DE102013202137A1 - Läuferanordnung für eine elektrische Maschine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Läuferanordnung (4) für einen Antriebsmotor (2) eines Zweirads, umfassend: – ein zylinderförmiges Rückschlusselement (12); und – Permanentmagnete (8), die mit radialer Polungsrichtung in Umfangsrichtung an dem Rückschlusselement (12) angeordnet sind, um Läuferpole (14) auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlusselement (12) voneinander beabstandete Ausnehmungen (13) aufweist, in denen die Permanentmagnete (8) angeordnet sind, so dass durch einen zwischen den Ausnehmungen (13) liegenden Bereich des Rückschlusselements (12) und die Permanentmagneten (8) Läuferpole (14) gebildet werden.
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen als Antriebsmotoren, insbesondere für Zweiräder. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Gebiet von Läuferanordnungen für permanentmagneterregte elektrische Maschinen.
- Stand der Technik
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Offenbarung der Erfindung
- 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.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- 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;
- 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.
- 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.
- Insgesamt kann der Einsatz an magnetischem Material zur Realisierung der Läuferanordnung für eine elektrische Maschine gleicher Leistungsfähigkeit deutlich reduziert werden.
- 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.
- Insbesondere können die einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Ränder konkav ausgebildet sein.
- 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.
- 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.
- 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.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
- Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Antriebsmotor für eine Hinterradfelge eines Zweirads; -
2 eine Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt der Läuferanordnung mit einem geformten Rückschlusselement; und -
3 eine Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt der Läuferanordnung mit einem geprägten Rückschlusselement gemäß einer weiteren Ausführungsform. - Beschreibung von Ausführungsformen
-
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein Hinterrad1 mit einem integrierten Antriebsmotor2 . Der Antriebsmotor2 umfasst als Läuferanordnung einen Außenläufer4 , der drehbar um eine Achse3 des Hinterrads1 angeordnet ist. Der Außenläufer weist eine Innenumfangsfläche auf, an der Permanentmagnete8 angeordnet sind, um Läuferpole9 zum Bereitstellen eines Erregermagnetfelds auszubilden. Die Anzahl der Läuferpole9 ist im Wesentlichen frei wählbar. Zum Bereitstellen einer hohen Leistungsdichte des Antriebsmotors2 ist eine Anzahl an Läuferpolen9 von über 40 sinnvoll. - Der Antriebsmotor
2 umfasst weiterhin als Statoranordnung einen Innenstator5 , der fest an der Achse3 angebracht und nicht drehbar montiert ist. Der Innenstator5 weist Statorzähne6 auf, die jeweils mit einer Statorspule7 umwickelt und über eine nicht gezeigte Halterung mit der Achse3 verbunden sind. Die Halterung verhindert eine Drehung des Innenstators5 und dient weiterhin zur Aufnahme von Leitungen für eine Bestromung der Statorspulen7 . Die Bestromung erfolgt mithilfe eines nicht gezeigten Steuergeräts so, dass ein umlaufendes Magnetfeld durch die Statorspulen7 bewirkt wird, das mit Permanentmagneten5 in der Läuferanordnung2 wechselwirkt und dadurch ein Moment auf den Außenläufer4 ausübt. - Der Innenstator weist einen Außendurchmesser auf, der um eine Luftspaltbreite geringer ist als ein durch die Läuferpole
9 definierter Innendurchmesser, so dass ein Luftspalt16 zwischen Außenläufer4 und Innenstator5 ausgebildet ist. Übliche Luftspaltbreiten betragen zwischen 1 und 5 mm. - Der Außenläufer
4 ist mit einer Felge10 des Hinterrads1 fest verbunden, so dass die Drehung des Außenläufers4 unmittelbar auf die Felge10 übertragen wird. Auf die Felge10 ist ein Reifen11 aufgezogen. -
2 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen Ausschnitt des Außenläufers4 . Man erkennt ein ringförmiges Rückschlusselement12 aus weichmagnetischem Material, wie beispielsweise Eisen. Das Rückschlusselement12 weist an seiner der Achse3 zugewandten Innenfläche in regelmäßigen Abständen entlang der Umfangsrichtung Ausnehmungen13 auf, in die die Permanentmagnete8 eingesetzt sind. Die einzusetzenden Permanentmagnete8 liegen an einer Bodenfläche der Ausnehmungen13 bündig an und bewirken somit eine gute magnetische Kopplung zwischen den Permanentmagneten8 und dem Material des Rückschlusselements12 . - Die Ausnehmungen
13 sind voneinander beabstandet, so dass zwischen den Ausnehmungen13 ein Folgepol14 gebildet wird, der ein Erregermagnetfeld ins Innere des Außenläufers4 abgibt und insbesondere für den Luftspalt16 zwischen Innenstator5 und Außenläufer4 bereitstellt. - Die Polung der Permanentmagnete
8 ist in radialer Richtung ausgerichtet, wobei die Polung der verwendeten Permanentmagnete8 bezüglich der radialen Ausrichtung identisch ist. Die Tiefe der Ausnehmungen13 und die Dicke der Permanentmagnete8 in radialer Richtung sind so aufeinander abgestimmt, dass die Permanentmagnete8 nicht über die durch den Innenumfang des Außenläufers4 gebildete Innenumfangsfläche in den Luftspalt hervorstehen. Vorzugsweise schließen die Permanentmagnete8 bündig mit der Innenumfangsfläche ab. - Die Ausnehmungen
13 weisen in Umfangsrichtung eine Breite auf, die größer ist als die entsprechende tangentiale Breite der Permanentmagnete8 , die in diese eingesetzt werden. Auf diese Weise ist seitlich der Permanentmagnete8 (in Umfangsrichtung) kein magnetisches Material des Rückschlusselements12 vorhanden ist. Dadurch können magnetische Kurzschlüsse zwischen den Magnetpolen der einzelnen Permanentmagnete8 vermieden werden. - Die einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Ränder können konkav ausgebildet sein, insbesondere eine viertelkreissegmentförmige Kontur aufweisen.
- Die Breite der zwischen den Ausnehmungen
13 angeordneten Folgepole14 in Umfangsrichtung kann im Wesentlichen der Breite der Permanentmagnete8 in Umfangsrichtung entsprechen, so dass eine gleichmäßige Polbreite für den gesamten Außenläufer4 erreicht wird. -
3 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts eines Außenläufers4 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der Ausführungsform der2 ist das Rückschlusselement12 nicht als Zylinder mit an der Innenumfangsfläche ausgebildeten Ausnehmungen13 , sondern als geprägter Zylinder ausgeführt. Dabei verlaufen Prägungen15 in axialer Richtung des Außenläufers4 . Diese sind über den Umfang des Außenläufers4 in gleichen Abständen vorgesehen. Die Anzahl der Prägungen15 entspricht der halben Anzahl der vorgesehenen Läuferpole9 . - Die Prägungen
15 des Rückschlusselements12 werden so durchgeführt, dass ein in radialer Richtung nach außen versetzter Statorbereich im Bereich der Ausnehmungen13 und ein in radialer Richtung nach innen versetzter Statorbereich im Bereich der Folgepole14 ausgebildet ist. Es entsteht eine in Umfangsrichtung verlaufende, gewellte Struktur des Rückschlusselements12 , die aufgrund der Prägevorgänge einfach herzustellen ist. Beim Prägen ist darauf zu achten, dass der Boden der innenliegenden Ausnehmungen13 eben ist, um einen bündigen Anschluss mit dem Magnetpol des betreffenden Permanentmagneten8 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 Permanentmagneten8 zu gewährleisten. - Gleichzeitig können die Ausnehmungen
13 , wie bereits in Verbindung mit der Ausführungsform der2 beschrieben, mit Permanentmagneten8 bestückt werden, wobei die zwischen den Permanentmagneten8 liegenden Folgepole14 zwischen jeweils zwei der Ausnehmungen13 angeordnet sind. Da durch die Prägung die Gesamtdicke des Rückschlusselements12 in radialer Richtung nicht beeinträchtigt wird, entsprechen die magnetischen Eigenschaften eines geprägten Rückschlusselements12 im Wesentlichen den magnetischen Eigenschaften des Rückschlusselements12 der Ausführungsform der2 . - Die durch die Prägung im Bereich der Folgepole
13 entstehenden weiteren Ausnehmungen auf der Außenseite des Rückschlusselements12 können zusätzlich zum Herstellen eines Formschlusses mit der Felge10 oder einer sonstigen durch den Außenläufer4 anzutreibenden Einrichtung verbunden werden. Somit kann eine Verbindung des Außenläufers4 mit einer weiteren Einrichtung ohne zusätzliche Maßnahmen erreicht werden, um eine möglichst zuverlässige Momentenübertragung von dem Außenläufer4 zu gewährleisten.
Claims (10)
- Läuferanordnung (
4 ) für einen Antriebsmotor (2 ) eines Zweirads, umfassend: – ein zylinderförmiges Rückschlusselement (12 ); und – Permanentmagnete (8 ), die mit radialer Polungsrichtung in Umfangsrichtung an dem Rückschlusselement (12 ) angeordnet sind, um Läuferpole (14 ) auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlusselement (12 ) voneinander beabstandete Ausnehmungen (13 ) aufweist, in denen die Permanentmagnete (8 ) angeordnet sind, so dass durch einen zwischen den Ausnehmungen (13 ) liegenden Bereich des Rückschlusselements (12 ) und durch die Permanentmagnete (8 ) Läuferpole (14 ) gebildet werden. - Läuferanordnung nach Anspruch 1, wobei die Läuferanordnung (
4 ) einem Außenläufer entspricht. - Läuferanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Breite der Ausnehmungen (
13 ) in Umfangsrichtung größer ist als die Breite der Permanentmagneten (8 ) in Umfangsrichtung, und insbesondere die Seitenflächen der Permanentmagnete (8 ) die einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Ränder der Ausnehmungen (13 ) nicht berühren. - Läuferanordnung nach Anspruch 3, wobei die einander in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Ränder der Ausnehmungen (
13 ) konkav ausgebildet sind. - Läuferanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Rückschlusselement (
12 ) in axialer Richtung verlaufende Prägungen (15 ) aufweist, die in Umfangsrichtung mit gleichem Abstand vorgesehen sind, so dass die Ausnehmungen (13 ) jeweils zwischen zwei benachbarten, nach innen gerichteten Prägungen (15 ) ausgebildet sind. - Läuferanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bodenfläche der Ausnehmung (
13 ) im Wesentlichen eben oder kreisbogenförmig ist. - Läuferanordnung nach Anspruch 1 bis 6, wobei alle Permanentmagnete (
8 ) die gleiche radiale Polungsrichtung aufweisen, und alle dazwischen liegende Bereiche des Rückschlusselements (12 ) eine entgegengesetzte radiale Polungsrichtung aufweisen, und insbesondere letztere Läuferpole als Folgepole ausgebildet sind. - Läuferanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Prägungen (
15 ) und die Ausnehmungen (13 ) mittels plastischer Materialumformung – insbesondere mittels Tiefziehen – aus einem Rückschlusselement (12 ) mit konstanter Wandstärke gebildet werden, wobei vorzugsweise die Innenflächen der Permanentmagnete (8 ) und die Innenflächen der Folgepole (15 ) näherungsweise denselben Innendurchmesser aufweisen. - Antriebsmotor (
2 ) für ein Antriebsrad (1 ) eines Zweirads, umfassend: – eine Läuferanordnung (4 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; und – eine Statoranordnung (5 ). - Antriebsrad (
1 ) für ein Zweirad, umfassend: – einen Antriebsmotor (2 ) nach Anspruch 6; und – eine Felge (10 ), die direkt und fest mit der Läuferanordnung (4 ) verbunden ist.
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