümmte Bogenform, wobei die Dicke an der Mitte größer als an den Enden ist.
Aus der DE 600 14 126 T2 sind ein bürstenloser Außenläufer-Gleichstrommotor für ein Gebläse und ein damit versehenes Gebläse bekannt, wobei Flügel oder Blätter des Lüfters an dem Außenläufer angeordnet sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach herzustellenden bürstenlosen Motor mit symmetrischen Radialkräften und einem geringen Rastmoment zu schaffen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein bürstenloser Motor angegeben, umfassend: einen Ständer, der einen Ständerkern mit 6N Zähnen und eine Ständerwicklung mit 6N Spulen hat, die jeweils um die Zähne gewickelt sind, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist; und einen Läufer mit einer Welle, einem an der Welle befestigten Läuferkern und mit 6N ± 2 Permanentmagneten, die an dem Läuferkern befestigt sind; wobei die Permanentmagnete in Umfangsrichtung um den Ständerkern angeordnet sind und den Zähnen über einen Luftspalt gegenüberliegen, wobei die radiale Dicke des Luftspalts entlang der Umfangsrichtung des Motors ungleichmäßig ist.
Erfindungsgemäß hat jeder Permanentmagnet eine Umfangsmitte und zwei Umfangsenden, und die radiale Dicke jedes Permanentmagnets in der Mitte ist größer als die radiale Dicke an den Umfangsenden, und die radiale Dicke des Luftspalts ist kleiner in der Mitte der Magnete als an den Umfangsenden der Magnete.
Erfindungsgemäß ist die radial innere Fläche jedes Permanentmagnets eine ebene Fläche.
Vorzugsweise hat jeder Zahn des Ständerkerns mindestens einen Schlitz, der sich in der axialen Richtung des Motors an dessen radial äußeren Fläche erstreckt.
Vorzugsweise sind benachbarte Permanentmagnete in Umfangsrichtung voneinander beabstandet.
Vorzugsweise hat der Läuferkern ein becherförmiges Gehäuse mit einem Gehäuseende und einer im Wesentlichen rohrförmigen Wand, die von dem Gehäuseende vorspringt, wobei die Permanentmagnete an einer Innenfläche der Wand befestigt sind.
Vorzugsweise hat das Gehäuseende eine Anzahl von Montageöffnungen für die Montage eines Gebläses.
Vorzugsweise hat das Gehäuseende eine Anzahl von Öffnungen, durch welche Luft durch den Innenraum des Motors strömen kann.
Vorzugsweise hat der Ständer eine Montageplatte mit einem hohlen Stützteil, das an dem Ständerkern befestigt ist und durch dessen Mitte hindurchgeführt ist, und die Welle ist durch mindestens zwei axial beabstandete Lager, die an einer Innenfläche des Stützteils befestigt sind, an dem Stützteil gesichert.
Vorzugsweise hat die Montageplatte in einer dem Motor abgewandten Fläche eine Ausnehmung für die Aufnahme einer Steuerschaltungsplatte.
Vorzugsweise hat die Montageplatte eine Durchgangsöffnung, die mit dem hohlen Stützteil in Verbindung steht.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kühlgebläseanordnung angegeben, umfassend: ein Gebläse und einen bürstenlosen Motor mit einem Läufer, der mit dem Gebläse verbunden ist, und mit einem Ständer, der in dem Läufer aufgenommen ist, wobei der Motor gemäß einer der zuvor genannten Ausgestaltungen ausgebildet ist.
Vorzugsweise hat das Gebläse eine zentrale rohrförmige Nabe mit einem Raum und einer Anzahl von Flügeln, die sich von der rohrförmigen Nabe radial erstrecken, wobei der Läufer in dem Raum angeordnet ist.
Vorzugsweise hat der Läuferkern ein becherförmiges Gehäuse, und das Gebläse ist direkt mit dem Gehäuse verbunden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels erläutert, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.

1 zeigt einen BLDC-Motor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Schnittansicht des Motors von 1 ;
3 zeigt einen Ständer und einen Läufer des Motors von 1;
4 ist eine Draufsicht auf den Ständer und den Läufer von 3;
5 zeigt die Magnete des Läufers von 4:
6 ist ähnlich wie 4 eine Draufsicht auf einen Läufer und einen Ständer eines BLCD-Motors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
7 zeigt ein Gebläse zur Verwendung bei dem Motor von 1, um eine Kühlgebläseanordnung zu bilden.

DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird auf die 1 bis 5 Bezug genommen. Ein bürstenloser Motor 1 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat einen Läufer 10 und einen Ständer 40.
Der Läufer 10 hat eine Welle 12, einen an der Welle befestigten Läuferkern und 6N ± 2 Permanentmagnete 24, die an dem Läuferkern befestigt sind, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist. In der bevorzugten Ausführungsform hat der Läufer 10 zehn Permanentmagnete. Der Läuferkern hat die Form eines becherförmigen Gehäuses 14. Das Gehäuse 14 hat ein scheibenförmiges Gehäuseende 15 und eine im Wesentlichen rohrförmige Wand 23, die sich von der Umfangskante des Gehäuseendes 15 erstreckt. Das Gehäuseende 15 definiert in dessen Mitte eine Befestigungsöffnung 17. Idealerweise hat die Befestigungsöffnung die Form eines rohrförmigen Ansatzes. Die Permanentmagnete 24 sind an einer Innenfläche der Wand 23 befestigt, zum Beispiel mit einem Klebstoff. Solchermaßen bildet jeder Permanentmagnet 24 einen Permanentmagnetpol. Ein Ende der Welle 12 ist an dem Gehäuse befestigt ist, indem es in die Befestigungsöffnung 17 eingepresst ist.
Der Ständer 40 hat einen Ständerkern 42, eine Anzahl von Spulen 46 und eine Befestigungsplatte 48. Der Ständerkern 42 hat ein im Wesentlichen rohrförmiges Joch 43 und 6N Zähne 45, die von der Außenfläche des Jochs 43 nach außen vorspringen, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist. In der bevorzugten Ausführungsform hat der Ständer 42 zwölf Zähne, und es sind zwölf Spulen 46 vorhanden, die jeweils um einen betreffenden einzelnen Zahn gewickelt sind. Die Spulen 46 können eine Y-Verbindung oder eine Delta-Verbindung aufweisen, die hinreichend bekannt sind und hier nicht mehr im Detail beschrieben werden. Jeder Zahn 45 und die um den Zahn gewickelte Spule 46 bilden einen elektromagnetischen Pol. Die Montageplatte 48 hat ein hohles, vorzugsweise rohrförmiges Stützteil 49. Das Stützteil 49 ist in das Joch 43 eingesetzt, so dass der Ständerkern 42 an der Montageplatte 48 festgelegt ist. In 4, die den Läufer 10 und den Ständer 40 in einer Draufsicht auf den Motor 1 darstellt, wobei die Montageplatte weggelassen wurde, wurden auch zwei Spulen weggelassen, um die Konstruktion der Zähne 45 des Ständerkerns zu zeigen.
Die Welle 12 ist durch zwei axial voneinander beabstandete Lager 28, die in der zentralen Öffnung des Stützteils 49 befestigt sind, in dem rohrförmigen Stützteil 49 gesichert, so dass das Gehäuse 14 drehbar an der Ständeranordnung 40 festgelegt ist. Auf diese Weise sind die Permanentmagnete 24 um den Ständerkern 42 angeordnet und liegen den Zähnen 45 über Luftspalte 30 gegenüber. Das freie Ende der Wand 23 ist von der Montageplatte 48 beabstandet.
Die radiale Dicke des Luftspalts 30, d.h. der radiale Abstand zwischen der äußeren Endfläche der Zahns 45 und der Innenfläche des Permanentmagnets 24, der auf den Zahn 45 ausgerichtet ist und diesem gegenüberliegt, ist in der Umfangsrichtung des Motors 1 nicht konstant oder gleichmäßig. Verglichen mit üblichen Motoren mit einem gleichmäßigen Luftspalt hat der vorliegende Motor mit ungleichmäßigen Luftspalten 30 einen geringeren Eisenverlust und ein geringeres Rastmoment. Verglichen mit gleichmäßigen Luftspalten sorgen die ungleichmäßigen Luftspalten 30 dafür, dass die elektromotorische Rückkraft (EMF) annähernd einer Sinuswelle entspricht, so dass, wenn Ströme und insbesondere quasi-sinusförmige Ströme oder sinusförmige Ströme durch die Spulen 46 fließen, die Restwelligkeit des Drehmoments wesentlich geringer wird. Ebenso da der Motor 6N elektromagnetische Pole und 6N ± 2 Permanentmagnetpole hat, können auch nur zwei einander diametral gegenüberliegende elektromagnetische Pole gleichzeitig auf die Permanentmagnetpole ausgerichtet werden. Aus diesem Grund sind die Radialkräfte symmetrisch, und die Motordrehung ist rund.
Die Dicke in der radialen Richtung des Motors ist in der Mitte jedes Permanentmagnets 24 größer als die radiale Dicke an den Umfangsenden der Permanentmagnete 24. Aus diesem Grund ist die radiale Dicke des Luftspalts 30 in der Mitte jedes Magnets kleiner als an den Enden jedes Magnets, wodurch ein ungleichmäßiger Luftspalt gebildet wird. Jedoch versteht es sich, dass eine Krümmung der radial äußeren Fläche der Zähne, die größer als die der Magnete ist, ein anderer Weg ist, um einen ungleichmäßigen Luftspalt zu bilden.
Wie 5 zeigt, sind die Innenflächen 25 der Permanentmagnete 24 eben, während ihre Außenfläche 27 unter Anpassung an die Innenfläche der Wand 23 bogenförmig ist.
Vorzugsweise kann die Montageplatte 48 eine Durchgangsöffnung 51 definieren, die mit einem Stützteil 49 in Verbindung steht. Auf diese Weise lässt sich eines der beiden Lager 28 über die Durchgangsöffnung 51 ohne weiteres in das Stützteil 49 einsetzen.
Vorzugsweise sind benachbarte Permanentmagnete 24 voneinander beabstandet, wodurch der magnetische Streufluss über die Flächen der Magnete reduziert wird.
Vorzugsweise definiert jeder Zahn 45 mindestens einen Schlitz 47, vorzugsweise drei Schlitze, die sich in der axialen Richtung des Motors an dessen radial äußerer Fläche erstrecken, um das Rastmoment zu reduzieren.
Vorzugsweise definiert das Gehäuseende 15 eine Anzahl von ersten Montageöffnungen 19 für die Montage eines Gebläses 60, wie beispielsweise das in 7 gezeigte Gebläse. Das Gebläse 60 hat eine zentrale rohrförmige Nabe 62 und eine Anzahl von Flügeln 64, die sich radial von der Nabe 62 erstrecken. Die Nabe 62 definiert eine Anzahl von mit den ersten Montageöffnungen 19 korrespondierenden zweiten Montageöffnungen 68 und einen Raum 66, in dem der Läufer 10 des Motors 1 untergebracht ist. Schrauben (nicht gezeigt) verbinden das Gebläse 60 über die ersten und zweiten Montageöffnungen 19, 68 mit dem Läufer, so dass der Läufer 10 in dem Raum 66 aufgenommen wird. Auf diese Weise ist das Gebläse 60 an dem Motor befestigt, um eine Kühlgebläseanordnung zu bilden.
Das Gehäuseende 15 kann ferner eine Anzahl von Öffnungen 21 definieren, durch welche Luft durch das Innere des Motors strömen kann, d.h. von dem Raum zwischen den Wänden 23 und der Montageplatte 48 durch die Luftspalte 30 und die Schlitze zwischen benachbarten Zähnen 45 und schließlich aus den Öffnungen 21 oder umgekehrt.
Vorzugsweise definiert die Montageplatte 48 an der dem Läufer 10 abgewandten Fläche eine Kammer/Aussparung 53 zur Aufnahme einer Steuerschaltungsplatte (nicht gezeigt) des Motors.
Es versteht sich, dass der BLDC-Motor nicht auf zwölf elektromagnetische Pole und zehn Permanentmagnetpole beschränkt ist. Ein Motor mit zwölf elektromagnetischen Polen und mit vierzehn Permanentmagnetpolen ist zum Beispiel in 6 gezeigt. 6 zeigt den Läufer und Ständer eines BLCD-Motors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ansonsten ist die Konstruktion dieses Motors ähnlich wie die des Motors der ersten Ausführungsform.
Verben wie „umfassen“, „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedenen Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Bürstenloser Motor, umfassend: einen Ständer der einen Ständerkern (42), der 6N Zähne (45) hat, und eine Ständerwicklung umfasst, die 6N Spulen (46) hat, die jeweils um die Zähne gewickelt sind, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist; und einen Läufer (10), der eine Welle (12), einen Läuferkern (14), der an der Welle befestigt ist, und 6N ± 2 Permanentmagnete (24) umfasst, die an dem Läuferkern befestigt sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (24) in Umfangsrichtung um den Ständer (42) angeordnet sind und den Zähnen (45) über einen Luftspalt (30) gegenüberliegen, wobei die radiale Dicke des Luftspalts (30) entlang der Umfangsrichtung des Motors ungleichmäßig ist, wobei jeder Permanentmagnet (24) eine Umfangsmitte und zwei Umfangsenden hat und die radiale Dicke jedes Permanentmagnets in der Mitte größer ist als die radiale Dicke an den Umfangsenden und wobei die radiale Dicke des Luftspalts (30) in der Umfangsmitte der Magnete kleiner ist als an den Umfangsenden der Magnete und wobei die dem Ständerkern (42) zugewandte radial innere Fläche (25) jedes Permanentmagnets (24) eine ebene Fläche ist.
Motor nach Anspruch 1, wobei jeder Zahn (45) des Ständerkerns (42) mindestens einen Schlitz (47) hat, der sich in der axialen Richtung des Motors an dessen radial äußerer Fläche erstreckt.
Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Läuferkern ein becherförmiges Gehäuse (14) hat, das ein Gehäuseende (15) und eine von dem Gehäuseende vorspringende, im Wesentlichen rohrförmige Wand (23) aufweist, wobei die Permanentmagnete (24) an einer Innenfläche der Wand befestigt sind.
Motor nach Anspruch 3, wobei das Gehäuseende (15) eine Anzahl von Montageöffnungen (19) zum Montieren eines Gebläses (60) aufweist.
Motor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das Gehäuseende (15) eine Anzahl von Öffnungen (21) zum Durchströmen von Luft durch das Innere des Motors.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Ständer (40) eine Montageplatte (48) mit einem hohlen Stützteil (49) umfasst, das an dem Ständerkern (42) befestigt und durch dessen Mitte hindurchgeführt ist, und wobei die Welle (12) durch mindestens zwei axial beabstandete Lager (28), die an einer Innenfläche des Stützteils befestigt sind, an dem Stützteil gesichert ist.
Motor nach Anspruch 6, wobei die Montageplatte (48) in einer dem Läufer abgewandten Fläche eine Aussparung (53) für die Aufnahme einer Steuerschaltungsplatte aufweist.
Kühlgebläseanordnung, umfassend: ein Gebläse (60) und einen bürstenlosen Motor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Anordnung nach Anspruch 8, wobei das Gebläse eine zentrale rohrförmige Nabe (62) umfasst, die einen Raum (66) und eine Anzahl von Flügeln (64) hat, die sich von der rohrförmigen Nabe radial erstrecken, wobei der Läufer (10) in dem Raum (66) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Gebläse (60) direkt mit dem Läuferkern (14) verbunden ist.