DE102018105249A1

DE102018105249A1 - Rotoreinheit und Elektromotor

Info

Publication number: DE102018105249A1
Application number: DE102018105249.9A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schmid; Thomas Kübler; Kazunori TATEGATA
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-09-12
Also published as: WO2019171219A1; US11545861B2; CN112055929A; CN112055929B; DE202018006075U1; US20210013754A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotoreinheit für einen bürstenlosen Elektromotor, mit- einem ringförmigen Rotorkern, der eine Mittelachse umgibt,- einer Mehrzahl von Magnetanordnungen, die in einer Umfangsrichtung des Rotors um den Rotorkern herum angeordnet sind, und die jeweils eine konvexe äußere Umfangsfläche, eine innere Anlagefläche, zwei axiale Stirnseiten und zwei in Umfangsrichtung weisende Seitenflächen aufweisen,- einem Magnethalter, der eine Anzahl von Halteabschnitten aufweist, die jeweils zwischen zwei benachbarten Magnetanordnungen angeordnet sind und die an einem Ringabschnitt des Magnethalters angeformt sind, wobei die Halteabschnitte in einem Querschnitt entlang einer quer zu der Mittelachse verlaufenden Ebene T-förmig ausgebildet sind und jeweils einen Schaftabschnitt und einen Kopfabschnitt aufweisen, wobei- der Schaftabschnitt in einem Kontaktbereich an den Seitenflächen der Magnetanordnungen anliegt und der Kopfabschnitt an den Umfangsflächen der Magnetanordnungen anliegt, wobei- der Kopfabschnitt in einem Anlagebereich an den Umfangsflächen anliegt, der von einem Übergang zwischen dem Schaftabschnitt und dem Kopfabschnitt durch einen Abstand beabstandet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoreinheit für einen bürstenlosen Elektromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie einen bürstenlosen Elektromotor.
Aus dem Stand der Technik sind Elektromotoren bekannt, bei denen der Rotor Permanentmagnet trägt. Die Permanentmagnete sind um einen Rotorkern herum angeordnet und sitzen auf dessen Außenseite. Der Rotor definiert die geometrischen Achsen und Richtungen, die auch in dieser Beschreibung und den Patentansprüchen verwendet werden sollen. Eine Mittelachse fällt mit der Symmetrieachse des Rotors zusammen und stellt in dem Elektromotor auch die Drehachse des Rotors dar. In Richtung der Drehachse verläuft die Axialrichtung der Anordnung. Die Radialrichtung ist durch zunehmenden Abstand von der Mittelachse gekennzeichnet. Die Permanentmagnete des Rotors liegen also in Radialrichtung außen. Tangential zu dem Rotor verläuft die Umfangsrichtung, an der jeder Richtungsvektor senkrecht zu einem Radius der Anordnung ausgerichtet ist.
Der Elektromotor weist nach dem Stand der Technik außerdem einen radial außerhalb des Rotors angeordneten Stator auf, der den Rotor außen ringförmig umgibt. Der Stator enthält eine Anzahl von Elektromagneten, die im Allgemeinen von einem Eisenkern und einer Wicklung gebildet werden. Eine geeignete Bestromung der Wicklungen des Stators erzeugt ein drehendes Feld, das entsprechend ein Drehmoment in dem Rotor erzeugt. Der Stator ist in einem Motorgehäuse angeordnet, in dem der Rotor mit seiner Motorwelle drehbar gelagert ist.
Die Permanentmagnete sind üblicherweise aus einem spröden Material gefertigt. Die Magnete sind nicht mit dem Rotorkern verschraubt, sondern sitzen auf nach außen weisenden Planflächen des Rotorkerns, wo sie von einem Magnethalter mechanisch gehalten werden. Der Magnethalter nimmt insbesondere die Fliehkräfte auf, die bei der Rotation des Rotors auf die Magnete einwirken.
Die Magnethalter haben deshalb die Aufgabe, zu einen die Magnete fest und präzise in der vorgesehenen Position zu halten. Zum anderen dienen sie auch als Führung. Bei der Fertigung wird der Rotorkern zunächst mit dem Magnethalter bestückt und die Magnete werden dann in die vorgesehenen Positionen eingeschoben, wobei sie in Axialrichtung entlang der planen Außenfläche des Rotorkerns zwischen jeweils zwei Halteabschnitte des Magnethalters eingeschoben werden.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen hierzu bekannt. Die Patentschrift US 7,687,957 B2 zeigt eine Rotoreinheit mit Magnethaltern, die in Axialrichtung linienförmige Anlageflächen für die Magnete aufweisen. Diese linienförmigen Anlageflächen weisen bei der Montage der Magnete eine geringe Reibung gegenüber der Oberfläche der Magnete auf. Sie sollen außerdem die Magnete mit Federkraft aufgrund ihrer Elastizität in der vorgesehenen Position halten.
Die Offenlegungsschrift US 2015/0001978 A1 zeigt andererseits einen Rotor mit Magnethalten, die im Querschnitt T-förmig ausgebildet sind und mit einem Schaftabschnitt zwischen den Magneten sitzen, während ein Kopfabschnitt des T-förmigen Querschnitts radial von außen auf die Magnete drückt und die Magnete so in ihrer Position sichert. Der Kopfabschnitt liegt dabei vollflächig auf den Magneten auf. Die Fixierung der Magnete ist auf diese Weise besonders sicher. Die Reibung beim Einführen der Magnete zwischen die Magnethalter ist jedoch unerwünscht groß. Es kann zu Abrieb oder Beschädigungen der Magnete kommen.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotoreinheit und einen Elektromotor zu schaffen, bei denen neuartige Magnethalter einerseits die Magnete ausreichend fest und genau auf dem Rotorkern positionieren, und die andererseits eine verringerte Reibung beim Einführen der Magnete zwischen die Magnethalter und die äußere Oberfläche des Rotorkerns ermöglichen.
Diese Aufgabe wird von einer Rotoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Elektromotor mit einer solchen Rotoreinheit gelöst.
Weil bei einer erfindungsgemäßen Rotoreinheit vorgesehen ist, dass der Kopfabschnitt in einem Anlagebereich an den Umfangsflächen anliegt, der von einem Übergang zwischen dem Schaftabschnitt und dem Kopfabschnitt durch einen Abstand getrennt ist, sind die Magnetanordnungen zuverlässig an dem Rotorkern befestigt. Die Montage der Magnetanordnungen wird dennoch vereinfacht, denn die Reibung zwischen den Magnethaltern und den Magnetanordnungen beim Einsetzen der Magnetanordnungen in Axialrichtung wird verringert.
Bevorzugt weist der Abstand des Kopfabschnitts in Umfangsrichtung eine Breite von 30% bis 70%, besonders bevorzugt 40% bis 60% der Breite des Kopfabschnitts von seinem freien Ende bis zu dem Übergang zum Schaftabschnitt auf.
Es ist auch vorteilhaft, wenn allein oder in Kombination mit dem oben genannten Merkmal der Kontaktbereich des Schaftabschnitts in Radialrichtung der Seitenflächen eine Erstreckung von 30% bis 70%, insbesondere 40% bis 60% der radialen Erstreckung der Seitenflächen aufweist.
Die Reibung bei der Montage der Magnetanordnungen wird weiter verringert, wenn die axiale Erstreckung des Kontaktbereichs, in dem der Schaftabschnitt an der Magnetanordnung anliegt, geringer ist als die axiale Erstreckung der Seitenflächen der Magnetanordnung.
Vorzugsweise kann der Magnethalter in einem Spritzgießverfahren gefertigt und mit den Schaftabschnitten in axial verlaufende Nuten des Rotorkerns eingeführt werden, bevor die Magnetanordnungen an dem Rotorkern montiert werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass jede Magnetanordnung einen Permanentmagneten und einen Magnetfeldleiter aufweist, wobei der Permanentmagnet an einer äußeren Planfläche des Rotorkerns anliegt und der Magnetfeldleiter an der radialen Außenseite des Permanentmagneten anliegt. Dadurch werden der Wirkungsgrad des Elektromotors gesteigert und das Gewicht sowie das Rotationsträgheitsmoment verringert. Dabei liegt vorzugsweise der Magnethalter nur an dem Magnetfeldleiter der Magnetanordnung an. Der Magnetfeldleiter kann mit geeigneter Oberfläche gefertigt werden, die zusammen mit dem Magnethalter die Montage weiter erleichtert.
Die Aufgabe wird auch von einem bürstenlosen Elektromotor mit einem Stator, einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Motorwelle, und mit einer auf der Motorwelle befestigten Rotoreinheit mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen und Vorteilen gelöst. Ein solcher Elektromotor ist besonders robust, einfacher zu fertigen und weist einen hohen Wirkungsgrad auf.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

1: eine erfindungsgemäße Rotoreinheit in einer Draufsicht in Richtung der Mittelachse,
2: die Rotoreinheit aus 1 in einer perspektivischen Darstellung ohne Magnete,
3: einen vergrößerten Ausschnitt einer Rotoreinheit gemäß 1 in einer perspektivischen Darstellung, sowie
4: einen Querschnitt entlang der Linie A-A aus 3.

Die 1 zeigt eine Rotoreinheit 1 in einer Draufsicht in Richtung einer Mittelachse 2, die mit einer vorgesehenen Drehachse der Rotoreinheit 1 zusammenfällt. Die Rotoreinheit 1 weist einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Rotorkern 3 auf, der eine Mittelbohrung 4 zur Aufnahme einer nicht dargestellten Motorwelle sowie eine Anzahl von achsparallelen Bohrungen 5 aufweist. An seiner Außenseite weist der Rotorkern 1 flache Außenflächen 6 auf, und zwar in diesem Ausführungsbeispiel insgesamt acht Außenflächen 6, die jeweils die gleiche Größe und die gleiche Form aufweisen, und die in gleichförmigen Winkelabstand entlang der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 3 verteilt sind. Zwischen jeweils zwei Außenflächen 6 ist eine Nut 7 vorgesehen, die von außen in Radialrichtung in die Kante eingeformt ist, die die beiden aneinander angrenzenden Außenflächen 6 in diesem Bereich bilden. Die Nut ist radial nach außen hin offen und verläuft parallel zu der Mittelachse 2. An den Außenflächen 6 liegen insgesamt acht Permanentmagnete 9 an, die eine plane Anlagefläche 10 aufweisen, sowie eine äußere Umfangsfläche 11 und Seitenflächen 12 und 13. Die Seitenflächen 12 und 13 sind jeweils in Umfangsrichtung weisend angeordnet, während die Anlagefläche 10 radial nach innen zu dem Rotorkern 3 weist und die Umfangsfläche 11 radial nach außen von dem Rotorkern 3 weg weist. Schließlich weisen die Permanentmagnete 9 noch axiale Stirnflächen 14 auf, von denen nur die dem Betrachter zugewandte Stirnfläche in der 1 sichtbar ist.
Die Permanentmagnete 9 werden an dem Rotorkern 3 von Haltabschnitten 20 eines hier nicht vollständig sichtbaren Magnethalters 21 gehalten.
Die Halteabschnitte 20 weisen jeweils einen Schaftabschnitt 22 und einen Kopfabschnitt 23 auf, wobei der Schaftabschnitt 22 in die Nut 7 hinein reicht und dort formschlüssig gehalten ist. Der Kopfabschnitt 23 ist an dem der Nut 7 gegenüberliegenden Ende des Schaftabschnitts 22 angeformt und erstreckt sich in Umfangsrichtung der Anordnung. Die Permanentmagnete 9 werden von den Halteabschnitten 20 in Umfangsrichtung der Rotoreinheit 1 fixiert, indem sie mit ihren Seitenflächen 12, 13 an dem jeweils benachbarten Schaftabschnitt 22 anliegen. In Radialrichtung nach außen werden die Permanentmagnete von den Kopfabschnitten 23 gehalten.
Die 2 zeigt den Rotorkern aus 1 in einer perspektivischen Darstellung, jedoch ohne die Permanentmagnete. Gleiche Bauelemente tragen gleiche Bezugsziffern.
In der 2 sind die Außenflächen 6 des Rotorkerns 3 besser erkennbar. Diese sind etwa quadratisch ausgebildet. Der Rotorkern 3 selbst ist aus einer Vielzahl von Blechen im Wesentlichen gleichen Querschnitts zusammengefügt. Diese werden zu einem Lamellenpaket laminiert, das den Rotorkern 3 bildet.
Der Magnethalter 21 ist in dieser Darstellung besser erkennbar. Er weist einen umlaufenden, im Durchmesser etwa dem Durchmesser der Rotoreinheit 1 entsprechenden Ringabschnitt 24 auf, der an einer axialen Stirnseite des Rotorkerns 3 anliegt. Weiter weist der Ringabschnitt die insgesamt acht Halteabschnitte 20 auf, die in der 2 von unten her bei der Montage des Magnethalters 21 in die Nuten 7 eingeführt worden sind. Die Schaftabschnitte 22 erstrecken sich von der Nut 7 aus radial nach außen und überragen jeweils die benachbarten Außenflächen 6 des Rotorkerns 3 im Umfangsrichtung nach außen. Die Kopfabschnitte 23 sind an den außen liegenden Enden der Schaftbereiche 22 angeformt und verlaufen in Axialrichtung sowie in Umfangsrichtung.
In der 3 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines Teils des Rotorkerns 3 mit zwei Halteabschnitten 20 und einem dazwischen eingesetzten Permanentmagneten 9 vergrößert dargestellt. Die Halteabschnitte 20 weisen in ihrem Schaftabschnitt 22 einen Kontaktbereich 25 auf, in dem der benachbarte Permanentmagnet 9 mit seiner Seitenfläche 12, 13 an dem Halteabschnitt 20 anliegt. Der Kontaktbereich 25 ist radial in einem Abstand von der Außenfläche 6 des Rotorkerns 3 angeordnet. Zwischen dem Kontaktbereich 25 und der Außenfläche 6 ist ein Freiraum 26 gebildet, in dem die Seitenfläche 12, 13 des Permanentmagneten 9 nicht an dem Halteabschnitt 20 anliegt. Der Kontaktbereich 25 weist in Radialrichtung eine Höhe auf, die etwa 50 % der Höhe der benachbarten Seitenfläche 12, 13 entspricht. Der Kontaktbereich 25 geht an seiner radialen Außenseite unmittelbar in den Kopfabschnitt 23 über.
Die 4 zeigt schließlich einen Querschnitt entlang der Linie A-A aus 3, wiederum in abgebrochener und vergrößerter Darstellung. Im Unterschied zu 3 sind in der 4 zwei Permanentmagnete 9 und ein dazwischen liegender Halteabschnitt 20 dargestellt.
Von dem Kontaktbereich 25 des Schaftabschnitts 22 aus erstreckt sich der Kopfabschnitt 23 in Umfangsrichtung und ragt dabei über die Umfangsfläche 11 des Permanentmagneten 9. Eine Breite c der Überlappung von dem Übergang des Kopfabschnitts 23 in den Schaftabschnitts 22 bis zu dem freien Ende des Kopfabschnitts 23 ist in der 4 mit der Streckenlänge c dargestellt. Der Kopfabschnitt 23 liegt nicht auf der gesamten Breite c an der Umfangsfläche 11 an, sondern nur mit einem Teilabschnitt, einem Anlagebereich a, der unmittelbar an das freie Ende des Kopfabschnitts 23 anschließt und in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Erstreckung von etwa 50 % der Strecke c beträgt. Zwischen dem Anlagebereich a und dem Übergang des Kopfabschnitts 23 in den Schaftbereich 22 befindet sich ein Abstand b, in dem der Kopfabschnitt 23 nicht an der Umfangsfläche 11 anliegt. Die Längen der Strecken des Anlagebereichs a und des Abstands b in Umfangsrichtung addieren sich zu der Erstreckung der Breite c, die die oben genannte Überlappung darstellt. Die Streckenlänge a beträgt also rund 50 % der Überlappung.
Da der Kopfabschnitt im Gegensatz zum Stand der Technik nicht mit der vollen Breite c an der Umfangsfläche 11 anliegt, entsteht bei der Montage der Permanentmagnete 9 in diesem Bereich eine geringere Reibung als im Stand der Technik, der in der Offenlegungsschrift US 2015/0001978 A1 beschrieben ist. Diese verringerte Reibung bewirkt ähnlich wie die ebenfalls im Kontaktbereich 25 verringerte Reibung, dass die Kräfte bei der Montage der Permanentmagnete 9 verringert werden. Dadurch werden, wie bereits oben beschrieben wurde, Abrieb und Beschädigung der Permanentmagnete 9 verhindert.
Es wurden zwei verschiedene Maßnahmen zur Verringerung der Reibung bei der Montage der Magnete 9 beschrieben. Zum einen wurde die Anlagefläche am Schaftabschnitt 22 verringert, zum anderen wurde die Kontaktfläche a in der Überlappung c des Kopfabschnitts 23 mit der Umfangsfläche 11 reduziert. Jede Maßnahme für sich reduziert bereits die bei der Montage auftretende Reibung. Bevorzugt werden beide Maßnahmen eingesetzt, um ein besonders gutes Ergebnis zu erzielen.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf Rotoreinheiten mit Permanentmagneten 9. Es kann allgemein bei Rotoreinheiten Anwendung finden, die an der Position der beschriebenen Permanentmagnete 9 Magnetanordnungen aufweisen, die zum Beispiel auch zusammengesetzt sein können aus Permanentmagneten und Magnetleitern, um das Magnetfeld geeignet zu formen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7687957 B2 [0006]
US 2015/0001978 A1 [0007, 0027]

Claims

Rotoreinheit für einen bürstenlosen Elektromotor, mit - einem ringförmigen Rotorkern (3), der eine Mittelachse (2) umgibt, - einer Mehrzahl von Magnetanordnungen, die in einer Umfangsrichtung der Rotoreinheit (1) um den Rotorkern (3) herum angeordnet sind, und die jeweils eine konvexe äußere Umfangsfläche (11), eine innere Anlagefläche (10), zwei axiale Stirnseiten (14) und zwei in Umfangsrichtung weisende Seitenflächen (12, 13) aufweisen, - einem Magnethalter (21), der eine Anzahl von Halteabschnitten (20) aufweist, die jeweils zwischen zwei benachbarten Magnetanordnungen angeordnet sind und die an einem Ringabschnitt (24) des Magnethalters (21) angeformt sind, wobei die Halteabschnitte (20) in einem Querschnitt entlang einer quer zu der Mittelachse (2) verlaufenden Ebene T-förmig ausgebildet sind und jeweils einen Schaftabschnitt (22) und einen Kopfabschnitt (23) aufweisen, wobei - der Schaftabschnitt (22) in einem Kontaktbereich (25) an den Seitenflächen (12, 13) der Magnetanordnungen anliegt und der Kopfabschnitt (23) an den Umfangsflächen (11) der Magnetanordnungen anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass - der Kopfabschnitt (23) in einem Anlagebereich (a) an den Umfangsflächen (11) anliegt, der von einem Übergang zwischen dem Schaftabschnitt (22) und dem Kopfabschnitt (23) durch einen Abstand (b) getrennt ist.
Rotoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (b) in Umfangsrichtung eine Breite von 30% bis 70% einer Breite (c) des Kopfabschnitts (23) von seinem freien Ende bis zu dem Übergang zum Schaftabschnitt (22) aufweist.
Rotoreinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (b) in Umfangsrichtung eine Breite von 40% bis 60% der Breite (c) des Kopfabschnitts von seinem freien Ende bis zu dem Übergang zum Schaftabschnitt (22) aufweist.
Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktbereich (25) des Schaftabschnitts (22) in Radialrichtung der Seitenflächen (12, 13) eine Erstreckung von 30% bis 70% der radialen Erstreckung der Seitenflächen (12, 13) aufweist.
Rotoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (25) des Schaftabschnitts (22) in Radialrichtung der Seitenflächen (12, 13) eine Erstreckung von 40% bis 60% der radialen Erstreckung der Seitenflächen (12, 13) aufweist.
Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung des Kontaktbereichs (25), in dem der Schaftabschnitt (22) an der Magnetanordnung anliegt, geringer ist als die axiale Erstreckung der Seitenflächen (12, 13) der Magnetanordnung (9).
Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnethalter (21) in einem Spritzgießverfahren gefertigt ist und mit den Schaftabschnitten (22) in axial verlaufende Nuten (7) des Rotorkerns (3) eingeführt ist, bevor die Magnetanordnungen an dem Rotorkern (3) montiert werden.
Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Magnetanordnung aus einem Permanentmagneten (9) besteht.
Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Magnetanordnung einen Permanentmagneten (9) und einen Magnetfeldleiter aufweist, wobei der Permanentmagnet (9) an einer äußeren Planfläche (6) des Rotorkerns (3) anliegt und der Magnetfeldleiter an der radialen Außenseite des Permanentmagneten (9) anliegt.
Rotoreinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnethalter (21) nur an dem Magnetfeldleiter der Magnetanordnung anliegt.
Bürstenloser Elektromotor mit einem Stator, einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Motorwelle, und mit einer auf der Motorwelle befestigten Rotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.