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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen als Antriebsmotoren, insbesondere für Zweiräder. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Gebiet von Läuferanordnungen für permanentmagneterregte elektrische Maschinen.
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Stand der Technik
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Elektrisch betriebene Zweiräder, wie beispielsweise Elektroroller, werden häufig mit getriebelosen Radnabenmotoren betrieben, die im Hinterrad integriert sind. Es handelt sich hierbei um permanentmagneterregte, bürstenlose, elektronisch kommutierte Synchronmotoren, so genannte PMSM-Motoren. Derartige Antriebsmotoren weisen in der Regel einen achsfesten Innenstator mit hoher Nutzahl von typischerweise über 51 auf sowie einen Außenläufer, der mit der Felge des Hinterrads verbunden ist.
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Der Außenläufer weist üblicherweise einen Rückschlussring aus magnetisch leitendem Material auf, an den sich die Felge des Hinterrads anschließt. Auf einer Innenumfangsfläche des Rückschlussrings sind eine Anzahl von Permanentmagneten, üblicherweise in Form von Seltene-Erden-Magneten, montiert. Die Polzahl des Außenläufers ist in der Regel recht hoch gewählt; häufig sind mehr als 46 Läuferpole vorgesehen.
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Die Permanentmagnete sind in Umfangsrichtung nebeneinander an die Innenumfangsfläche des Rückschlussrings montiert. Durch die hohe Polzahl und den durch den Radumfang vorgegebenen großen Innendurchmesser des Rückschlussrings ist die Menge an benötigten Seltene-Erden-Magneten sehr hoch, wodurch sich die Gesamtkosten des Antriebsmotors maßgeblich erhöhen.
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Die Bauweise mit in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Permanentmagneten, die bündig zueinander montiert sind, erweist sich als nachteilig, da Luftspaltverluste im Luftspalt des Motors zwischen den benachbarten Permanentmagneten entstehen, die mindestens 20% des Gesamtflusses betragen. Die Flussverluste mindern somit den für die Erregung benötigten Luftspaltfluss, der für die Momentenerzeugung des Antriebsmotors notwendig ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Läuferanordnung für eine permanentmagneterregte Außenläufermaschine zur Verfügung zu stellen, durch die die Menge an Permanentmagneten, insbesondere der Einsatz an Magnetmaterial, reduziert werden kann, ohne dabei die Leistungsfähigkeit des Antriebsmotors zu verringern.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Läuferanordnung für eine permanentmagneterregte Außenläufermaschine gemäß Anspruch 1 sowie durch den Antriebsmotor und das Antriebsrad gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Läuferanordnung für einen Antriebsmotor eines Zweirads vorgesehen, umfassend:
- – ein zylinderförmiges Rückschlusselement; und
- – Permanentmagnete, die mit radialer Polungsrichtung in Umfangsrichtung an dem Rückschlusselement angeordnet sind, um Läuferpole auszubilden;
wobei das Rückschlusselement voneinander beabstandete Ausnehmungen aufweist, in denen die Permanentmagnete angeordnet sind, so dass durch einen zwischen den Ausnehmungen liegenden Bereich des Rückschlusselements und die Permanentmagneten Läuferpole gebildet werden.
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Eine Idee der obigen Läuferanordnung besteht darin, ein Rückschlusselement mit Ausnehmungen zur Aufnahme von Permanentmagneten vorzusehen, so dass einerseits die Permanentmagnete nicht unmittelbar zueinander benachbart angeordnet sind und zum anderen der Rückschlussring gleichzeitig Folgepole zwischen den Ausnehmungen zum Anordnen der Permanentmagnete ausbildet. Dadurch, dass der Folgepol einstückig mit dem Rückschlusselement ausgebildet ist, lässt sich dieser in einfacher Weise fertigen.
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Die Flussverluste sind in dem weichmagnetischen Material des Rückschlusselements in der Regel sehr gering. Somit kann bei einer derartigen Folgepolanordnung die Anzahl an Permanentmagneten nahezu halbiert werden, ohne dass die Leistungsfähigkeit der so gebildeten elektrischen Maschine im Vergleich zu einer elektrischen Maschine mit einer benachbarten Anordnung der Permanentmagnete reduziert wird.
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Insgesamt kann der Einsatz an magnetischem Material zur Realisierung der Läuferanordnung für eine elektrische Maschine gleicher Leistungsfähigkeit deutlich reduziert werden.
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Weiterhin kann die Läuferanordnung einem Außenläufer entsprechen. Gemäß einer Ausführungsform kann die Breite der Ausnehmungen in Umfangsrichtung größer sein als die Breite der Permanentmagnete in Umfangsrichtung. Durch Vorsehen der entsprechenden Ausnehmungen im Rückschlusselement zur Aufnahme der Permanentmagnete mit einer Ausnehmungsbreite, die größer ist als die Breite der Permanentmagnete in tangentialer Richtung, gelangen die Magnetseiten nicht in Kontakt mit dem Material des Rückschlussrings. Dadurch können die magnetischen Rückschlüsse zwischen beiden Magnetpolen der einzelnen Permanentmagnete auf nahezu Null reduziert werden.
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Insbesondere können die einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Ränder konkav ausgebildet sein.
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Weiterhin kann das Rückschlusselement in axialer Richtung verlaufende Prägungen aufweisen, die in Umfangsrichtung mit gleichem Abstand vorgesehen sind, so dass die Ausnehmungen jeweils zwischen zwei benachbarten, nach innen gerichteten Prägungen ausgebildet sind.
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Ferner kann die Bodenfläche der Ausnehmung im Wesentlichen eben sein. Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Antriebsmotor für ein Antriebsrad eines Zweirads vorgesehen, umfassend die obige Läuferanordnung und eine Statoranordnung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Antriebsrad für ein Zweirad vorgesehen, umfassend den obigen Antriebsmotor und eine Felge, die direkt und fest mit der Läuferanordnung verbunden ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Antriebsmotor für eine Hinterradfelge eines Zweirads;
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2 eine Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt der Läuferanordnung mit einem geformten Rückschlusselement; und
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3 eine Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt der Läuferanordnung mit einem geprägten Rückschlusselement gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein Hinterrad 1 mit einem integrierten Antriebsmotor 2. Der Antriebsmotor 2 umfasst als Läuferanordnung einen Außenläufer 4, der drehbar um eine Achse 3 des Hinterrads 1 angeordnet ist. Der Außenläufer weist eine Innenumfangsfläche auf, an der Permanentmagnete 8 angeordnet sind, um Läuferpole 9 zum Bereitstellen eines Erregermagnetfelds auszubilden. Die Anzahl der Läuferpole 9 ist im Wesentlichen frei wählbar. Zum Bereitstellen einer hohen Leistungsdichte des Antriebsmotors 2 ist eine Anzahl an Läuferpolen 9 von über 40 sinnvoll.
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Der Antriebsmotor 2 umfasst weiterhin als Statoranordnung einen Innenstator 5, der fest an der Achse 3 angebracht und nicht drehbar montiert ist. Der Innenstator 5 weist Statorzähne 6 auf, die jeweils mit einer Statorspule 7 umwickelt und über eine nicht gezeigte Halterung mit der Achse 3 verbunden sind. Die Halterung verhindert eine Drehung des Innenstators 5 und dient weiterhin zur Aufnahme von Leitungen für eine Bestromung der Statorspulen 7. Die Bestromung erfolgt mithilfe eines nicht gezeigten Steuergeräts so, dass ein umlaufendes Magnetfeld durch die Statorspulen 7 bewirkt wird, das mit Permanentmagneten 5 in der Läuferanordnung 2 wechselwirkt und dadurch ein Moment auf den Außenläufer 4 ausübt.
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Der Innenstator weist einen Außendurchmesser auf, der um eine Luftspaltbreite geringer ist als ein durch die Läuferpole 9 definierter Innendurchmesser, so dass ein Luftspalt 16 zwischen Außenläufer 4 und Innenstator 5 ausgebildet ist. Übliche Luftspaltbreiten betragen zwischen 1 und 5 mm.
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Der Außenläufer 4 ist mit einer Felge 10 des Hinterrads 1 fest verbunden, so dass die Drehung des Außenläufers 4 unmittelbar auf die Felge 10 übertragen wird. Auf die Felge 10 ist ein Reifen 11 aufgezogen.
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2 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt des Außenläufers 4. Man erkennt ein ringförmiges Rückschlusselement 12 aus weichmagnetischem Material, wie beispielsweise Eisen. Das Rückschlusselement 12 weist an seiner der Achse 3 zugewandten Innenfläche in regelmäßigen Abständen entlang der Umfangsrichtung Ausnehmungen 13 auf, in die die Permanentmagnete 8 eingesetzt sind. Die einzusetzenden Permanentmagnete 8 liegen an einer Bodenfläche der Ausnehmungen 13 bündig an und bewirken somit eine gute magnetische Kopplung zwischen den Permanentmagneten 8 und dem Material des Rückschlusselements 12.
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Die Ausnehmungen 13 sind voneinander beabstandet, so dass zwischen den Ausnehmungen 13 ein Folgepol 14 gebildet wird, der ein Erregermagnetfeld ins Innere des Außenläufers 4 abgibt und insbesondere für den Luftspalt 16 zwischen Innenstator 5 und Außenläufer 4 bereitstellt.
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Die Polung der Permanentmagnete 8 ist in radialer Richtung ausgerichtet, wobei die Polung der verwendeten Permanentmagnete 8 bezüglich der radialen Ausrichtung identisch ist. Die Tiefe der Ausnehmungen 13 und die Dicke der Permanentmagnete 8 in radialer Richtung sind so aufeinander abgestimmt, dass die Permanentmagnete 8 nicht über die durch den Innenumfang des Außenläufers 4 gebildete Innenumfangsfläche in den Luftspalt hervorstehen. Vorzugsweise schließen die Permanentmagnete 8 bündig mit der Innenumfangsfläche ab.
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Die Ausnehmungen 13 weisen in Umfangsrichtung eine Breite auf, die größer ist als die entsprechende tangentiale Breite der Permanentmagnete 8, die in diese eingesetzt werden. Auf diese Weise ist seitlich der Permanentmagnete 8 (in Umfangsrichtung) kein magnetisches Material des Rückschlusselements 12 vorhanden ist. Dadurch können magnetische Kurzschlüsse zwischen den Magnetpolen der einzelnen Permanentmagnete 8 vermieden werden.
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Die einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Ränder können konkav ausgebildet sein, insbesondere eine viertelkreissegmentförmige Kontur aufweisen.
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Die Breite der zwischen den Ausnehmungen 13 angeordneten Folgepole 14 in Umfangsrichtung kann im Wesentlichen der Breite der Permanentmagnete 8 in Umfangsrichtung entsprechen, so dass eine gleichmäßige Polbreite für den gesamten Außenläufer 4 erreicht wird.
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3 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts eines Außenläufers 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der Ausführungsform der 2 ist das Rückschlusselement 12 nicht als Zylinder mit an der Innenumfangsfläche ausgebildeten Ausnehmungen 13, sondern als geprägter Zylinder ausgeführt. Dabei verlaufen Prägungen 15 in axialer Richtung des Außenläufers 4. Diese sind über den Umfang des Außenläufers 4 in gleichen Abständen vorgesehen. Die Anzahl der Prägungen 15 entspricht der halben Anzahl der vorgesehenen Läuferpole 9.
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Die Prägungen 15 des Rückschlusselements 12 werden so durchgeführt, dass ein in radialer Richtung nach außen versetzter Statorbereich im Bereich der Ausnehmungen 13 und ein in radialer Richtung nach innen versetzter Statorbereich im Bereich der Folgepole 14 ausgebildet ist. Es entsteht eine in Umfangsrichtung verlaufende, gewellte Struktur des Rückschlusselements 12, die aufgrund der Prägevorgänge einfach herzustellen ist. Beim Prägen ist darauf zu achten, dass der Boden der innenliegenden Ausnehmungen 13 eben ist, um einen bündigen Anschluss mit dem Magnetpol des betreffenden Permanentmagneten 8 zu gewährleisten. Insbesondere sollte der Boden der Ausnehmungen eine der Anlagefläche des Permanentmagneten entsprechende Kontur aufweisen, um den bündigen Anschluss mit dem Magnetpol des betreffenden Permanentmagneten 8 zu gewährleisten.
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Gleichzeitig können die Ausnehmungen 13, wie bereits in Verbindung mit der Ausführungsform der 2 beschrieben, mit Permanentmagneten 8 bestückt werden, wobei die zwischen den Permanentmagneten 8 liegenden Folgepole 14 zwischen jeweils zwei der Ausnehmungen 13 angeordnet sind. Da durch die Prägung die Gesamtdicke des Rückschlusselements 12 in radialer Richtung nicht beeinträchtigt wird, entsprechen die magnetischen Eigenschaften eines geprägten Rückschlusselements 12 im Wesentlichen den magnetischen Eigenschaften des Rückschlusselements 12 der Ausführungsform der 2.
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Die durch die Prägung im Bereich der Folgepole 13 entstehenden weiteren Ausnehmungen auf der Außenseite des Rückschlusselements 12 können zusätzlich zum Herstellen eines Formschlusses mit der Felge 10 oder einer sonstigen durch den Außenläufer 4 anzutreibenden Einrichtung verbunden werden. Somit kann eine Verbindung des Außenläufers 4 mit einer weiteren Einrichtung ohne zusätzliche Maßnahmen erreicht werden, um eine möglichst zuverlässige Momentenübertragung von dem Außenläufer 4 zu gewährleisten.
