-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft Elektromotoren und insbesondere einen bürstenlosen Permanentmagnetmotor. Die Erfindung kann entweder bei bürstenlosen Gleichstrommotoren oder bei bürstenlosen Wechselstrommotoren angewendet werden.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Vorhandene bürstenlose Gleichstrommotoren haben einen Außenstator und einen Innenrotor, der an dem Stator drehbar montiert ist. Der Innenrotor hat einen Rotorkern und einen Permanentmagnet, der an dem Rotorkern derart befestigt ist, dass er an dem Rotor eine gerade Anzahl von Magnetpolen bildet. Der Außenstator hat einen ringförmigen Statorkern, eine Statorwicklung, die um sich nach innen erstreckende Zähne des Statorkerns herumgeführt ist, und eine elektronische Kommutationsschaltung, die an einem Ende des Statorkerns montiert ist.
-
Übliche bürstenlose Permanentmagnetmotoren (PMBL-Motoren) haben ein niedriges bis mittleres Rastmoment. Manche Anwendungen erfordern jedoch ein hohes Rastmoment, weshalb PMBL-Motoren für diese Anwendungen nicht geeignet sind.
-
Aus diesem Grund wird ein PMBL-Motor mit einem höheren Rastmoment gewünscht.
-
ÜBERSICHT
-
Dementsprechend wird erfindungsgemäß ein bürstenloser Permanentmagnetmotor angegeben, der einen Stator und einen an dem Stator drehbar montierten Rotor hat, wobei der Stator einen Statorkern und eine Statorwicklung und der Rotor eine Welle, einen an der Welle montierten Rotorkern und einen an einer Fläche des Rotorkerns montierten Permanentmagnet umfasst, wobei der Statorkern ein ringförmiges Joch aufweist und sich s Zähne von dem Joch erstrecken, wobei s eine ganze Zahl größer als vier ist, wobei jeder Zahn mit der Statorwicklung umwickelt ist und Enden der Zähne dem Permanentmagnet zugewandt sind; wobei der Permanentmagnet p Magnetpole bildet, wobei p eine gerade Zahl größer als 2, jedoch kleiner als s ist; und wobei jeder Abschnitt des Permanentmagnets, der einem jeweiligen Magnetpol entspricht, in einer Umfangsrichtung des Rotors durch n – 1 Magnetnuten in n gleiche Teile unterteilt ist, wobei n eine ganze Zahl größer als 1 und p·n ein integrales Mehrfaches von s ist, wobei die Magnetnuten in einer dem Statorkern zugewandten Fläche des Permanentmagnets gebildet sind.
-
Vorzugsweise ist der Permanentmagnet ein Ringmagnet mit p·n Magnetnuten, die den Magnet in der Umfangsrichtung des Rotors in p·n gleiche Teile unterteilen.
-
Vorzugsweise ist der Motor ein Motor mit Innenrotor, bei dem der Statorkern den Rotorkern umschließt, und die p·n Magnetnuten sind in einer radial äußeren Umfangsfläche des Ringmagnets gebildet.
-
Vorzugsweise hat eine radial äußere Umfangsfläche des Rotorkerns p sich axial erstreckende Rotorkernnuten, und jede Rotorkernnut ist auf eine Grenzfläche zwischen zwei entsprechenden benachbarten Magnetpolen der p Magnetpole ausgerichtet.
-
Wahlweise umfasst der Permanentmagnet eine Vielzahl von individuellen Magneten, deren jeder einen Magnetpol bildet, wobei die dem Statorkern zugewandte Fläche jedes individuellen Magnets n – 1 Magnetnuten hat, die den individuellen Magnet in der Umfangsrichtung des Rotors in n gleiche Teile unterteilen.
-
Vorzugsweise sind die individuellen Magnete voneinander beabstandet, wobei eine Breite jeder Magnetnut gemessen in der Umfangsrichtung des Rotors im Wesentlichen die gleiche ist wie ein Spalt zwischen benachbarten individuellen Magneten.
-
Vorzugsweise sind die individuellen Magnete gekrümmte Magnete.
-
Vorzugsweise hat jeder Zahn eine dem Rotorkern zugewandte Polfläche, und eine zusätzliche Nut ist in der Mitte der Polfläche des Zahns gebildet.
-
Vorzugsweise ist das Joch des Statorkerns ringförmig, und eine äußere Umfangsfläche des Jochs hat s Jochnuten, deren jede auf eine Mitte eines entsprechenden Zahns ausgerichtet ist.
-
Vorzugsweise ist s gleich sechs, p gleich vier und n gleich drei.
-
Vorzugsweise ist der Statorkern aus Lamellen gebildet, und mindestens eine sich axial erstreckende Jochnut ist in dem Joch gebildet und hat einen darin gebildeten Vorsprung, wobei die Lamellen an dem Vorsprung miteinander verschweißt sind.
-
Zusammenfassend hat der Permanentmagnet des Rotorkerns der vorliegenden Erfindung Magnetnuten, die den jedem Magnetpol entsprechenden Abschnitt des Permanentmagnets in mehrere gleiche Teile unterteilen, so dass die Anzahl der Fluktuationen des Magnetfelds ein integrales Vielfaches der Statorschlitze ist, wodurch das Rastmoment des Motors deutlich vergrößert wird, ohne die Pol- und Schlitzzahl des Motors zu ändern und ohne die Leistung des Motors wesentlich zu ändern.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Zeichnungsfigur erscheinen, sind in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, grundsätzlich identisch gekennzeichnet. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen sind im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Die Figuren sind nachstehend aufgelistet.
-
1 zeigt einen bürstenlosen Permanentmagnetmotor gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 zeigt den Statorkern und die Statorwicklung des bürstenlosen Motors von 1;
-
3 zeigt den Rotorkern und den Permanentmagnet des bürstenlosen Motors von 1;
-
4 zeigt Testergebnisse von vier erfindungsgemäß hergestellten Motoren;
-
5 zeigt Testergebnisse von vier Motoren gemäß dem Stand der Technik; und
-
6 zeigt den Statorkern und die Statorwicklung eines bürstenlosen Motors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Es wird auf die 1 bis 3 Bezug genommen. Der bürstenlose Permanentmagnetmotor 10 gemäß vorliegender Ausführungsform der Erfindung hat einen Außenstator 20 und einen Innenrotor 40. Der Stator 20 hat ein becherähnliches Gehäuse 21 mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende. Das offene Ende ist mit einer Endkappe 22 verschlossen. Ein Statorkern 30 ist in dem Gehäuse 21 aufgenommen. Eine Statorwicklung 38 ist um Zähne 35 des Statorkerns 35 und eine Antriebsschaltung (z. B. eine elektronische Kommutationsschaltung) herumgeführt. Der Statorkern ist vorzugsweise durch das Aufschichten von einer Vielzahl von Blechen gebildet, die miteinander verschweißt oder anderweitig aneinander befestigt sind.
-
Der Rotor 40 hat eine Welle 41, einen an der Welle 41 befestigten Rotorkern 43 und einen Permanentmagnet 47, der an einer äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 43 montiert ist. Die Welle 41 ist durch Lager 25 an der Endkappe 22 und an dem geschlossenen Ende 23 des Gehäuses 21 drehbar montiert.
-
Der Statorkern 30 hat ein ringförmiges Joch 31 und sechs Zähne 35, die sich von dem Joch 31 nach innen erstrecken, wobei zwischen den benachbarten Zähnen 35 Wicklungsschlitze gebildet sind. Jeder Zahn 35 ist mit einer Spule der Statorwicklung 38 bewickelt. Unter Steuerung der Antriebsschaltung bewirkt die Statorwicklung 38, dass der Stator sechs Statorpole bildet. Das heißt, jeder Zahn 35 bildet einen Statorpol.
-
Der Permanentmagnet 47 ist ein ringförmiger Magnet oder ein Ringmagnet, der magnetisiert wird, um vier Magnetpole zu bilden, die in der Umfangsrichtung des Rotorkerns angeordnet sind. Aus diesem Grund kann der Motor als Vierpol-(vier Magnetpole) und Sechsschlitz-Motor (sechs Wicklungsschlitze) bezeichnet werden. Wahlweise kann der Permanentmagnet 47 durch eine Anzahl von ebenen oder bogenförmigen Permanentmagneten gebildet sein, die in einer Ringkonfiguration an dem Rotorkern angeordnet sind.
-
In der vorliegenden Ausführungsform sind in einer äußeren Umfangsfläche des Permanentmagnets 47 zwölf sich axial erstreckende Magnetnuten 48 gebildet. Diese zwölf Magnetnuten 48 sind in der Umfangsrichtung des Rotorkerns gleichmäßig beabstandet, um den ringförmigen Permanentmagnet in zwölf gleiche Teile zu unterteilen. Die Anzahl der Teile ist ein integrales Vielfaches der Anzahl von Statorzähnen. Vorzugsweise hat die Nut 48 einen gekrümmten Querschnitt. All die Magnetnuten 48 haben die gleiche Umfangsgröße und radiale Tiefe. Vorzugsweise ist die Tiefe jeder Magnetnut 48 kleiner als 20% der Dicke des Magnets, gemessen in der radialen Richtung des Rotors.
-
Der Permanentmagnet 47 bildet vier Magnetpole. Deshalb umfasst jeder einem Magnetpol entsprechende Abschnitt des Permanentmagnets drei Teile von den zwölf gleichen Teilen. Insbesondere ist jeder einem Magnetpol entsprechende Abschnitt des Permanentmagnets durch zwei Magnetnuten 48 in drei gleiche Teile unterteilt, und eine Grenzfläche zwischen benachbarten Magneten ist auf eine entsprechende Magnetnut 48 ausgerichtet. Jeder einem Magnetpol entsprechende Abschnitt des Permanentmagnets umfasst zwei symmetrische ganze Nuten 48 und zwei symmetrische Halbnuten
-
Vier bürstenlose Motoren (#1, #2, #3, und #4), die gemäß vorstehender Ausführungsform ausgebildet sind, wurden bezüglich des elektrischen Stroms (A), der Drehzahl (U/min.) und des Rastmoments (mNm) bei einer Drehung in Uhrzeigerrichtung (CW) und in Gegenuhrzeigerrichtung (CCW) unter Null-Last- und Lastbedingungen getestet. Die Testergebnisse sind in 4 gezeigt. Das durchschnittliche Rastmoment der vier Motoren bei Drehung in Gegenuhrzeigerrichtung betrug 24,1 mNm, bei einem Maximum von 24,5 mNm und einem Minimum von 23,6 mNm. Das durchschnittliche Rastmoment der vier Motoren bei Drehung in Uhrzeigerrichtung betrug 24,0 mNm, bei einem Maximum von 24,7 mNm und einem Minimum von 23,5 mNm.
-
Es wurden auch weitere vier Motoren (#5, #6, #7 und #8) mit der gleichen Konfiguration, jedoch ohne Magnetnuten 48 getestet. Die Testergebnisse sind in 5 dargestellt. Das durchschnittliche Rastmoment der vier Motoren bei Drehung in Gegenuhrzeigerrichtung betrug lediglich 10,9 mNm, bei einem Maximum von lediglich 12,2 mNm und einem Minimum von 9,8 mNm. Das durchschnittliche Rastmoment der vier Motoren bei Drehung in Uhrzeigerrichtung betrug 10,9 mNm, bei einem Maximum von 12,2 mNm und einem Minimum von 8,8 mNm.
-
Wie zu erkennen ist, kann vorliegende Erfindung das Rastmoment im Wesentlichen verdoppeln, wodurch das Motorrastmoment ohne Leistungseinbußen deutlich vergrößert werden kann.
-
Es versteht sich, dass der vorstehende Vierpol- (vier Magnetpole) und Sechsschlitz-Motor (sechs Wicklungsschlitze) vorliegend lediglich zu Darstellungszwecken beschrieben wurde und die Erfindung ebenso bei Motoren mit einer anderen Magnetpol- und Schlitzzahl Anwendung finden könnte.
-
Vorliegende Erfindung kann bei einem bürstenlosen Permanentmagnetmotor mit p Polen (der Rotor hat p Magnetpole) und s Schlitzen (der Stator hat Zähne) angewendet werden, wobei s eine ganze Zahl größer als vier ist, der Permanentmagnet des Rotors p Magnetpole bildet und p eine gerade Zahl größer als 2, jedoch kleiner als s ist. Der dem jeweiligen Magnetpol entsprechende Abschnitt ist entlang der Umfangsrichtung des Rotors durch n – 1 Nuten in n gleiche Teile unterteilt, wobei n eine ganze Zahl größer als 1 und p·n ein integrales Vielfaches von s ist. Nach der Magnetisierung fluktuiert das Magnetfeld p·n mal, und die Anzahl der Statorzähne beträgt s. Deshalb ist die Anzahl der Fluktuationen des Magnetfelds ein integrales Vielfaches der Zähnezahl, wodurch das Rastmoment deutlich vergrößert wird.
-
Der in dem Rotor verwendete Permanentmagnet kann ein Permanentmagnetring sein, der magnetisiert wird, um in der Umfangsrichtung des Rotors p Magnetpole zu bilden.
-
Es versteht sich, dass der in dem Rotor verwendete Permanentmagnet auch durch p individuelle Permanentmagnete gebildet sein kann, die in der Umfangsrichtung des Rotors angeordnet sind, wobei jeder individuelle Permanentmagnet einen Magnetpol bildet.
-
Vorzugsweise befinden sich die Nuten an der Außenfläche des Magnets an der radial äußeren Fläche des Permanentmagnets. Wenn bei dem Rotor p gekrümmte Magnete verwendet werden, können die p gekrümmten Magnete voneinander beabstandet sein, wobei jeder gekrümmte Permanentmagnet n – 1 Nuten hat und die Breite jeder Nut in der Umfangsrichtung des Rotors im Wesentlichen die gleiche ist wie die Breite des Spalts zwischen benachbarten individuellen Permanentmagneten.
-
Vorzugsweise sind ferner p sich axial erstreckende Rotorkernnuten 45 an der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 43 gebildet, wobei die Mittellinie jeder Rotorkernnut 45 auf die Grenzfläche zwischen zwei entsprechenden Magnetpolen ausgerichtet ist. Das Vorsehen der Rotorkernnuten 45 kann einen Kurzschluss des Magnetflusses an der Grenzfläche verhindern, der bewirken würde, dass der Kraftfluss direkt von dem S-Pol zum N-Pol wandert.
-
Vorzugsweise hat der Rotorkern 43 mehrere Positionierungsöffnungen 46 zum Positionieren des Rotorkerns während des Magnetisierungsvorgangs.
-
Vorzugsweise sind an der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Jochs 31 des Statorkerns s Jochnuten 32, 34 gebildet, deren jede auf die Mitte eines entsprechenden Zahns ausgerichtet ist. Die axialen Enden des Statorkerns sind mit Endabdeckungen oder mit Drahtspulenkörpern aus Isoliermaterial, vorzugsweise Kunststoff, abgedeckt, um die Wicklung gegenüber dem Statorkern zu schützen. Es werden Jochnuten 32 verwendet, um den Drahtspulenkörper während der Montage des Motors auf den Stator auszurichten. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Jochnuten 32 bogenförmig. Die Jochnuten 32 können jeweils formgleich sein, doch vorzugsweise hat mindestens eine Jochnut 32 eine andere Form oder eine andere Größe, um die Drahtspulenkörper in der Umfangsrichtung auszurichten. Ein Vorsprung 37 springt von einer zentralen Stelle der Jochnut 34 nach außen vor und wird für das Verschweißen der Lamellen verwendet. Insbesondere weist das Joch 31 zwei Jochnuten 34 und vier Jochnuten 32 auf. Die beiden Jochnuten 34 liegen einander diametral gegenüber, so dass die Lamellen zum Bilden des Jochs an den Vorsprüngen 37 der Jochnuten 34 miteinander verschweißt sind.
-
6 zeigt einen Motorstator gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser Motorstator unterscheidet sich von dem Motorstator von 2 hauptsächlich dadurch, dass eine Polflächennut 36 (als zusätzliche Nut bezeichnet) in einer Mitte einer Polfläche jedes Zahns 35 des Stators gebildet ist, um die Polfläche in zwei gleiche Teile zu unterteilen. Das Bilden der zusätzlichen Nut 36 in der Polfläche jedes Zahns kann ferner das Rastmoment des Motors vergrößern.
-
Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element oder Merkmal vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente oder Merkmale vorhanden sind.
-
Bestimmte Merkmale der Erfindung, die der Klarheit halber im Zusammenhang mit separaten Ausführungsformen beschrieben wurden, können auch in nur einer Ausführungsform kombiniert sein. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die der Kürze halber in einer Ausführungsform beschrieben wurden, ebenso separat oder in geeigneten Unterkombinationen vorhanden sein.
-
Der Fachmann wird erkennen, dass verschiedene Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen oder von dem Erfindungsgedanken abzuweichen. Zum Beispiel kann der vorstehend beschriebene Motor mit Innenrotor auch ein Motor mit Außenrotor sein, d. h. der Rotor umschließt den Stator. Der Statorkern kann integriert sein, wie vorstehend beschrieben, kann aber ebenso als separate Konstruktion vorgesehen sein. Beides liegt innerhalb des Rahmens der Erfindung. Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen ist vorgesehen, dass durch vorliegende Erfindung Modifikation und Variationen der Erfindung erfasst sind, sofern diese in den Schutzbereich der folgenden Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
