DE102018118328A1

DE102018118328A1 - Elektromotor

Info

Publication number: DE102018118328A1
Application number: DE102018118328.3A
Authority: DE
Inventors: Artur Heidebrecht; Andreas Dietrich; Sebastian Emde
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2020-01-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor (1), aufweisend einen Stator (2) und einen Rotor (3), wobei der Rotor (3) Permanentmagnetmittel (4) und aus Eisenblechen (6, 7) bestehende Flussleitelemente (5) aufweist.Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Permanentmagnetmittel (4) aus einer Anordnung von magnetisierbaren Partikeln (15) in einer Kunststoffmatrix (14) bestehen, wobei eine Mischung von Kunststoffmatrix (14) und Partikeln (15) im materialabhängig ausreichend erwärmten Zustand in Aufnahmen (8) der gestapelten Eisenbleche (6, 7) eingespritzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, der einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor Permanentmagnetmittel und aus Eisenblechen bestehende Flussleitelemente enthält.
Elektromotoren mit in dem Rotor angeordneten Permanentmagnetmitteln sind bekannt, wobei die Permanentmagnetmittel entweder an der Mantelfläche des Rotors oder in eisernen Flussleitmitteln angeordnet sind, was als „vergraben“ bezeichnet wird.
Bei diesen Anordnungen der Permanentmagnetmittel lässt sich nicht ein optimaler Verlauf der Magnetflüsse und auch nicht eine optimale Nutzung der vorhandenen Rotormasse für die Erzeugung hoher Drehmomente des Elektromotors erzielen, weil auf die Herstellbarkeit der Permanentmagnetmittel Rücksicht genommen werden muss.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, im Vergleich zu den bekannten Lösungen den Verlauf der Magnetflüsse durch die eisernen Flussleitmittel und die Ausnutzung der vorhandenen Rotormasse für die Erzeugung hoher Drehmomente und den Wirkungsgrad des Elektromotors zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs, weiter ausgeführt durch die darauffolgenden Ansprüche.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Permanentmagnetmittel aus einer Anordnung von magnetisierbaren Partikeln in einer Kunststoffmatrix bestehen, wobei der Rotor durch Einspritzen der Mischung von Kunststoffmatrix und Partikeln im materialabhängig ausreichend erwärmten Zustand in Aufnahmen der gestapelten Eisenbleche hergestellt ist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung werden die magnetisierbaren Partikel der Permanentmagnetmittel in dem Zustand, in dem die Mischung von magnetisierbaren Partikeln und Kunststoffmatrix in die Aufnahmen eingespritzt, aber noch nicht erkaltet oder ausgehärtet ist, durch Anlegen von ausreichend starken magnetischen Feldern einer Stärke größer als 50 mT, vorzugsweise größer als 90 mT, an den Mantelflächen der gestapelten Eisenbleche nach den magnetischen Feldern ausgerichtet sind, wobei die Magnetfelder vorzugsweise durch Permanentmagnete erzeugt werden, wenn nicht ohnehin Magnetspulen in der Vorrichtung vorhanden sind.
Weiter vorteilhafterweise werden die magnetisierbaren Partikel in den Permanentmagnetmitteln noch in der Spritzgussmaschine oder in einer zusätzlichen Vorrichtung im erkalteten oder ausgehärteten Zustand der Kunststoffmatrix durch Anlegen starker Magnetfelder mit einer von der Wahl der Permanentmagnetmittel abhängigen Stärke größer als T2 an die Mantelflächen der gestapelten Eisenbleche magnetisiert, wobei die genannten starken Magnetfelder vorzugsweise durch Magnetspulen erzeugt werden. Die Mindeststärke der genannten Magnetfelder richtet sich nach dem Material der Partikel:

- Hartferrit: > 0.5 T
- AlNiCo > 1 T
- NdFeB > 1.7 T
- SmCo > 1.9 T

Vorzugsweise liegen die Eisenbleche in zwei Formvarianten vor und bilden eine Mehrzahl von bogenförmigen Aufnahmen für die Permanentmagnetmittel.
Dabei unterscheiden sich die Formvarianten der Eisenbleche durch die bogenförmigen Aufnahmen stellenweise überbrückende Verbindungsstege, die in einer ersten Formvariante A vorhanden sind, und in einer zweiten Formvariante B fehlen. Die Verbindungsstege erleichtern den Zusammenbau der Eisenbleche zu dem Flussleitmittel, aber sie stören den Verlauf des Magnetflusses. Deshalb werden nur wenige Eisenbleche der Formvariante A verwendet.
Vorteilhafterweise bilden die bogenförmigen Aufnahmen in der Formvariante B zusammen eine geschlossene Sternform, in der die in den Aufnahmen ruhenden benachbarten Permanentmagnetmittel sich gegenseitig berühren.
Weiter vorteilhafterweise sind die bogenförmigen Aufnahmen so geformt, dass der Bogen die Mantelfläche des Rotors zweifach und jeweils rechtwinklig berührt.
Die bogenförmigen Aufnahmen sind vorzugsweise durch zwei bogenförmige Kurven begrenzt, die aus Mittelstücken und jeweils aus zwei geraden Schenkeln bestehen, wobei die Mittelstücke die Form einer Parabel oder einer Hyperbel aufweisen. Diese Form ist optimal dem Magnetfluss angepasst und dient der Optimierung des Drehmoments.
Die bogenförmigen Aufnahmen erstrecken sich vorteilhafterweise von der Mantelfläche des Rotors bis mindestens zu einem Rotorradius von 75% gesamten Rotorradius, höchstens zu einem Rotorradius von 30%, vorzugsweise zu einem Rotorradius zwischen 45% und 55% des gesamten Rotorradius. Damit wird eine gute Ausnutzung der Rotormasse erreicht.
In einer vorteilhaften Ausführung sind die Eisenbleche in ihrem Stapel jeweils um einen Winkel α zueinander um die Hauptachse des Rotors verdreht angeordnet, um das Rastmoment des Elektromotors zu vermindern. Dabei ist α bei einer Polpaarzahl von 4 größer als 5° und kleiner als 50°, vorzugsweise größer als 10° und kleiner als 30° und weiter vorzugsweise größer als 15° und kleiner als 25° ausgeführt. Eine größere Polpaarzahl bedingt einen entsprechend kleineren Winkel α, als optimaler Winkel wird ein Winkel angesehen, der 90°geteilt durch die Polpaarzahl beträgt.
Die Permanentmagnetmittel bestehen vorzugsweise aus einer Anordnung von magnetisierbaren Partikeln in einer Kunststoffmatrix bestehen.
Das Material der magnetisierbaren Partikel ist aus der folgenden Gruppe von Legierungen ausgewählt:

- Neodym-Eisen-Bor
- Samarium-Kobalt
- Aluminium-Nickel-Kobalt
- Hartferrit Barium-Eisenoxid
- Hartferrit Strontium-Eisenoxid
- Hartferrit Kobalt-Eisenoxid.

Dabei wird die Legierung Neodym-Eisen-Bor bevorzugt, wenn gleichzeitig eine hohe magnetische Flussdichte und günstige Kosten gefordert werden. Bei sehr hohen Anforderungen an die Temperaturfestigkeit wird die Legierung Samarium-Kobalt bevorzugt.
Die Hartferrit-Legierungen werden bevorzugt, wenn vorrangig niedrige Kosten gefordert werden.
Das Material der Kunststoffmatrix ist entweder ist aus dieser Gruppe thermoplastischer Werkstoffe ausgewählt:

PA6, PA12 oder PPS,
oder aus einer dieser beiden Gruppen duroplastischer Werkstoffe:
- - Kondensationsharz wie Phenolharz, Harnstoffharz oder Melaminharz,
- - Reaktionsharz wie Epoxidharz, Polyurethan oder Polyesterharz.

Dabei wird der Werkstoff PPS bevorzugt, wenn eine hohe Temperaturfestigkeit gefordert ist, und der Werkstoff PA6 wird bevorzugt, wenn die Anforderungen an die Temperaturfestigkeit geringer sind und die Kosten günstiger sein sollen. Epoxidharz als Werkstoff wird bevorzugt, wenn die Permanentmagnetmittel vorgeformt und eingefügt werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung anhand der Zeichnungen.
Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Schnittdarstellung des Elektromotors,
2 eine Ansicht der gestapelten Eisenbleche
3 eine Ansicht der durch Einspritzen in die nicht gezeigten Flussleitmittel erzeugten Permanentmagnetmittel (Formvariante B)
4 eine Ansicht eines Eisenblechs mit Stegen (Formvariante A)
5 eine Ansicht der gestapelten Eisenbleche mit verdrehter Stapelung

1 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors (1), der einen Stator (2) und einen Rotor (3) enthält, wobei der Rotor (3) Permanentmagnetmittel (4) und aus Eisenblechen (6, 7) bestehende Flussleitelemente (5) aufweist.
Wie 2 zeigt, liegen eine erste Art Eisenblech (6) in einer ersten Formvariante A und eine zweite Art Eisenblech (7) in einer zweiten Formvariante B vor, und sie bilden eine Mehrzahl von bogenförmigen Aufnahmen (8) für die Permanentmagnetmittel (4). Die Formvarianten der Eisenbleche (6, 7) unterscheiden sich durch die bogenförmigen Aufnahmen (8) stellenweise überbrückende Verbindungsstege (9), die in einer ersten Formvariante A vorhanden sind, und in einer zweiten Formvariante B fehlen.
Wie Bild 3 zeigt, bilden in der Formvariante B die bogenförmigen Aufnahmen (8) zusammen eine geschlossene Sternform, in der die in den Aufnahmen (8) ruhenden benachbarten Permanentmagnetmittel (4) sich gegenseitig berühren.
Wie Bild 4 zeigt, sind die bogenförmigen Aufnahmen (8) vorzugsweise so geformt, dass der Bogen (13) die Mantelfläche (10) des Rotors (3) zweifach und jeweils rechtwinklig berührt.
Weiter vorzugsweise sind gemäß 3 die bogenförmigen Aufnahmen (8) durch zwei gebogene Flächen (12, 13) begrenzt, die aus Mittelstücken (19, 20) und jeweils aus zwei geraden Schenkeln (17, 17', 18, 18') bestehen, wobei die Mittelstücke (19, 20) senkrecht zur Längsachse geschnitten die Form eines Kreissegments, einer Parabel oder einer Hyperbel aufweisen.
Die bogenförmigen Aufnahmen (8) erstrecken sich vorteilhafterweise von der Mantelfläche (10) des Rotors (3) bis mindestens zu einem Rotorradius von 75% des gesamten Rotorradius und höchstens zu einem Rotorradius von 30% des gesamten Rotorradius.
In einer vorteilhaften Ausführung gemäß 5 sind die Eisenbleche (6, 7) in ihrem vollständigen Stapel um einen Winkel α zueinander um die Hauptachse des Rotors (3) verdreht angeordnet, wobei α bei einer Polpaarzahl von 4 größer als 5° und kleiner als 50°, vorzugsweise größer als 10° und kleiner als 30° und weiter vorzugsweise größer als 15° und kleiner als 25° ausgeführt ist, und wobei eine größere Polpaarzahl einen entsprechend kleineren Winkel α bedingt.
Die Permanentmagnetmittel (4) bestehen, wie in 3 dargestellt, aus einer Anordnung von magnetisierbaren Partikeln (15) in einer Kunststoffmatrix (14), wobei in einer bevorzugten Ausführung der Rotor (3) durch Einspritzen der Mischung von Kunststoffmatrix (14) und Partikeln (15) im materialabhängig ausreichend erwärmten Zustand in die bogenförmigen Aufnahmen (8) der gestapelten Eisenbleche (6, 7) hergestellt ist.
Die vorhergehende Beschreibung gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Stator
3: Rotor
4: Permanentmagnetmittel
5: Flussleitelemente
6: Eisenblech
7: Eisenblech
8: Aufnahme
9: Verbindungssteg
10: Mantelfläche
12: Fläche
13: Fläche
14: Kunststoffmatrix
15: Partikel
17: Schenkel
18: Schenkel
19: Mittelstück
20: Mittelstück

Claims

Elektromotor (1) aufweisend einen Stator (2) und einen Rotor (3), wobei der Rotor (3) Permanentmagnetmittel (4) und aus Eisenblechen (6, 7) bestehende Flussleitelemente (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel (4) aus einer Anordnung von magnetisierbaren Partikeln (15) in einer Kunststoffmatrix (14) bestehen, wobei eine Mischung von Kunststoffmatrix (14) und Partikeln (15) in Aufnahmen (8) der gestapelten Eisenbleche (6, 7) eingespritzt ist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel (15) der Permanentmagnetmittel (4) in dem Zustand, in dem die Mischung von magnetisierbaren Partikeln (15) und Kunststoffmatrix (14) in die Aufnahmen (8) eingespritzt, aber noch nicht erkaltet oder ausgehärtet ist, durch Anlegen von ausreichend starken magnetischen Feldern einer Stärke größer als 50 mT, vorzugsweise größer als 90 mT, an den Mantelflächen (10) der gestapelten Eisenbleche (6, 7) nach den magnetischen Feldern ausgerichtet sind, wobei die Magnetfelder vorzugsweise durch Permanentmagnete (11) erzeugbar sind.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel (15) der Permanentmagnetmittel (4) in dem Zustand, in dem die Mischung von magnetisierbaren Partikeln (15) und Kunststoffmatrix (14) in die Aufnahmen (8) eingespritzt, aber noch nicht erkaltet oder ausgehärtet ist, durch Anlegen von ausreichend starken magnetischen Feldern einer Stärke größer als 50 mT, vorzugsweise größer als 90 mT, an den Mantelflächen (10) der gestapelten Eisenbleche (6, 7) nach den magnetischen Feldern ausgerichtet sind, und dass die magnetisierbaren Partikel (15) in den Permanentmagnetmitteln (4) im erkalteten oder ausgehärteten Zustand der Kunststoffmatrix (14) durch Anlegen starker Magnetfelder mit einer von der Wahl der Permanentmagnetmittel (4) abhängigen Stärke größer als T2 an die Mantelflächen (10) der gestapelten Eisenbleche (6, 7) magnetisiert sind, wobei die genannten starken Magnetfelder vorzugsweise durch Magnetspulen (12) erzeugbar sind.
Elektromotor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel (15) in den Permanentmagnetmitteln (4) im erkalteten oder ausgehärteten Zustand der Kunststoffmatrix (14) außerhalb der Spritzgussmaschine durch Anlegen starker Magnetfelder mit einer von der Wahl der Permanentmagnetmittel (4) abhängigen Stärke größer als T2 an die Mantelflächen (10) der gestapelten Eisenbleche (6, 7) magnetisiert sind, wobei die genannten starken Magnetfelder vorzugsweise durch Magnetspulen (12) erzeugbar sind.
Elektromotor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenbleche (6, 7) in zwei Formvarianten A und B vorliegen und dass die bogenförmigen Aufnahmen (8) in der Formvariante B der Eisenbleche (7) zusammen eine geschlossene Sternform bilden, in der die in den Aufnahmen (8) ruhenden benachbarten Permanentmagnetmittel (4) sich gegenseitig berühren.
Elektromotor (1) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bogenförmigen Aufnahmen (8) so geformt sind, dass der Bogen (13) die Mantelfläche (10) des Rotors (3) zweifach und jeweils rechtwinklig berührt.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bogenförmigen Aufnahmen (8) durch zwei gebogene Flächen (12, 13) begrenzt sind, die aus Mittelstücken (19, 20) und jeweils aus zwei geraden Schenkeln (17, 17', 18, 18') bestehen, wobei die Mittelstücke (19, 20) senkrecht zur Längsachse geschnitten die Form eines Kreissegments, einer Parabel oder einer Hyperbel aufweisen.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bogenförmigen Aufnahmen (8) sich von der Mantelfläche (10) des Rotors (3) bis mindestens zu einem Rotorradius von 75% des gesamten Rotorradius erstrecken, und höchstens zu einem Rotorradius von 30% des gesamten Rotorradius.
Elektromotor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenbleche (6, 7) in ihrem vollständigen Stapel um einen Winkel α zueinander um die Hauptachse des Rotors (3) verdreht angeordnet sind, wobei α bei einer Polpaarzahl von 4 größer als 5° und kleiner als 50°, vorzugsweise größer als 10° und kleiner als 30° und weiter vorzugsweise größer als 15° und kleiner als 25° ausgeführt ist, und wobei eine größere Polpaarzahl einen entsprechend kleineren Winkel α bedingt.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der magnetisierbaren Partikel (15) ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe von Legierungen: - Neodym-Eisen-Bor - Samarium-Kobalt - Aluminium-Nickel-Kobalt - Barium-Eisenoxid - Strontium-Eisenoxid - Kobalt-Eisenoxid.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kunststoffmatrix (14) ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe thermoplastischer Werkstoffe: PA6, PA12, PPS.
Elektromotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kunststoffmatrix (14) ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe duroplastischer Werkstoffe: - Kondensationsharz wie Phenolharz, Harnstoffharz oder Melaminharz - Reaktionsharz wie Epoxidharz, Polyurethan oder Polyesterharz.