DE102018116987A1 - Rotoreinheit für einen bürstenlosen Elektromotor mit einstückigen Magnetflussleitern - Google Patents
Rotoreinheit für einen bürstenlosen Elektromotor mit einstückigen Magnetflussleitern Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Rotoreinheit (1) für einen bürstenlosen Elektromotor aufweisend
- einen ringförmigen Rotorkern (3), der eine Mittelachse (2) umgibt,
- eine Mehrzahl von Permanentmagneten (7), die in einer Umfangsrichtung der Rotoreinheit (1) um den Rotorkern (3) herum angeordnet sind, und die jeweils eine plane äußere Anlagefläche (9), eine plane innere Anlagefläche (8), zwei axiale Stirnflächen (12) und zwei Seitenflächen (10, 11) aufweisen,
- eine Mehrzahl an Magnetflussleitern (14), wobei jeweils ein Magnetflussleiter (14) einem Permanentmagneten (7) zugewiesen ist, und wobei die Magnetflussleiter (14) jeweils eine konvexe äußere Umfangsfläche (16) und eine plane innere Anlagefläche (15) aufweisen, wobei die plane innere Anlagefläche (15) des jeweiligen Magnetflussleiters (14) in Anlage mit der planen äußeren Anlagefläche (9) des entsprechenden Permanentmagnetes (7) steht, wobei die Magnetflussleiter (14) jeweils einstückig ausgeformt sind.
- einen ringförmigen Rotorkern (3), der eine Mittelachse (2) umgibt,
- eine Mehrzahl von Permanentmagneten (7), die in einer Umfangsrichtung der Rotoreinheit (1) um den Rotorkern (3) herum angeordnet sind, und die jeweils eine plane äußere Anlagefläche (9), eine plane innere Anlagefläche (8), zwei axiale Stirnflächen (12) und zwei Seitenflächen (10, 11) aufweisen,
- eine Mehrzahl an Magnetflussleitern (14), wobei jeweils ein Magnetflussleiter (14) einem Permanentmagneten (7) zugewiesen ist, und wobei die Magnetflussleiter (14) jeweils eine konvexe äußere Umfangsfläche (16) und eine plane innere Anlagefläche (15) aufweisen, wobei die plane innere Anlagefläche (15) des jeweiligen Magnetflussleiters (14) in Anlage mit der planen äußeren Anlagefläche (9) des entsprechenden Permanentmagnetes (7) steht, wobei die Magnetflussleiter (14) jeweils einstückig ausgeformt sind.
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 des Rotors 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. Die Permanentmagnete des Rotors sind dabei auf der Innenseite plan ausgestaltet und liegen in Anlage mit dem Rotor. Auf der Außenseite sind die Permanentmagnete konvex ausgeformt. Die Konvexität bringt den Vorteil, dass das Magnetfeld zum Stator hin auf einen in Umfangsrichtung kleinen Bereich fokussiert wird und somit dort eine höhere Magnetflussdichte aufweist. Wirbelstromverluste können so reduziert werden.
- Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 056 882 A1 ist bekannt die Permanentmagnete des Rotors quaderförmig auszuformen und in Taschen eines lamellenförmigen Rotorkerns zu platzieren. Der Rotorkern umschließt die darin aufgenommen Magnete ringsherum und ist auf der Außenseite in den Bereichen der Taschen konvex ausgeformt. Dies hat den Vorteil, dass die spröden Magnete einfacher herzustellen sind. Außerdem werden durch das Blechpaket Wirbelstromverluste zwischen den Magneten und dem umgreifenden Stator reduziert. Die Herstellung des Rotorkerns mit den Taschen ist allerdings relativ aufwendig, was unerwünschte Kosten verursacht. -
DE 10 2011 079 245 A1 offenbart Aufnahmetaschen für Permanentmagnete, die in Radialrichtung einseitig offen ausgebildet sind, was die Möglichkeit eröffnet, die Magnete in Radialrichtung von außen in die Aufnahmetaschen am Lamellenpaket des Rotorkerns einzusetzen. Auf der der Aufnahmetasche abgewandten Seite sind Träger von Lamellensegmenten vorgesehen, die zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten beitragen. - Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotoreinheit und einen Elektromotor zu schaffen, bei denen der Rotor besonders einfach und kostengünstig herzustellen ist.
- Diese Aufgabe wird von einer Rotoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Elektromotor mit einer solchen Rotoreinheit gelöst.
- Demnach ist eine Rotoreinheit für einen bürstenlosen Elektromotor aufweisend
- - einen ringförmigen Rotorkern, der eine Mittelachse umgibt,
- - eine Mehrzahl von Permanentmagneten, die in einer Umfangsrichtung der Rotoreinheit um den Rotorkern herum angeordnet sind, und die jeweils eine plane äußere Anlagefläche, eine plane innere Anlagefläche, zwei axiale Stirnflächen und zwei Seitenflächen aufweisen, - eine Mehrzahl an Magnetflussleitern, wobei jeweils ein Magnetflussleiter einem Permanentmagneten zugewiesen ist, und wobei die Magnetflussleiter jeweils eine konvexe äußere Umfangsfläche und eine plane innere Anlagefläche aufweisen, wobei die plane innere Anlagefläche des jeweiligen Magnetflussleiters in Anlage mit der planen äußeren Anlagefläche des entsprechenden Permanentmagnetes steht, vorgesehen, wobei die Magnetflussleiter jeweils einstückig ausgeformt sind.
- Die Herstellung der Magnetflussleiter kann dadurch besonders einfach und kostengünstig erfolgen, vorzugsweise in einem Strangpressverfahren.
- Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Magnetflussleiter aus weichem Stahl mit hohem Eisengehalt gefertigt sind, welcher sich besonders einfach verarbeiten lässt.
- Vorzugsweise weist die Rotoreinheit einen Magnethalter auf, der eine Anzahl von Halteabschnitten aufweist, die jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Permanentmagneten und Magnetflussleitern angeordnet sind und die an einem Boden des Magnethalters angeformt sind, und die die Magnetflussleiter an den Permanentmagneten in Radialrichtung halten.
- Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Halteabschnitte einen Schaftabschnitt und einen Kopfabschnitt aufweisen, wobei die Schaftabschnitte in einem Querschnitt entlang einer quer zu der Mittelachse verlaufenden Ebene T-förmig ausgebildet sind, so dass die Schaftabschnitte die Lage der Permanentmagneten und der Magnetflussleiter in Radialrichtung fixieren.
- Vorzugsweise ist der Magnethalter in einem Spritzgießverfahren an den Rotorkern angespritzt.
- Die Schaftabschnitte greifen bevorzugt zumindest teilweise in axial verlaufende Nuten des Rotorkerns ein.
- Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Kopfabschnitte in korrespondierende Ausnehmung des Rotorkerns, die im Bereich der Stirnfläche des Rotorkerns angeordnet sind, eingreifen und somit eine Lage des Magnethalters gegenüber dem Rotorkern in axialer Richtung definieren.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotorkern einstückig ausgebildet und insbesondere im Kaltpressverfahren hergestellt.
- Die Permanentmagnete sind vorzugsweise quaderförmig ausgebildet, was die Herstellung deutlich vereinfacht.
- 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 einfacher zu fertigen.
- Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleichen Funktionen tragen gleiche Bezugszeichen. Es zeigen:
-
1 : eine erfindungsgemäße Rotoreinheit in einer Draufsicht in Richtung der Mittelachse, -
2 : die Rotoreinheit aus1 in einer perspektivischen Darstellung, sowie -
3 : einen Elektromotor mit einer erfindungsgemäßen Rotoreinheit. - Die
1 und2 zeigen eine Rotoreinheit1 mit einer Mittelachse2 , die mit einer vorgesehenen Drehachse der Rotoreinheit1 zusammenfällt. Die Rotoreinheit1 weist einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Rotorkern3 auf, der eine Mittelbohrung4 zur Aufnahme einer nicht dargestellten Motorwelle aufweist. Der Rotorkern ist ein Innenläufer-Rotorkern und Teil eines als Innenläufer ausgebildeten, bürstenlosen Elektromotors. An seiner Außenseite weist der Rotorkern3 flache Außenflächen5 auf, und zwar in diesem Ausführungsbeispiel insgesamt acht Außenflächen5 , die jeweils die gleiche Größe und die gleiche Form aufweisen, und die in gleichförmigen Winkelabstand entlang der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns3 verteilt sind. Der Rotorkern3 ist einstückig hergestellt. Er besteht also nicht aus mehreren, aufeinanderliegenden Lamellen, beziehungsweise er liegt nicht als geschichteter Kern vor. Er ist aus einem Werkstück gebildet. Er besteht bevorzugt aus einem weichen Stahl mit hohem Eisengehalt und ist bevorzugt im Kaltpressverfahren hergestellt. Zwischen jeweils zwei Außenflächen5 ist eine nicht dargestellt Nut vorgesehen, die von außen in Radialrichtung in die Kante eingeformt ist, die die beiden aneinander angrenzenden Außenflächen5 in diesem Bereich bilden. Die Nut ist radial nach außen hin offen und verläuft parallel zu der Mittelachse2 . An den Außenflächen5 liegen insgesamt acht quaderförmige Permanentmagnete7 an, die einen rechteckigen Querschnitt mit einer inneren planen Anlagefläche8 , einer äußeren planen Anlagefläche9 , und zwei planen Seitenflächen10 ,11 aufweisen. Die innere Anlagefläche8 der Permanentmagnete7 weist radial nach innen zu dem Rotorkern3 und die äußere Anlagefläche9 liegt der inneren Anlagefläche gegenüber und weist radial nach außen, von dem Rotorkern3 weg. Die Seitenflächen10 ,11 erstrecken sich in radialer Richtung, senkrecht zu den Anlageflächen8 ,9. Schließlich weisen die Permanentmagnete7 noch axiale Stirnflächen12 auf. Die Permanentmagnete7 sind bevorzugt aus Neodym oder Ferriten hergestellt und werden vorzugsweise in einem Sinterprozess gefertigt. - An den äußeren Anlageflächen
9 der Permanentmagnete liegen jeweils Magnetflussleiter14 an, die jeweils die gleiche Größe und die gleiche Form aufweisen, und die in gleichförmigen Winkelabstand entlang der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns3 verteilt sind. Die Magnetflussleiter14 weisen jeweils eine plane Anlagefläche15 auf, sowie eine konvexe äußere Umfangsfläche16 und Seitenflächen17 und18 . Die plane Anlagefläche15 der Magnetflussleiter weist radial nach innen zu dem Rotorkern3 und die konvexe äußere Umfangsfläche16 weist radial nach außen von dem Rotorkern3 weg. Die Seitenflächen17 und18 der Magnetflussleiter erstrecken sich in etwa jeweils in Radialrichtung und liegen sich in Umfangsrichtung gegenüber. Schließlich weisen die Magnetflussleiter14 noch axiale Stirnflächen19 ,20 auf. Die Magnetflussleiter14 liegen mit ihrer planen Anlagefläche15 in Anlage mit der äußeren Anlagefläche9 der Permanentmagnete und erstrecken sich über einen Bereich von wenigstens 80% der Breite der äußeren Anlagefläche in Umfangsrichtung. In Axialrichtung weisen die Permanentmagnete und die Magnetflussleiter bevorzugt dieselbe Länge auf. Der Radius der Konvexität der äußeren Umfangsfläche16 des Magnetflussleiters14 ist kleiner als oder gleich wie der Radius der Einhüllenden des Rotorkerns, insbesondere mindestens halb so groß wie der Radius der Einhüllenden. Die Magnetflussleiter14 sind bevorzugt aus einem weichen Stahl mit einem hohen Eisengehalt gefertigt. Die Magnetflussleiter14 sind dabei vorzugsweise einstückig, bestehen also nicht aus mehreren, aufeinanderliegenden Lamellen. Sie werden aus einem Werkstück, vorzugsweise in einem Strangpressverfahren hergestellt und auf ihre sich in Axialrichtung erstreckende Länge zugeschnitten. Die Seitenflächen 17,18 der Magnetflussleiter14 werden durch Entgraten der Kanten gebildet. Das macht die Herstellung der Magnetflussleiter besonders einfach. - Die Magnetflussleiter sind dazu vorgesehen, die mittels der Permanentmagnete erzeugten Magnetflüsse zu beeinflussen. Durch die Konvexität der Magnetflussleiter wird der Magnetfluss so fokussiert, dass sich ein begrenzter Bereich mit höherer Flussdichte in Radialrichtung nach außen, von dem Rotorkern weggehend, ausformt.
- Die Permanentmagnete
7 und Magnetflussleiter14 werden an dem Rotorkern3 mittels eines Magnethalters21 gehalten. Der Magnethalter21 besteht bevorzugt aus einem spritzfähigen Kunststoff, vorzugsweise Polybutylenterephthalat mit 30% Glasfaser (PBT30 ) oder Polyamid (PA), und wird vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren hergestellt. Der Magnethalter21 weist Halteabschnitte22 auf, die jeweils einen Schaftabschnitt23 und einen Kopfabschnitt24 aufweisen, wobei der Schaftabschnitt23 mittel eines Stegs in die Nut des Rotorkerns hinein reicht und dort formschlüssig gehalten ist. Die Schaftabschnitte23 der Halteabschnitte22 gehen senkrecht von einem ringförmigen Boden25 des Magnethalters21 ab. Die Halteabschnitte22 sind dabei außen an dem Boden25 angeformt. Der Boden25 ist so dimensioniert, dass der Rotorkern3 , die Permanentmagnete7 und die Magnetflussleiter14 mit ihrer einen Stirnseite zumindest teilweise auf dem Boden25 aufliegen. Der Kopfabschnitt24 ist an der bodenfernen Seite des Schaftabschnitts23 angeformt und erstreckt sich in Radialrichtung der Anordnung, von dem Schaftabschnitt23 in Richtung des Rotorkerns3 . Die Permanentmagnete7 und die Magnetflussleiter14 werden von den Halteabschnitten22 in Umfangsrichtung der Rotoreinheit1 fixiert, indem sie mit ihren Seitenflächen an dem jeweils benachbarten Schaftabschnitt23 anliegen. In Radialrichtung nach außen werden die Permanentmagnete7 und die Magnetflussleiter14 ebenfalls von den Schaftabschnitten23 gehalten. Die Schaftabschnitte23 weisen dafür einen Sitz für die Permanentmagnete7 und einen Sitz für die Magnetflussleiter14 auf. Die Schaftabschnitte23 sind dafür im Querschnitt im Wesentlichen T-förmig ausgeformt, wobei der sich in Radialrichtung erstreckende Teil in die Nut des Rotorkerns greift und der sich in Umfangsrichtung erstreckende Teil die Magnetflussleiter14 und die Permanentmagnete7 in Radialrichtung in Position hält. Der Kopfabschnitt24 greift in eine korrespondierende Ausnehmung26 des Rotorkerns3 , die im Bereich der Stirnfläche des Rotorkerns3 angeordnet ist und bildet somit eine Fixierung des Magnethalters21 gegenüber dem Rotorkern3 in axialer Richtung mit Hilfe des Bodens25 des Magnethalters21 . Der Kopfabschnitt24 ist weiterhin in radialer Richtung derart ausgeformt, dass er in Hinterschnitte der Ausnehmung greift und somit den Magnethalter21 an dem Rotorkern3 zusätzlich in Radialrichtung fixiert. Die Permanentmagnete7 werden in den Magnethalter21 in Richtung auf den Boden25 zugehend hereingeschoben. Die Schaftabschnitte23 dienen dabei als Führung. Der Boden25 als Anschlag in axialer Richtung. Nachdem die Permanentmagnete7 eingesetzt wurden, werden die Magnetflussleiter21 in der gleichen Richtung eingeschoben, auch hier dienen die Schaftabschnitte23 als Führung und der Boden25 als Anschlag. Zum Schluss wird eine nicht dargestellte Hülse auf die Rotoranordnung in Richtung auf den Boden zugehend aufgeschoben, die die Stirnflächen der Elemente 7,14,3 auf der bodenabgewandten Seite überdeckt und somit die Lage der Permanentmagnete7 und der Magnetflussleiter14 in Axialrichtung mit Hilfe des Bodens25 relativ zu dem Magnethalter21 fixiert. -
3 zeigt einen Elektromotor27 in einer Querschnittsdarstellung mit erfindungsgemäßer Rotoreinheit1 . Der Elektromotor27 umfasst den Stator28 . Innerhalb des Stators28 ist die Rotoreinheit1 in an sich bekannter Weise drehbar gelagert. Die Anordnung ist umgeben von einem Motorgehäuse29 , dass Wälzlager30 zur drehbaren Lagerung der Rotoreinheit1 trägt. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006056882 A1 [0005]
- DE 102011079245 A1 [0006]
Claims (12)
- Rotoreinheit (1) für einen bürstenlosen Elektromotor aufweisend - einen ringförmigen Rotorkern (3), der eine Mittelachse (2) umgibt, - eine Mehrzahl von Permanentmagneten (7), die in einer Umfangsrichtung der Rotoreinheit (1) um den Rotorkern (3) herum angeordnet sind, und die jeweils eine plane äußere Anlagefläche (9), eine plane innere Anlagefläche (8), zwei axiale Stirnflächen (12) und zwei Seitenflächen (10, 11) aufweisen, - eine Mehrzahl an Magnetflussleitern (14), wobei jeweils ein Magnetflussleiter (14) einem Permanentmagneten (7) zugewiesen ist, und wobei die Magnetflussleiter (14) jeweils eine konvexe äußere Umfangsfläche (16) und eine plane innere Anlagefläche (15) aufweisen, wobei die plane innere Anlagefläche (15) des jeweiligen Magnetflussleiters (14) in Anlage mit der planen äußeren Anlagefläche (9) des entsprechenden Permanentmagnetes (7) steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflussleiter (14) jeweils einstückig ausgeformt sind.
- Rotoreinheit nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflussleiter (14) in einem Strangpressverfahren hergestellt sind. - Rotoreinheit nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflussleiter (14) aus weichem Stahl mit hohem Eisengehalt gefertigt sind. - Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoreinheit (1) einen Magnethalter (21) aufweist, der eine Anzahl von Halteabschnitten (22) aufweist, die jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Permanentmagneten (7) und Magnetflussleitern (14) angeordnet sind und die an einem Boden (25) des Magnethalters (21) angeformt sind, und die die Magnetflussleiter (14) an den Permanentmagneten (7) in Radialrichtung halten.
- Rotoreinheit nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Halteabschnitte (22) einen Schaftabschnitt (23) und einen Kopfabschnitt (24) aufweisen, wobei die Schaftabschnitte (23) in einem Querschnitt entlang einer quer zu der Mittelachse (2) verlaufenden Ebene T-förmig ausgebildet sind, so dass die Schaftabschnitte (23) die Lage der Permanentmagneten (7) und Magnetflussleiter (14) in Radialrichtung fixieren. - Rotoreinheit nach
Anspruch 4 oder5 , dadurch gekennzeichnet, dass der Magnethalter (21) in einem Spritzgießverfahren gefertigt ist. - Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 4 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftabschnitte (23) zumindest teilweise in axial verlaufende Nuten (6) des Rotorkerns (3) eingeführt sind. - Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 4 bis7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfabschnitte (24) in korrespondierende Ausnehmung (26) des Rotorkerns (3), die im Bereich der Stirnfläche des Rotorkerns (3) angeordnet sind, eingreift und somit eine Lage des Magnethalters (21) gegenüber dem Rotorkern (3) in axialer Richtung definiert. - Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkern (3) einstückig ausgebildet ist.
- Rotoreinheit nach
Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkern (3) im Kaltpressverfahren hergestellt ist. - Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (7) quaderförmig sind.
- 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.
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