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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem hohlzylinderförmigen Ständer mit in Nuten auf der Innenseite angeordneten, eine Anzahl von Polen bildenden Drahtwicklungen und einem im Ständer durch einen Luftspalt beabstandet und rotierbar angeordneten Läufer, wobei im Läufer Permanentmagnete angeordnet sind. Sie betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Elektromotors.
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Elektromotoren dienen der Erzeugung mechanischer, üblicherweise rotatorischer Energie aus Elektrizität. In Elektromotoren wird die Kraft, die von einem Magnetfeld auf die stromdurchflossenen Leiter einer Spule ausgeübt wird, in Bewegung umgesetzt. Sie umfassen dazu einen statischen Ständer oder Stator und einen darin rotierenden, in entsprechenden Lagern gelagerten Läufer oder Rotor. Die Spulenwicklungen können dabei entweder auf dem Läufer angeordnet sein, oder – bei Elektromotoren mit innenliegenden Permanentmagneten – auf dem Ständer.
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Bei Motoren mit innenliegenden Permanentmagneten weist der Ständer typischerweise ein hohlzylinderförmiges Blechpaket mit einer Anzahl von in axialer Richtung auf der Innenseite eingebrachten Nuten auf, in denen die Drahtwicklungen angeordnet sind. Die Drahtwicklungen bilden dabei eine Mehrzahl von Polen. Im Läufer sind mehrere Permanentmagnete angeordnet. Diese sind in typischer Weise aus Seltenen Erdlegierungen (z. B. Neodym-Eisen-Bor, NdFeB) hergestellt, da diese eine besonders hohe Energiedichte ihres magnetischen Feldes aufweisen.
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Um Streuverluste zu vermeiden, wird der Luftspalt zwischen Ständer und Läufer üblicherweise möglichst klein gewählt. Weiterhin werden die Permanentmagnete möglichst nahe am Innendurchmesser des Ständers positioniert. Hierdurch ergibt sich jedoch der Nachteil, dass bei der Drehbewegung des Läufers Ummagnetisierungs- oder Eisenverluste auftreten, da die Flussdichte im Luftspalt durch die Nutung des Ständers nicht konstant ist, sondern pulsiert (Nutpulsation). Da gerade Neodym-Eisen-Bor-Magnete eine bessere elektrische Leitfähigkeit haben als z. B. Ferrite, werden hierdurch Wirbelströme induziert, die zu Wärmeverlusten führen. Weiterhin verschlechtern sich die magnetischen Eigenschaften der Magnete, da diese temperatursensibel sind, was zu einer Verringerung der elektrischen Performance führt.
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Die Wirbelstromverluste werden bislang durch Segmentierung der Magnete reduziert, was den Herstellungsaufwand erhöht. Alternativ werden teurere Magnetlegierungen verwendet, die hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften temperaturstabiler sind.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren anzugeben, die eine technisch einfachere und kostengünstigere Herstellung eines Elektromotors bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit erlauben.
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Bezüglich des Elektromotors wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Permanentmagnete derart angeordnet sind, dass sie einen vorgegebenen Mindestabstand vom Innendurchmesser des Ständers aufweisen, und wobei der Mindestabstand größer ist als die Tiefe des Wirkungsbereiches der durch die Bewegung des Läufers über die Nuten verursachten Änderungen der magnetischen Flussdichte im Luftspalt.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass der Wirkungsbereich der Nutpulsationen, d. h. der durch die Bewegung des Läufers über die Nuten verursachten Änderungen der magnetischen Flussdichte im Luftspalt begrenzt ist. Insbesondere reicht der Wirkungsbereich, d. h. der Bereich, in dem messbare Magnetfeldänderungen auftreten, nur in eine bestimmte Tiefe des Läufers hinein. Damit sind auch induzierte Wirbelströme auf diesen Wirkungsbereich begrenzt und treten ab einer bestimmten Tiefe im Läufer nicht mehr auf. Einbußen hinsichtlich der elektrischen Performance durch wirbelstrominduzierte Temperaturerhöhungen in den Permanentmagneten können nunmehr dadurch vermieden werden, dass die Permanentmagnete außerhalb dieses Wirkungsbereichs angeordnet werden, d. h. entgegen der bisher üblichen Bauweise nicht direkt am Rand des Luftspalts, sondern vielmehr tiefer im Läufer innerhalb des Blechpakets des Läufers. Wird ein Mindestabstand vom Innendurchmesser des Ständers eingehalten, so dass die Permanentmagnete außerhalb des Wirkungsbereiches der Magnetfeldänderungen liegen, werden in den Magneten keine Wirbelströme erzeugt und es entstehen hier keine zusätzlichen Wärmeverluste.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Mindestabstand dabei größer als
wobei B die Breite der Nut in der Ebene des Innendurchmessers des Ständers ist. Da die Nuten üblicherweise in axialer Richtung verlaufen, bezieht sich die Breite auf die Nutbreite quer zur axialen, d. h. azimutalen Richtung. Feldberechnungen ergeben, dass bei einem derartig gewählten Mindestabstand die Magneten außerhalb des Wirkungsbereichs der Nutpulsationen liegen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Mindestabstand kleiner als
wobei B die Breite der Nut in der Ebene des Innendurchmessers des Ständers, N die Anzahl der Nuten des Ständers, fmax die mechanisch maximal mögliche Drehfrequenz des Läufers und p die Anzahl der Pole ist. Die mechanisch maximal mögliche Drehfrequenz bezieht sich hierbei auf die Drehfrequenz, die unter Einhaltung entsprechender Sicherheiten maximal möglich ist, ohne die mechanische Integrität des Elektromotors zu gefährden. Zwar sind grundsätzlich auch noch größere Mindestabstände zum Innendurchmesser des Stators möglich, allerdings haben diese technische Nachteile hinsichtlich Leistung und Drehzahleignung. Daher sollte der genannte Mindestabstand nicht überschritten werden.
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Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines Elektromotors wird die Aufgabe gelöst, indem das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – Einbringen von Nuten auf der Innenseite eines hohlzylinderförmigen Ständers,
- – Anordnen von eine Anzahl von Polen bildenden Drahtwicklungen in den Nuten,
- – Anordnen eines durch einen Luftspalt beabstandeten und rotierbaren Läufers im Ständer,
- – Bestimmen der Tiefe des Wirkungsbereiches der durch die Bewegung des Läufers über die Nuten verursachten Änderungen der magnetischen Flussdichte im Luftspalt,
- – Vorgeben eines Mindestabstands vom Innendurchmesser des Ständers, der größer ist als die bestimmte Tiefe, und
- – Anordnen von Permanentmagneten im Läufer mit dem vorgegebenen Mindestabstand vom Innendurchmesser des Ständers.
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In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst das Bestimmen der Tiefe des Wirkungsbereiches der durch die Bewegung des Läufers über die Nuten verursachten Änderungen der magnetischen Flussdichte im Luftspalt dabei eine Berechnung der magnetischen Felder im Läufer. Mittels einer entsprechenden Feldberechnung z. B. mit numerischen Methoden am Computer lässt sich der Wirkungsbereich spezifisch für den jeweiligen Elektromotor bestimmen. Dadurch kann ein exakter, nicht zu großer Mindestabstand vorgegeben werden, bei dem Wirbelströme durch Nutpulsation in den Permanentmagneten vermieden werden.
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In alternativer oder zusätzlicher vorteilhafter Ausgestaltung liegt der Mindestabstand über bzw. unter den bereits oben genannten, durch Formeln dargestellten Werten.
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Ein Elektromotor wird vorteilhafterweise mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt.
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Ein Kraftfahrzeug umfasst vorteilhafterweise einen derartigen Elektromotor. Ein derartiger Elektromotor mit innenliegenden Permanentmagneten ist nämlich besonders geeignet für eine Anwendung in einem Elektrokraftfahrzeug, da er einen ausgeprägten Feldschwächbereich und guten Leistungsfaktor bei Maximaldrehzahl aufweist. Dies wird durch einen hohen Anteil an Reluktanzmoment erreicht. Durch den genannten Mindestabstand der Permanentmagneten vom Innendurchmesser des Stators wird der Wirkungsgrad des Motors verbessert und damit Leistung und Reichweite des Elektrokraftfahrzeugs erhöht.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Verlagerung innenliegender Permanentmagneten in Elektromotoren in tiefere Bereiche des Läuferblechpakets die Wirbelstromverluste in den Permanentmagneten verringert und damit die Verschlechterung der elektrischen Performance durch Erwärmung der Magnete infolge der Nutpulsation minimiert wird. Zwar steigen die Eisenverluste im Blechpaket durch diese Maßnahme an, es zeigt sich jedoch, dass die zusätzlichen Verluste und die damit resultierende Erwärmung des Elektroblechs an der Oberfläche des Läufers in der Wirkung günstiger ist als ein direktes Erwärmen der Magnete. In der Summe wird ein wie beschrieben ausgebildeter Läufer mit damit vergleichsweise kühler. Dies wird verstärkt durch die gute thermische Ankopplung des Elektroblechs an den Luftspalt. Der Wärmefluss aus oder zu den Magneten wird durch zusätzliche Übergangswiderstände wie z. B. Kleber oder Verguss verringert.
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Die Performance des Elektromotors wird durch die kühleren Magnete verbessert, was sich in einem höheren Wirkungsgrad und einer größeren Maximalleistung äußert. Darüber hinaus sinken die Kosten für Magnete, da temperaturinstabilere und damit günstigere Magnetlegierungen verwendet werden können.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 einen teilweisen radial-azimutalen Schnitt durch den Ständer eines Elektromotors mit innenliegenden Permanentmagneten,
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2 einen teilweisen radial-azimutalen Schnitt durch den Elektromotor mit einer Darstellung des Wirkungsbereichs der Nutpulsationen bei Maximaldrehzahl, und
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3 den Schnitt mit einer Darstellung des Wirkungsbereichs der Nutpulsationen im Leerlauf.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ausschnittsweise einen Schnitt durch einen Teil eines Elektromotors 1, nämlich des Ständers 2. Der Ständer 2 ist hohlzylinderartig geformt. Auf der Innenseite 4 des den Zylindermantel bildenden Teils des Ständers 2 sind insgesamt N Nuten 6 eingebracht. Die Nuten 6 erstrecken sich in axialer Richtung, sind gleichartig ausgebildet und gleichmäßig entlang des Umfangs des Ständers 2 verteilt. Sie haben einen abgerundeten Boden und verjüngen sich zu ihrem Eintritt 8 hin.
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Der Eintritt 8 liegt in der Ebene des Innendurchmessers d des Ständers 2 und hat dort die Breite B, gemessen in Umfangsrichtung. In den Nuten 6 sind Drahtwicklungen 10 angeordnet, die die Nuten 6 bis knapp unter den Eintritt 8 ausfüllen. Die Drahtwicklungen 10 bilden dabei eine Anzahl p von Polen. Drahtwicklungen 10, die verschiedenen Phasen zugeordnet sind, sind in den Figuren mit unterschiedlichen Schraffuren dargestellt. Der übrige Teil des Ständers 2 besteht aus einem Blechpaket.
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2 zeigt gegenüber 1 zusätzlich ausschnittsweise den Läufer 12 des Elektromotors 1. Der Läufer 12 besteht ebenfalls aus einem Blechpaket, in das im Querschnitt rechteckige Permanentmagnete 14 eingebracht sind. In der 2 ist beispielhaft ein Paar von Permanentmagneten 14 gezeigt, die in Bezug auf eine radial-axiale Ebene spiegelsymmetrisch angeordnet sind und sich zur Ebene hin neigen. Die Permanentmagnete 14 sind aus einem Material mit hohem magnetischem Energieprodukt, z. B. einer NdFeB-Verbindung gefertigt.
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Zwischen dem Läufer 12 und dem Ständer 2 ist ein Luftspalt 16 gebildet, der eine zylindermantelartige Form aufweist. Die Permanentmagnete 14 grenzen nicht direkt an den Luftspalt 16 an, sondern sind in die Tiefe des Blechpakets des Läufers 12 verschoben. Der Mindestabstand der Permanentmagnete 14 zum Innendurchmesser d des Ständers 2 wurde dabei anhand von Feldberechnungen ermittelt. Er ist so gewählt, dass die durch Nutpulsationen bei der Drehung des Läufers 12 im Ständer 2 erzeugten Magnetfeldänderungen hinsichtlich ihres Wirkungsbereichs 18 nicht bis zu den Permanentmagneten 14 reichen.
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Der Wirkungsbereich 18 der Nutpulsationen ist in 2 für die mechanisch maximal mögliche Drehfrequenz fmax von 13000 Umdrehungen pro Minute dargestellt. Wie 2 zeigt, reicht der Wirkungsbereich 18 nicht bis an die Permanentmagneten 14 heran.
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In
2 sind weiterhin zwei Mindestabstände M1 und M2 dargestellt. Hierbei gelten
und
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Die Permanentmagnete 14 sind im Ausführungsbeispiel mit einem Mindestabstand M1 vom Innendurchmesser d des Ständers 2 angeordnet. Ein derartiger Mindestabstand stellt sicher, dass die Permanentmagnete 14 außerhalb des Wirkungsbereichs der Nutpulsationen liegen. Größere Mindestabstände sind möglich, sie sollten aber nicht größer als M2 werden.
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3 zeigt schließlich die gleiche Darstellung wie 2, jedoch ist hier der Wirkungsbereich 18 der Nutpulsationen im Leerlauf bei ca. 1000 Umdrehungen pro Minute gezeigt. Der Wirkungsbereich 18 ist hier kleiner als in 2 und reicht ebenfalls nicht bis an die Permanentmagnete 14 heran.
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Der dargestellte Elektromotor 1 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Antrieb zum Einsatz kommen.
