-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem Rotor. Unter elektrischer Maschine wird hierbei insbesondere ein bürstenloser Elektromotor (Gleichstrommotor) oder eine Synchronmaschine, jedoch auch ein Generator verstanden.
-
Bürstenlose Elektromotoren weisen üblicherweise einen Rotor auf, der mittels eines Stators in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Hierfür umfasst der Stator eine Anzahl von Spulen, üblicherweise drei, die mittels einer Elektronik bestromt werden. Dabei sind die einzelnen Spulen entweder in einer sogenannten Dreiecksschaltung oder aber einer Sternschaltung miteinander elektrische kontaktiert. Mittels der Spulen wird im Betrieb ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, das den Rotor antreibt.
-
Der Rotor selbst ist permanenterregt. Mit anderen Worten sind an dem Rotor Permanentmagnete einer Permanentmagnetenstruktur angebracht, die mit dem von dem Stator erzeugten Magnetfeld wechselwirken. Hierbei liegen die Permanentmagneten in Taschen eines Rotorkörpers ein, wobei als Rotorkörper meist ein Blechpaket verwendet wird, dessen einzelne Bleche senkrecht zur Rotorachse angeordnet sind. Die Bleche liegen über eine elektrisch isolierende Lackschicht aneinander an, um ein Ausbreiten von parasitären Wirbelströmen in dem Rotorkörper zu verhindern, die sonst den Wirkungsgrad des Elektromotors schmälern würden.
-
Das Blechpaket leitet die Krafteinwirkung auf die Permanentmagnete aufgrund des rotierenden Magnetfelds auf die Welle, was zu in einer Drehbewegung des Rotors bezüglich des Stators führt. Hierfür muss das Blechpaket vergleichsweise robust ausgeführt werden, um einerseits eine Ablösung der Permanentmagneten zu verhindern und andererseits die Geometrie des Rotors zu bewahren.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete elektrische Maschine mit einer Permanentmagnetenstruktur anzugeben, die geeigneterweise einen hohen Wirkungsgrad aufweist, und vorteilhafterweise kostengünstig herstellbar ist.
-
Hinsichtlich der elektrischen Maschine wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich eines Verfahrens zur Herstellung der elektrischen Maschine durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die elektrische Maschine ist insbesondere ein Elektromotor, vorzugsweise bürstenlose, und umfasst einen Stator und einen Rotor, die mittels eines Luftspaltes von einander getrennt sind. Der Luftspalt ist im Betrieb der elektrischen Maschine beispielsweise mit Luft oder einem anderen gasförmigen Medium befüllt. Alternativ strömt durch den Luftspalt ein flüssiges Medium, beispielsweise Öl, um insbesondere den Rotor und/oder den Stator zu kühlen. Hierbei ist stets der Rotor von dem Stator beabstandet. Der Rotor ist zweckmäßigerweise um eine Rotationsachse, auch als Rotorachse bezeichnet, bezüglich des Stators drehbar gelagert, wobei der Rotor beispielsweise innerhalb des Stators angeordnet ist. Alternativ umgibt der Rotor den Stator nach Art eines Außenläufers. Der Stator und der Rotor sind geeigneterweise innerhalb eines Gehäuses angeordnet, das die beiden vor etwaigen Beschädigungen und/oder Umwelteinflüssen schützt. In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der Elektromotor als Linearmotor ausgebildet. Unter elektrischer Maschine wird folglich ein bürstenloser Elektromotor (Gleichstrommotor) oder eine Synchronmaschine, jedoch auch ein Generator verstanden.
-
Entweder der Stator oder der Rotor weist eine Elektromagnetenstruktur mit zumindest einem Spulenkörper auf, der in einer bestimmten Position zu dem verbleibenden der beiden, also dem Rotor bzw. dem Stator, montiert ist. Der Spulenkörper besteht vorzugsweise aus einem lackierten Kupferdraht und dient der Erzeugung eines zeitlich veränderlichen Magnetfeldes, falls die elektrische Maschine ein Elektromotor ist. Dies wird mittels einer Bestromung der Spule über deren Anschlussenden bereitgestellt. Bei der Verwendung als Generator wird an dem Spulenkörper eine induzierte elektrische Spannung abgegriffen.
-
Der von der Elektromagnetenstruktur freie Stator bzw. Rotor umfasst eine Permanentmagnetenstruktur. Mit anderen Worten weist entweder der Stator oder der Rotor die Elektromagnetenstruktur und der andere die Permanentmagnetenstruktur auf. Besonders bevorzugt ist die Elektromagnetenstruktur Bestandteil des Stators und die Permanentmagnetenstruktur Bestandteil des Rotors.
-
Die Permanentmagnetenstruktur weist eine Anzahl Permanentmagneten auf, wobei die Ausrichtung der Permanentmagneten geeigneterweise radial ist. Mit anderen Worten ist der Querschnitt jedes Permanentmagneten senkrecht zur Rotationsachse, sofern diese Vorhanden ist, radial ausgerichtet. Vorzugsweise sind die Permanentmagneten aus einem gesinterten Ferrit oder NdFeB gefertigt. Zum Beispiel sind die Permanentmagneten im Wesentlichen tangential magnetisiert, wobei die Magnetisierungsrichtung benachbarter Permanentmagneten insbesondere entgegengesetzt gerichtet ist, was ein geeignet geformtes Magnetfeld der Permanentmagneten zur Folge hat. Geeigneterweise weist die Permanentmagnetenstruktur zwölf bis zwanzig, und insbesondere sechzehn, Permanentmagnete auf, die zum Beispiel jeweils einen Pol bilden, insbesondere des Rotors. Mit anderen Worten weist der Rotor vorzugsweise zwischen zwölf bis zwanzig Pole auf. Alternativ ist die Anzahl der Permanentmagneten der Permanentmagnetenstruktur kleiner als zwölf. Zum Beispiel beträgt die Anzahl sechs oder bevorzugt acht.
-
Zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten ist jeweils ein Polschuh angeordnet. Mit anderen Worten sind die Permanentmagnete mittels jeweils eines Polschuhs zueinander beabstandet, sodass eine Reihenfolge von Permanentmagnet, Polschuh, Permanentmagnet, usw. gebildet ist. Zweckmäßigerweise entspricht die Anzahl der Polschuhe der Anzahl der Permanentmagneten. Mit anderen Worten ist, sofern es sich bei elektrischen Maschine um eine rotierende Maschine handelt, zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten jeweils genau ein Polschuh angeordnet. Zweckmäßigerweise liegt jeder Polschuh an zumindest einem der benachbarten Permanentmagneten an, zweckmäßigerweise an beiden. Folglich steht jeder Polschuh in direktem mechanischem Kontakt mit dem bzw. den zugeordneten Permanentmagneten.
-
Die Polschuhe bestehen zweckmäßigerweise aus einem weichmagnetischen Material. Mittels der Polschuhe wird das von den Permanentmagneten bereitgestellte magnetische Feld geeignet geformt. Die einzelnen Polschuhe sind zueinander jeweils beabstandet und somit nicht in direktem mechanischen Kontakt untereinander, unabhängig von der Position der Polschuhe zueinander. Auf diese Weise ist eine magnetische Beeinflussung der Polschuhe untereinander verringert, die zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine führen könnte. Jeder Polschuh ist an einer Haltestruktur der Permanentmagnetenstruktur angebunden, die auf der dem Luftspalt gegenüber liegenden Seite der Permanentmagneten angeordnet ist. Das Material, aus dem die Haltestruktur besteht, ist hierbei nicht magnetisch, also ein para- oder diamagnetisches Material. Zweckmäßigerweise sind die Permanentmagneten ebenfalls an der Haltestruktur angebunden, was einen Konstruktionsaufwand verringert. Aufgrund der Materialwahl der Haltestruktur werden das mittels der Permanentmagneten bereitgestellte Magnetfeld und dessen Feldlinien nicht in die Haltestruktur geleitet, sondern vielmehr auf die gegenüber liegende Seite in den Luftspalt und zur Elektromagnetenstruktur, wobei zudem ein magnetischer Kurzschluss zwischen einzelnen Polschuhen über die Haltestruktur unterbleibt.
-
Aufgrund der Trennung der Haltestruktur von den Polschuhen ist es ermöglicht, das Material der Polschuhe und das der Haltestruktur auf deren jeweiligen Einsatzbereich hin zu optimieren. Hierbei ist das Material der Polschuhe insbesondere derart, dass das mittels der Permanentmagneten bereitgestellte Magnetfeld in Richtung des Luftspalts gelenkt wird. Dahingegen ist das Material der Haltestruktur auf eine Kraftübertragung und folglich einen sicheren Halt der Polschuhe hin optimiert. Sofern der Rotor die Permanentmagnetenstruktur aufweist, und die elektrische Maschine als Innenläufer ausgestaltet ist, wird mittels der Haltestruktur eine Krafteinwirkung auf die in Rotation versetzten Permanentmagneten und Polschuhen auf eine Welle übertragen, die im Zentrum der Haltestruktur angeordnet ist. Beispielsweise weist die Welle einen von einem kreisrunden Querschnitt abweichenden Querschnitt auf, so dass bei einer Rotationsbewegung zwischen der Welle und der Haltestruktur aufgrund des abweichenden Querschnitts und somit einer Verhakung zwischen diesen beiden Bauteilen kein Schlupf auftritt. Alternativ ist die Haltestruktur integral mit der Welle geformt, also einstückig mit dieser.
-
Besonders bevorzugt ist die Permanentmagnetenstruktur frei von magnetischen Kurzschlussbrücken zwischen den einzelnen Polschuhen. Geeigneterweise sind zudem die Permanentmagneten ebenfalls frei von magnetischen Kurzschlussbrücken. Mit anderen Worten sind die Polschuhe untereinander nicht mittels eines ferromagnetischen Materials verbunden, mit Ausnahme der Permanentmagneten. Auf diese Weise ist ein Verlauf der Magnetfeldlinien des mittels der Permanentmagneten bereitgestellten Magnetfelds zwischen Polschuhen unterbunden, der nicht zumindest teilweise innerhalb des Luftspalts ist. Mit anderen Worten verläuft ein Abschnitt im Wesentlichen jeder Magnetfeldlinien durch den Luftspalt. Auf diese Weise ist die Anzahl der Magnetfeldlinien, die mit denen der Elektromagnetenstruktur wechselwirkt erhöht, und somit auch der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine.
-
Besonders bevorzugt ist jeder Polschuh in radialer und tangentialer Richtung lediglich entweder mit dem Permanentmagneten und/oder der Haltestruktur in direktem mechanischem Kontakt. Mit anderen Worten liegt der Polschuh in diesen Richtungen an einem der Permanentmagneten und/oder der Haltestruktur an. Auf diese Weise ist ein Ausbreiten des magnetischen Feldes von den Permanentmagneten in die zugeordneten Polschuhe vereinfacht, wohingegen ein Ausbreiten des Magnetfelds auf die dem Luftspalt gegenüber liegende Seite aufgrund der Haltestruktur unterbunden ist. Insbesondere liegen die Polschuhe und die Permanentmagneten, sowie die Haltestruktur kraftschlüssig aneinander an, was zu einer erhöhten Stabilität des die Permanentmagnetenstruktur aufweisenden Bauteils führt. In axialer Richtung wird der Polschuh zweckmäßigerweise mittels einer Kappe abgedeckt, die beispielsweise aus einem Kunststoff besteht. Insbesondere weist die Kappe topfförmige Aussparungen auf, innerhalb derer jeweils ein Freiende der Polschuhe angeordnet ist. Mittels der Kappe werden einerseits die Polschuhe vor etwaigen Beschädigungen geschützt und zudem deren Position innerhalb der Permanentmagnetenstruktur stabilisiert.
-
Geeigneterweise wird die Begrenzung des Bauteils, das die Permanentmagnetenstruktur aufweist, zu dem Luftspalt durch die Permanentmagneten und die Polschuhe gebildet. Mit anderen Worten sind die Permanentmagnete und die Polschuhe die der Elektromagnetenstruktur am nächsten liegende Bestandteile der Permanentmagnetenstruktur, was den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht. Auch ist eine Montage der Permanentmagneten aufgrund einer möglichen Zuführung von außen aus dem Bereich des zukünftigen Luftspalts erleichtert.
-
Beispielsweise besteht die Haltestruktur aus Aluminium. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise leichte und robuste Haltestruktur geschaffen, die einerseits die geforderten paramagnetischen Eigenschaften aufweist, und andererseits eine vergleichsweise effiziente Kraftübertragung auf die Welle gewährleistet, sofern diese vorhanden ist. Alternativ zu Aluminium wird Edelstahl als Material der Haltestruktur herangezogen, was zu einer erhöhten Robustheit und Stabilität der Permanentmagnetenstruktur führt. In einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist die Haltestruktur aus Kunststoff hergestellt. Dies führt zu verringerten Herstellungskosten der elektrischen Maschine, wobei bei geeigneter Wahl des Kunststoffes zusätzlich das Gewicht der Haltestruktur reduziert und die Stabilität erhöht ist. Als Kunststoff wird z. B. hochfeste Glasfasergefüllte Polyamide verwendet. Ferner ist es ermöglicht, die Haltestruktur mittels Spritzgusstechnik herzustellen, wobei das flüssige Material in Kontakt mit den Permanentmagneten gelangt. Die Schmelztemperatur eines derartigen Kunststoffes liegt geeigneterweise unterhalb der Curie-Temperatur des Materials der Permanentmagneten. Folglich ist es ermöglicht, die bereits magnetisierten Permanentmagnete mit dem flüssigen Material zu umspritzen, ohne Einbuße der magnetischen Eigenschaften der Permanentmagnetenstruktur in Kauf nehmen zu müssen.
-
Zweckmäßigerweise weist jeder Polschuh auf der dem Luftspalt abgewandten Seite einen Fortsatz auf. An diesem Fortsatz ist insbesondere die Haltestruktur angebunden. Auf diese Weise ist ein vergleichsweise effiziente Kraftübertrag zwischen den einzelnen Polschuhen und der Haltestruktur ermöglicht, und somit die Robustheit der Permanentmagnetenstruktur erhöht. Ebenfalls ist ein definierter Angriffspunkt für die korrekte Positionierung des jeweiligen Polschuhes bei der Montage bereitgestellt, bei einer Beschädigung dessen die magnetischen Eigenschaften der Permanentmagnetenstruktur im Wesentlichen nicht beeinflusst werden. Vorteilhafterweise verläuft der Fortsatz im Wesentlichen radial oder zumindest senkrecht zu dem Luftspalt in diesem Bereich. Auf diese Weise ist der Abstand zwischen den Fortsätzen zweier benachbarter Polschuhe vergleichsweise groß und die elektrische Maschine weist keine Vorzugsrichtung auf, in die diese zu betreiben ist. Mit anderen Worten ist, sofern es sich bei der elektrischen Maschine um eine rotierende elektrische Maschine handelt, die Stabilität der Permanentmagnetenstruktur in beide Rotationsrichtungen gleich.
-
Vorzugsweise ist der jeweilige Fortsatz von der Haltestruktur umschlossen, was die die Kraftübertragung zwischen den Polschuhen und der Haltestruktur verbessert. Zweckmäßigerweise wird jeder Polschuh bei der Herstellung der elektrischen Maschine von dem Material der Haltestruktur umgossen. Mit anderen Worten wird bei der Herstellung der elektrischen Maschine die Haltestruktur aus einem flüssigen Material erstellt, das zu der Haltestruktur erstarrt. Das flüssige Material wird hierbei an den Fortsätzen der starren Polschuhe angelagert. Dies verbessert die Verbindung zwischen den Polschuhen und der Haltestruktur, so dass eine Ablösung der Polschuhe von der Haltestruktur und eine hierdurch bedingte etwaige Beschädigung der elektrischen Maschine praktisch ausgeschlossen sind. Alternativ zu dem Fortsatz weist jeder Polschuh eine Nut oder Sicke auf, innerhalb derer ein entsprechend geformter Abschnitt der Haltestruktur angeordnet ist. Beispielsweise ist die Oberfläche der Haltestruktur gerippt oder geriffelt.
-
Zweckmäßigerweise ist jeder Polschuh aus einem Blechpaket gebildet. Das Blechpaket seinerseits umfasst eine Anzahl von gegeneinander elektrisch isolierten Blechlagen, um ein Ausbreiten parasitären Wirbelströmen in dem Blechkörper zu verhindern. Auf diese Weise ist jeder Permanentmagnet von einem vergleichsweise weichmagnetischen Material umgeben, das eine Ausbreitung des Magnetfelds der Permanentmagneten nicht behindert oder das Magnetfeld ungewollt verformt.
-
Die elektrische Maschine ist bevorzugt ein Elektromotor und wird insbesondere im Medizinbereich eingesetzt. Beispielsweise ist der Elektromotor Bestandteil einer Maschine zur Versorgung von Patienten. Alternativ treibt der Elektromotor einen Aktor einer Industrieanlage an. Bevorzugt ist der Elektromotor Bestandteil eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrrads. Hierfür ist die elektrische Maschine zweckmäßigerweise als Nabenmotor ausgestaltet. Insbesondere wird mittels des Elektromotors Bremsenergie rekuperiert, so dass der Elektromotor zusätzlich als Generator dient.
-
Das Verfahren zur Herstellung der elektrischen Maschine sieht vor, dass in einem ersten Schritt die Permanentmagneten magnetisiert werden. Beispielsweise werden zuvor die Permanentmagnete erstellt oder die Permanentmagnete werden bei deren Erstellung bereits magnetisiert. Insbesondere werden die Permanentmagnete gesintert, wobei während des Sinterprozesses die Sinterform einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt wird.
-
In einem weiteren Arbeitsschritt werden die Permanentmagneten in einer Gussform angeordnet. In einem weiteren Schritt, der zeitgleich, vor oder nach der Positionierung der Permanentmagneten in der Gussform erfolgt, werden die Polschuhe in der Gussform angeordnet. Beispielsweise werden die Permanentmagneten und die Polschuhe vor Einführung in die Gussform zu einem Verbund zusammengefasst und aneinander fixiert. Nach der Positionierung der Permanentmagnete und der Polschuhe in der Gussform wird diese mit einem erwärmten para- oder diamagnetischen Material befüllt. Insbesondere erfolgt die Befüllung in Spritzgusstechnik, und bei dem Material handelt es sich z. B. um einen Kunststoff. In einem weiteren Arbeitsschritt wird die Gussform und die sich hierin befindenden Elemente abgekühlt, beispielsweise auf Raumtemperatur. In Folge dessen erstarrt das para- oder diamagnetische Material und die Haltestruktur ist erstellt. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise stabile Verbindung zwischen den Permanentmagneten, der Haltestruktur und den Polschuhen realisiert.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 schematisch vereinfacht eine Blutpumpe mit einem Elektromotor,
-
2 perspektivisch einen Rotor des Elektromotors,
-
3 in einer Schnittdarstellung den Elektromotor,
-
4 eine weitere Ausführungsformen des Elektromotors gemäß 3, und
-
5 ein Verfahren zur Herstellung des Elektromotors.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mir den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist schematisch vereinfacht eine Blutpumpe 2 dargestellt, die eine Elektromotor 4 aufweist. Mittels des Elektromotors 4 wird ein nicht näher dargestelltes Pumpenrad angetrieben und auf diese Weise eine in die Blutpumpe 2 eingeleitete Flüssigkeit, nämlich Blut, bewegt.
-
2 zeigt einen Rotor 6 der elektrischen Maschine 4 in einer perspektivischen Darstellung. Im montierten Zustand ist der Rotor 6 mittels einer Welle 8 (3, 4) um eine Rotorachse 10 innerhalb eines Stators 12 (3, 4) drehbar gelagert. Folglich handelt es sich bei dem Elektromotor 4 um einen Innenläufer. Die Welle 8 ist im montierten Zustand innerhalb einer zentralen, eine Nut aufweisenden Aussparung 12 einer Haltestruktur 14 angeordnet. In der Nut ist im Montagezustand eine entsprechende Feder der Welle 8 angeordnet, mittels derer eine Kraftübertragung auf die Welle 8 verbessert ist. Somit ist lediglich die Haltestruktur 14 in direktem mechanischem Kontakt mit der Welle 8. Die aus einem hochfesten, glasfasergefüllten Polyamid hergestellte, und in Folge dessen paramagnetische Haltestruktur 14 ist Bestandteil einer Permanentmagnetenstruktur 16 des Rotors 6. Die Permanentmagnetenstruktur 16 umfasst sechzehn Permanentmagnete 18, die bezüglich der Rotorachse 10 radial angeordnet und gleichmäßig über den Umfang des Rotors 6 verteilt sind. Die Magnetisierungsrichtung M der Permanentmagnete 18 ist jeweils tangential, wobei die Magnetisierungsrichtung M zweier benachbarter Permanentmagneten 18 jeweils entgegengesetzt ist. Mit anderen Worten sind entweder die jeweiligen Nordpole 18a zweier benachbarter Permanentmagnete 18 oder die jeweiligen Südpole 18b zweier benachbarter Permanentmagnete 18 aufeinander zu gerichtet.
-
Zwischen jeweils zwei benachbarten Permanentmagneten 18 ist in Umfangsrichtung des Rotors 6 ein Polschuh 20 angeordnet. Die Polschuhe 20 sind zueinander beabstandet, also nicht in direktem mechanischen Kontakt miteinander. Jeder Polschuh 20 ist aus einem Blechpaket erstellt, wobei die einzelnen gegeneinander elektrisch isolierten Bleche in axialer Richtung, also parallel zur Rotorachse 10 gestapelt und direktem mechanischen Kontakt zueinander sind. Jeder Polschuh 20 weist radial außen jeweils zwei Vorsprünge 22 auf, mittels derer die benachbarten Permanentmagneten 18 hintergriffen und somit ein Ablösen derer verhindert wird. In Folge dessen weist die im Wesentlichen zylinderförmige Rotormantelfläche 24 im Bereich der Permanentmagnete 18 axial verlaufende Nuten auf.
-
Radial innen weist jeder Polschuh 20 einen radial verlaufenden Fortsatz 26 auf, der im Wesentlichen vollständig von der Haltestruktur 14 umschlossen ist. Mit anderen Worten ist jeder Polschuh 20 im Bereich des Fortsatzes 26 sowohl in tangentialer als auch in radialer Richtung lediglich mit der Haltestruktur 14 in direktem mechanischen Kontakt, und über diesen an der Haltestruktur 14 angebunden. Der übrige Bereich der Polschuhe 20 ist in tangentialer Richtung mit den Permanentmagneten 18 in direktem mechanischen Kontakt, liegt also an diesen an. In Folge dessen ist eine Kraftübertragung von den Permanentmagneten 18 und den Polschuhen 20 über die Haltestruktur 14 auf die Welle 8 ermöglicht.
-
In axialer Richtung liegt jedes Freiende der Polschuhe 20 in einer Kappe 28 ein, die aus einem Kunststoff hergestellt ist. Folglich sind zwei Kappen 28 vorhanden. Jede Kappe 28 weist einen zentralen Ring 30 auf, der an der Haltestruktur 14 angebunden ist. Im Bereich jedes Polschuhs 20 ist die Kappe 28 topfförmig ausgestaltet, so dass das Freiende jedes Polschuhs 20 mittels der Kappe 28 vor etwaigen Beschädigungen geschützt ist. Zudem wird die Position der Polschuhe 20 mittels der Kappe 28 stabilisiert, sodass die Verbindung zwischen dem jeweiligen Fortsatz 26 und der Haltestruktur 14 nicht überstrapaziert wird.
-
Der Rotor 6, und insbesondere die Permanentmagnetenstruktur 16, ist frei von magnetischen Kurzschlussbrücken zwischen den einzelnen Polschuhen 20. Mit anderen Worten sind die einzelnen Polschuhe 20 untereinander, mit Ausnahme der Permanentmagneten 18, lediglich mittels para- oder diamagnetischer Materialien in mechanischem Kontakt, nämlich der Haltestruktur 14. Auf diese Weise werden die aus den Permanentmagneten 18 in Magnetisierungsrichtung M austretenden Feldlinien radial nach außen gebogen, sodass ein Eindringen des magnetischen Feldes radial nach innen unterbleibt. Mit anderen Worten ist der innerhalb der Permanentmagneten 18 liegende Bereich des Rotors praktisch frei von magnetischen Feldern.
-
In 3 ist der Elektromotor 4 entlang der in 2 gezeigten Schnittebene III gezeigt, die senkrecht zur Rotorachse 10 ist. Hierbei ist jedoch die Welle 8 und die Aussparung 12 in einer Ausführungsform ohne die Nut bzw. Feder gezeigt. Die Permanentmagneten 18 sind sternförmig um die Haltestruktur 14 angeordnet, innerhalb derer formschlüssig die Welle 8 angeordnet ist. Hierbei sind die Permanentmagneten 18 an der Haltestruktur 14 angebunden, beispielsweise mittels eines Klebemittels. Ferner wird mittels der Vorsprünge 22 und der Polschuhe 20 eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Permanentmagneten 18 und den Polschuhen 20 erstellt, die die Permanentmagneten 18 gegen die Haltestruktur 14 presst und somit stabilisiert.
-
Der Rotor 6 wird von dem Stator 12 umgeben, wobei zwischen diesen ein Luftspalt 32 gebildet ist. Der Luftspalt 32 wird auf der der Rotorachse 10 zugewandten Seite mittels der Rotormantelfläche 24 begrenzt, also mittels der Polschuhe 20 und der Permanentmagneten 18. Auf der radial außen liegenden Seite des Luftspalts 32 befindet sich ein Blechpaket 34 des Stators, das aus einem nicht näher dargestellten Stern und Joch gebildet ist. Das Blechpaket 34 ist Bestandteil einer Elektromagnetenstruktur 36, die zudem eine Anzahl von Spulen 38 umfasst, die um Bereiche des Blechpakets 34 geschlungen sind. Mittels der Spulen 38 wird bei Betrieb der elektrischen Maschine 4 ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt, das mit dem von den Permanentmagneten 18 bereitgestellten Magnetfeld wechselwirkt, und den Rotor 6 in eine Rotationsbewegung bezüglich der Rotorachse 10 versetzt. Aufgrund des Mangels von magnetischen Kurzschlüssen zwischen den einzelnen Polschuhen 20 ist hierbei die Wechselwirkung und in Folge dessen der Wirkungsgrad des Elektromotors 4 erhöht.
-
In 4 ist eine weitere Ausgestaltung der elektrischen Maschine 4 dargestellt. Diese Ausführungsvariante entspricht im Wesentlichen der in 3 gezeigten, wobei jedoch die Haltestruktur 14 und die Polschuhe 20 verändert sind. Die Polschuhe 20 weisen keinen Fortsatz 26 auf, sondern sind in diesem Bereich mit einer zur Rotationsachse 10 parallel verlaufenden Nut 40 versehen. Die Haltestruktur 14 ist an deren Umfangsseite gerippt, wobei die Rippen 42 in den Nuten 40 der Polschuhe 20 formschlüssig einliegen. Mittels einer derartigen Ausgestaltung der Polschuhe 20 wird das mittels der Permanentmagneten 18 erzeugte magnetische Feld stärker von der Rotorachse 10 weg gebogen, was zu einem weiteren Zuwachs des Wirkungsgrades führt.
-
In 5 ist ein Verfahren 44 gezeigt, mittels dessen die zuvor gezeigte elektrische Maschine 4 hergestellt worden ist. In einem ersten Erstellungsschritt 46 werden die Permanentmagneten 18 erstellt und magnetisiert. Hierfür wird beispielsweise zunächst ein erster Permanentmagnet hergestellt und magnetisiert. In einem sich daran anschließenden Arbeitsschritt wird dieser erste Permanentmagnet auf die gewünschte Länge zur Erstellung der Permanentmagneten 18 abgelängt. In einem zweiten Erstellungsschritt 48 der zeitgleich zu dem ersten Erstellungsschritt 46 erfolgen kann, werden die Polschuhe 20 erstellt, wobei aus einem mit einer elektrisch isolierenden Lackschicht versehenem Blechbogen einzelne Blech gestanzt werden, die dem Querschnitts der gewünschten Polschuhe 20 entsprechen. Die einzelnen erstellten Bleche werden übereinander geschichtet und zweckmäßigerweise miteinander verbunden. In einem ersten Positionierungsschritt 50 und einem zweiten Positionierungsschritt 52 werden die erstellten Permanentmagneten 18 bzw. die erstellten Polschuhe 20 in einer Gussform positioniert, wobei die die spätere Rotormantelfläche 24 bildenden Bereiche der Polschuhe 20 und der Permanentmagneten 18 an der Begrenzung der Gussform anliegen. In einem dritten Positionierungsschritt 54 wird die Welle 8 zentral innerhalb der Gussform positioniert.
-
In einem Befüllungsschritt 56 wird der verbliebene Bereich der Gussform mit einem verflüssigten Kunststoff befüllt. In einem sich hieran anschließenden Abkühlschritt 58 wird die Gussform abgekühlt, was zu einer Erstarrung des Kunststoffs und der Bildung der Haltestruktur 14 führt. In Folge der Abkühlung des Kunststoffs verringert sich die Ausdehnung desselben, was zu einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Haltestruktur 14 und der Welle 8 führt. Aufgrund des Umgießens der Fortsätze 26 bzw. des Ausfüllens der Nuten 40 mit dem flüssigen Kunststoff dringt diese in etwaige Poren ein, was zu einer vergleichsweise stabilen Verbindung führt.
-
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Blutpumpe
- 4
- Elektromotor
- 6
- Rotor
- 8
- Welle
- 10
- Rotorachse
- 12
- Aussparung
- 14
- Haltestruktur
- 16
- Permanentmagnetenstruktur
- 18
- Permanentmagnet
- 18a
- Nordpol
- 18b
- Südpol
- 20
- Polschuh
- 22
- Vorsprung
- 24
- Rotormantelfläche
- 26
- Fortsatz
- 28
- Kappe
- 30
- Ring
- 32
- Luftspalt
- 34
- Blechpaket
- 36
- Elektromagnetenstruktur
- 38
- Spule
- 40
- Nut
- 42
- Rippe
- 44
- Verfahren
- 46
- erster Erstellungsschritt
- 48
- zweiter Erstellungsschritt
- 50
- erster Positionierungsschritt
- 52
- zweiter Positionierungsschritt
- 54
- dritter Positionierungsschritt
- 56
- Befüllungsschritt
- 58
- Abkühlschritt
- M
- Magnetisierungsrichtung
- III
- Schnittebene
