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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Elektromotor, insbesondere für eine Klimaanlage, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und einen Elektromotor für eine Klimaanlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 9, sowie eine Klimaanlage mit einem Elektromotor nach dem Oberbegriff von Anspruch 13.
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Stand der Technik
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Elektromotoren werden beispielsweise in einer Klimaanlage, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise als Gebläsemotoren in Klimageräten, zum Erzeugen eines gerichteten Luftstroms eingesetzt.
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Des Weiteren werden Elektromotoren im Motorkühlungs- und Klimasystem als Kühler- und/oder Kondensatorlüfterantrieb verwendet. Der Luftdurchsatz durch den Kühler und/oder Kondensator wird beispielsweise durch einen mit dem Elektromotor angetriebenen Lüfter, der im Allgemeinen benachbart zum Kühler/Kondensator angeordnet ist, erreicht. Der Gebläse- bzw. Lüftermotor umfasst in der Regel eine Antriebseinheit mit einem Rotor, einer Rotor-Welle und Permanentmagneten sowie eine Steuereinheit, die die Antriebseinheit ansteuert und den Betrieb des Gebläse-/Lüftermotors steuert und regelt. Ein Lüfterrad oder Gebläselaufrad ist mit der Antriebseinheit verbunden. Das Lüfterrad des Gebläses wird in der Regel auf die Rotor-Welle des Elektromotors aufgesetzt und aufgepresst. Als Gebläse- und Lüftermotoren werden heutzutage DC-Motoren (direct current) verwendet, wobei immer mehr BLDC-Motoren (brushless direct current) zum Einsatz kommen.
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Die
DE 10 2004 004 227 A1 betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem Stator und einem Rotor, wobei sich an den Stator und den Rotor ein Elektronikgehäuse anschließt.
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Die
DE 10 2005 013 674 A1 betrifft einen bürstenlosen Motor mit einem inneren Rotor, bei dem am Außenumfang des Rotors ein Magnet angeordnet ist, der den inneren Rotor bildet. Der Magnet ist ein gesinterter Ringmagnet.
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Die
DE 10 2005 057 989 A1 offenbart ein elektrisches Lüftersystem für ein Fahrzeug und weist zwei elektrische Lüfter auf. Das elektrische Lüftersystem weist einen ersten Lüfter mit einem bürstenlosen Motor und einen zweiter Lüfter mit einem Bürstenmotor auf.
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Die
DE 10 2010 044 453 A11 betrifft einen bürstenlosen Motor und im Besonderen einen bürstenlosen Mikromotor mit einem Läufer mit einer Welle und einem an der Welle befestigten Läuferkern sowie eine Mehrzahl an dem Läuferkern montierten Magneten.
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Die
DE 102 46 608 A1 offenbart einen Außenläufermotor, insbesondere zum Antrieb von Lüftern oder Ventilatoren, bestehend aus einem stationär angeordneten Innenstator sowie einem drehbar um den Innenstator herum angeordneten Außenrotor.
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Die
DE 100 63 619 A1 betrifft eine Antriebseinheit für ein Gebläse in einem Fahrzeug mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor und einer Ansteuereinheit. Ein Lüfterrad kann auf ein vom Rotor abstehendes Ende einer Lagerwelle aufgesetzt werden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Elektromotor insbesondere zum Einsatz in einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Rotor für einen Elektromotor mit den Merkmalen von Anspruch 1 und einem Elektromotor mit einem Rotor gemäß Anspruch 8 gelöst.
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Der Rotor für einen Elektromotor insbesondere für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges weist einen Rotorkörper mit einem Rotorkörpermantel und einem Rotorkörperdeckel auf, wobei der Rotorkörper als Rotorkörper-Lüfterrad-Element ausgebildet ist. Das integrale Rotorkörper-Lüfterrad-Element ist ein einstückiges Bauteil, welches einen großen Design-Spielraum ermöglicht. Gleichzeitig kann Gewicht eingespart werden. Außerdem können bei der Gestaltung der integralen Geometrie für den Rotorkörper und das Lüfterrad auch aerodynamische und akustische Vorteile realisiert werden. Beispielsweise kann die Gesamtperformance bei der Luftansaugung verbessert werden. Da das Lüfterrad an dem Rotorkörper angeformt ist, muss das Lüfterrad, welches auch als Gebläselaufrad bekannt ist, nicht mehr wie im Stand der Technik an den Antrieb angepasst werden.
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Bevorzugt weist der Rotorkörpermantel ein im Wesentlichen axial verlaufendes, Verlängerungselement auf. Der Rotorkörpermantel ist über den Rotorkörpermantel selbst hinaus verlängert. Das Verlängerungselement hat die Funktion des Lüfterrades. Somit sind der Rotorkörper und das Lüfterrad einstückig ausgebildet, wobei das Lüfterrad im Wesentlichen parallel zum Rotorkörpermantel ausgerichtet ist. Hierbei ist vorteilhaft, dass sich das Lüfterrad an den Rotormantel anschließt und somit weniger Einbauraum benötigt, insbesondere in Bezug auf den Durchmesser des Rotors.
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Bevorzugt ist das Verlängerungselement im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist. Somit weist das Lüfterrad eine röhrenförmige Gestalt auf, wobei der Durchmesser der Röhre des Lüfterrades bevorzugt gleich dem des Rotorkörpermantels ist.
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Bevorzugt sind der Rotorkörpermantel und das Verlängerungselement zusammen mit dem Rotorkörperdeckel einstückig ausgebildet und bilden das Rotorkörper-Lüfterrad-Element aus. Der Rotorkörperdeckel und der Rotorkörpermantel, die den Rotorkörper bilden, sind mit dem Verlängerungselement integral ausgebildet. Somit können bekannte Rotorkörper verwendet werden und nachträglich mit dem Lüfterrad zu dem Rotorkörper-Lüfterrad-Element verbunden werden.
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Besonders bevorzugt sind der Rotorkörpermantel und das Verlängerungselement durch ein Verbindungsverfahren, insbesondere Verkleben oder Verpressen miteinander verbunden oder verbindbar und bilden so das fertige Rotorkörper-Lüfterrad-Element aus.
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Bevorzugt ist der Rotor, insbesondere der Rotorkörper aus einem Kunststoff gefertigt. Da ein Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyamid, eine geringe Dichte und ein geringes spezifisches Gewicht aufweist, kann eine Gewichtseinsparung des Rotorkörper-Lüfterrad-Elementes realisiert werden. Der Kunststoff kann hierbei das im Stand der Technik verwendete Metall im Metall-Spritzgussteil des Rotors ersetzten.
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Hierbei kann der Rotorkörper zumindest bereichsweise oder abschnittsweise aus einer Metall-Kunststoff-Verbindung gefertigt sein, wobei die Metall-Kunststoff-Verbindung durch eine metallische Schicht, die zumindest bereichsweise auf den den Rotorkörper bildenden Kunststoff abgeschieden wurde, realisiert sein. Alternativ kann die Metall-Kunststoff-Verbindung des Rotorkörpers mittels einer Compound-Verbindung mit einer Kunststoffmatrix und einer metallischen Schicht realisiert werden, wobei die metallische Schicht von der Kunststoffmatrix zumindest bereichsweise umgeben ist.
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Bevorzugt weist die metallische Schicht ein metallisches Element der Gruppe IIA bis IVA und/oder IB bis VIIIB auf. Bevorzugt weist die metallische Schicht ein leitendes metallisches Element der Gruppe IIA bis IVA und/oder IIB bis VIIIB auf. Besonders bevorzugt weist die Beschichtung ein leichtes metallisches Element, beispielsweise Aluminium oder Titan auf oder eine Verbindung dieser Elemente auf. Sie kann bevorzugt auch Chrom, Nickel oder Eisen enthalten. So kann eine optimale Gewichtsreduzierung erzielt werden und gleichzeitig eine positive Wirkung, insbesondere eine EMV-Verträglichkeit realisiert werden.
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Der Elektromotor insbesondere für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges weist eine Antriebseinheit mit einem Stator, einem einen Rotorkörper aufweisenden Rotor und Permanentmagneten, eine Steuereinheit zum Regeln und Steuern der Antriebseinheit sowie ein Lüfterrad auf, wobei der Rotorkörper und das Lüfterrad als Rotorkörper-Lüfterrad-Element ausgebildet sind. Da der Rotorkörper und das Lüfterrad einstückig ausgebildet sind, kann bei der Herstellung des Elektromotors ein Montageschritt entfallen, insbesondere der Schritt des Aufpressens des Lüfterrades auf die Welle. Gleichzeitig ist es ermöglicht, dass die Anzahl der Lagerbauteile verringert wird. Diese Vereinfachungen erlauben insgesamt eine erhebliche Kosteneinsparung. Außerdem können bei der Gestaltung der Geometrie für den Rotorkörper und das Lüfterrad als einstückiges Element auch aerodynamische und akustische Vorteile realisiert werden. Beispielsweise kann die Gesamtperformance bei der Luftansaugung verbessert werden. Das Lüfterrad, welches auch ein Gebläselaufrad sein kann, muss nicht mehr wie im Stand der Technik an den Antrieb angepasst werden, da das Lüfterrad an dem Rotorkörper angeformt ist. Es kann eine Analogie zwischen der Rotorgeometrie und der Lüfterradgeometrie in der Konstruktion des Elektromotors einbezogen sein.
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In einer Ausgestaltung des Elektromotors ist der Rotor ein Außenläufer. Dieser wird auch als externer Rotor bezeichnet. Hierbei umgibt der Rotor zumindest bereichsweise den Stator und die Statorwicklung. Der Rotorkörper aus Kunststoff kann außerdem die Magnete aufnehmen. Externe Rotormotoren haben kein geschlossenes Gehäuse, das heißt keinen geschlossenen Rotorkörper und ihre Magnete sind auf einen beweglichen Teil des Gehäuses montiert. In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Rotor ein Innenläufer ist. Bei einem Innenläufer ist der Rotor innenliegend und der Stator umgibt den Rotor und die Permanentmagnete.
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Bevorzugt sind die Permanentmagnete im Rotorkörper angeordnet, bevorzugt sind die Permanentmagnete an einer Innenwandung des Rotorkörpers angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Permanentmagnete durch eine oder in einer ferromagnetischen Kunststoff-Einheit ausgebildet.
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Bevorzugt ist der Elektromotor ein BLDC (brushless direct current) Motor. Hierbei ist der Rotor mit dem Permanentmagneten realisiert, der feststehende Stator umfasst die Spulen, die von einer elektronischen Schaltung zeitlich versetzt angesteuert werden um ein Drehfeld entstehen zu lassen, welches ein Drehmoment am permanent erregten Rotor verursacht. Die Gewichtseinsparung durch die Metall-Kunststoffverbindung des Rotors ist erheblich. Durch die Gewichtseinsparung am Rotor kann eine Reduzierung des Energieverbrauchs des Kraftfahrzeuges und eine geringere Emission des Kraftfahrzeuges realisiert werden.
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Bevorzugt sind die Permanentmagnete im Rotorkörper angeordnet. Der Rotorkörper ist aus Kunststoff aufgebaut, wobei der Kunststoffrotorkörper eine zum Stator weisende innere Wandung aufweist, in die die Permanentmagnete aufgenommen sind. Der Rotorkörper aus Kunststoff weist bevorzugt einen im Wesentlichen senkrecht verlaufenden Abschnitt mit einer Dicke d auf, wobei im Bereich der Magnete eine geringere Dicke d1 vorliegt mit d1 < d. Die Permanentmagnete können Magneten aus Neodym sein, insbesondere aus einer Neodym-Eisen-Bor-Mischung gefertigt sein, oder aus Ferrit oder Alnico oder Samarium-Kobalt gefertigt sein.
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Die Aufgabe wird ferner mit einer Klimaanlage gelöst, die mindestens einen Gebläsemotor, insbesondere einen erfindungsgemäßen Elektromotor mit einem Rotor der einen Rotorkörper aufweist, der einstückig mit einem Lüfterrad des Gebläses als Rotorkörper-Lüfterrad-Element ausgebildet ist. Bevorzugt ist der Rotorkörper aus einem Kunststoff mit einer Metall-Kunststoffverbindung gefertigt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Rotors und des Elektromotors sind durch die Gegenstände und Merkmale der nachfolgenden Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 einen Elektromotor mit Lüfterrad gemäß dem Stand der Technik,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Elektromotors mit Lüfterrad gemäß der Erfindung,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Elektromotors mit Lüfterrad gemäß der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Darstellung einen Elektromotor 10 gemäß dem Stand der Technik, der eine Welle 12, eine Statorwicklung 14, einen mit der Welle 12 verbundenen Rotor 16 und Permanentmagnete 18 aufweist. An der Welle ist ein Lüfterrad 19 oder Gebläselaufrad 19 angeordnet. Diese Komponenten bilden eine Antriebseinheit 20 des Elektromotors 10. Der Elektromotor 10 ist bevorzugt ein BLDC(brushless direct current)-Motor. Das dargestellte Beispiel des Elektromotors 10 weist einen Außenläufer oder externer Rotor 16 auf. Die Antriebseinheit 20 wird von einer Steuereinheit 22 angesteuert und geregelt, die eine Steuerungselektronik aufweist.
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Der Rotor 16 weist einen Rotorkörper 24 auf, der einen im Wesentlichen zylinderförmige Rotorkörpermantel 25 mit einer Außenseite 26 und einer inneren Wandung 28 aufweist. Der geodätisch gesehen obere Rotorkörperabschnitt wird durch einen rotationssymmetrischen Deckelabschnitt 29 gebildet. In dem Rotorkörpermantel 25 sind die Permanentmagnete 18 in den Rotorkörper 24 eingelassen. Die Permanentmagnete 18 sind insbesondere an der inneren Wandung 28 eingelassen. Dadurch ist die Dicke d des Rotorkörpers 24 im Bereich der Permanentmagnete 18 geringer und weist nur die Dicke d1 auf.
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2 zeigt in schematischer Schnittdarstellung einen erfindungsgemäßen Elektromotor 30 mit einer Antriebseinheit 33, die einen ein Rotorgehäuse 32 aufweisenden Rotor 31, der an einer Welle 34 gelagert ist, aufweist. Das Rotorgehäuse 32 weist einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Rotorkörpermantel 36 und einen Rotorkörperdeckel 38 auf. Der Rotationskörpermantel 36 und der Rotationskörperdeckel 38 weisen die Gestalt eines Kegels auf, der Rotationskörper 32 ist somit in seinem zentralen Bereich kegelförmig ausgebildet. Es können aber auch andere geometrische, rotationssymmetrische Ausgestaltungen des zentralen Rotorkörpers 32 vorgesehen sein, die aerodynamisch vorteilhaft sind. Der Rotorkörpermantel 36 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist in oder an diesem angeordnete Permanentmagnete 40 auf. Die Permanentmagnete 40 sind bevorzugt im Rotorkörpermantel 36 angeordnet. Innerhalb des Rotorkörpermantels 36 und des Rotorkörperdeckels 38 ist eine Statorwicklung 42 angeordnet.
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Der Rotorkörpermantel 36 ist an seinem oberen Ende 43 axial verlängert und bildet zumindest einen Abschnitt eines Lüfterrades 44 aus. Hierbei dreht sich im Betrieb des Elektromotors 30 das Lüfterrad 44 mit dem Rotorgehäuse 32. Das Lüfterrad 44 ist bevorzugt ein Gebläselaufrad 44. Der Rotorkörper 32 und das Lüfterrad 44 sind einstückig ausgebildet und drehen sich mit derselben Geschwindigkeit. Das Lüfterrad 44 und der Rotorkörper 32 sind bevorzugt aus einem Teil als Rotorkörper-Lüfterrad-Element 45 gefertigt. Der Rotorkörper 32 weist somit ein angeformtes Lüfterrad 44 auf, wobei das Lüfterrad 44 am oberen Ende angeordnet ist und somit quasi eine Verlängerung des Rotorkörpermantels 36 ist.
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Besonders bevorzugt ist der Rotorkörper 32 und das Lüfterrad 44 als ein integrales Rotor-Lüfterrad-Element 45 gefertigt, bevorzugt als ein Spritzgusselement 45 gefertigt. Das Spritzgusselement kann hierbei ein Kunststoffspritzgusselement aus einem geeigneten Kunststoff oder ein Aluminiumelement sein, beispielsweise ein Aluminiumspritzgusselement oder Aluminiumdruckgusselement sein. Geeignete Kunststoffe haben eine gute Stabilität und Festigkeit, wie beispielsweise Polyamid. Der Rotorkörper 32 und das Lüfterrad 44 können hierbei auch zumindest abschnittsweise aus einem Kunststoffspritzgusselement mit einer metallischen Beschichtung hergestellt sein. Hierbei ist insbesondere eine Außenseite 46 des Rotorkörpers 32 Kunststoff mit einer metallischen Schicht 48 zumindest bereichsweise oder abschnittsweise bedeckt. Der Kunststoff und die metallische Schicht 48 bilden eine Metall-Kunststoff-Verbindung.
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Der Rotor 31, die Statorwicklung 34 und die Permanentmagnete 40 bilden eine Antriebseinheit 49 des Elektromotors 30. Ferner ist eine Steuereinheit 51 vorgesehen, die den Betrieb der Antriebseinheit 49 steuert und regelt.
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3 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors 30. Der Rotorkörper 32 weist den Rotorkörpermantel 36 auf, der im Wesentlichen zylinderförmig ist und einstückig mit dem Rotorkörperdeckel 38 ausgebildet ist. Ein Lüfterrad 50 ist als separates Element gefertigt und lösbar oder nicht lösbar mit dem Rotorkörpermantel 36 verbunden. Das Lüfterrad 50 ist hierbei bevorzugt im Wesentlichen zylinderförmig, insbesondere röhrenförmig ausgebildet. Die relative Lage des Lüfterrades 50 ist im Wesentlichen parallel zum Rotorkörpermantel 36 ausgerichtet. Insbesondere ist das Lüfterrad 50 zumindest abschnittsweise parallel zu einem oberen Abschnitt 55 des Rotorkörpermantels 36 angeordnet. Insbesondere ein unterer Abschnitt 53 des Lüfterrades 50 ist parallel zum oberen Abschnitt des Rotorkörpermantels 36 angeordnet, wobei zwischen dem Abschnitt 53 und dem Rotorkörpermantel 36 eine Verbindungsschicht 57 ausgebildet ist Bevorzugt ist das Lüfterrad 50 an der Außenseite des Rotorkörpermantels 36 angeordnet.
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Der Rotorkörper 32 und das Lüfterrad 50 können jeweils ein Kunststoffelement sein, bevorzugt ein Kunststoffspritzgusselement aus einem geeigneten Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyamid sein. Der Rotorkörper 32 kann hierbei zumindest abschnittsweise als Metall-Kunststoffverbindung ausgebildet sein, wobei der Rotorkörper 32 durch das Kunststoffelement gebildet wird, welches bevorzugt an seine Außenseite mit einer Metallschicht versehen ist.
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Der Rotorkörper 32 und/oder das Lüfterrad 50 können aber auch ein Aluminiumrotorkörper und ein Aluminium-Lüfterrad 50 sein, beispielsweise aus Aluminiumspritzguss oder Aluminiumdruckguss.
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Die Verbindung zwischen dem Rotorkörper 32 und dem Lüfterrad 50 kann hierbei mittels an sich bekannter Verbindungstechniken realisiert werden, beispielweise Kleben, Verpressen, Schweißen, Löten. Die Verbindungsschicht 57 kann ein Kleber, Lötmasse, allgemeine ein, eine Verbindung herstellendes Material sein. Ist der Verbindungsprozess ein Verpressen des Abschnitts 53 und des Rotorkörpermantels 36, kann die Verbindungsschicht auch als verformtes Material des Abschnittes 53 und/oder des Rotorkörpermantels 36 ausgebildet sein oder dieses aufweisen.
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Der Rotorkörper 32 und das Lüfterrad 50 sind somit nach deren lösbarer oder nicht lösbarer Verbindung ein integriertes Rotorkörper-Laufrad-Element 45 und werden als einstückiges Bauteil beim Zusammenbau des Elektromotors 30 montiert.
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In beiden geometrischen Ausführungsformen des Elektromotors mit dem Rotorkörper 32 und mit dem Lüfterrad 44 und dem Lüfterrad 50, die in den 2 und 3 dargestellt sind, kann es vorgesehen sein, die in dem Rotorkörper 32 aufgenommenen Permanentmagnete 40 als eine ferromagnetische Kunststoff-Rotor/Lüfterrad-Einheit 45 auszugestalten, die bevorzugt einstückig ausgeführt ist.
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Die vorstehend beschriebene Ausgestaltung des Rotors 32 des Elektromotors 30 mit dem externen Rotor 32 ist ebenfalls für einen mit Elektromotor mit Innenläufer realisierbar, insbesondere mit einem Rotorkörper 32 aus Kunststoff mit einer durch eine Metallbeschichtung auf dem Rotorkörper 32 aufgebrachten metallischen Schicht 48.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004004227 A1 [0004]
- DE 102005013674 A1 [0005]
- DE 102005057989 A1 [0006]
- DE 102010044453 A11 [0007]
- DE 10246608 A1 [0008]
- DE 10063619 A1 [0009]
