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GEBIET DER ERFINDUNG
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Vorliegende Erfindung betrifft Elektromotoren und insbesondere einen bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotor.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In Dunstabzugshauben der üblichen Bauart werden zum Teil Wechselstrom-Reihenschlussmotoren verwendet, die Nachteile wie beispielsweise einen geringen Wirkungsgrad aufweisen. Heutzutage liegt die Leistung von marktüblichen Motoren für Dunstabzugshauben in der Regel über 300 W. In zahlreichen Haushalten sind Dunstabzüge eine notwendige Einrichtung. Nimmt man an, dass eine Dunstabzugshaube in einem Haushalt zwei Stunden pro Tag im Einsatz ist und dass der Stromverbrauch pro Monat ca. 18 Grad beträgt, gibt es durchaus noch Raum für eine weitere Senkung des Stromverbrauchs.
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ÜBERSICHT
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Im Hinblick darauf wünscht man sich einen bürstenlosen Gleichstrommotor für Dunstabzugshauben mit hohem Wirkungsgrad.
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Durch vorliegende Erfindung wird ein Elektromotorgerät vorgeschlagen, das einen Stator und einen Rotor aufweist. Der Stator hat einen Statorkern und Wicklungen, die um den Statorkern herumgeführt sind. Der Statorkern hat ein Joch und eine Mehrzahl von Zähnen, die sich von dem Joch nach außen erstrecken. Jeder der Zähne hat einen Zahnkörper und eine Zahnspitze, die sich in einer Umfangsrichtung von einem distalen Ende des Zahnkörpers erstreckt. Der Rotor hat ein Rotorjoch, das rund um den Statorkern angeordnet ist, und eine Mehrzahl von Permanentmagneten, die an einer Innenwandfläche des Rotorjochs angeordnet sind, um eine Mehrzahl von Magnetpolen zu bilden. Eine Dicke D, ein Innendurchmesser R1 und ein Außendurchmesser R2 des Jochbereichs des Statorkerns, eine Breite T jedes der Zahnkörper und ein Abstand R3 zwischen einer Außenfläche jeder der Zahnspitzen und einer zentralen Achse des Jochs des Statorkerns erfüllen zumindest eine der folgenden Bedingungen: 1,2<R2/R1<1,5; 2<R3/R2<2,3; 0,9<T/D<1,2.
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Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Motors liegt zwischen 88,7% und 89,9% und ist damit deutlich besser als der Wirkungsgrad von manchen der bestehenden bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotoren.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische isometrische Ansicht eines Elektromotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 ist eine Schnittansicht des Motors von 1;
- 3 ist eine Ansicht des Stators und des Rotors von 1 von oben, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit bestimmte Komponenten weggelassen wurden;
- 4 ist eine isometrische Ansicht des Statorkerns des Motors von 1;
- 5 ist eine isometrische Ansicht der Isolierhalterung des Motors von 1;
- 6 ist eine isometrische Ansicht des Statorkerns des Motors von 1 mit daran montierter Isolierhalterung;
- 7 zeigt den Rotor des Motors von 1 von oben.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird auf die 1 bis 3 Bezug genommen. Ein bürstenloser Dreiphasen-Gleichstrommotor 1 hat einen Stator 10 und einen Rotor 20, der rund um den Stator 10 angeordnet ist. Der Stator 10 hat einen Statorkern 11 aus einem weichmagnetischen Material mit einer magnetischen Permeabilität, eine rund um den Statorkern 11 angeordnete Isolierhalterung 13 und Wicklungen 15, die um die Isolierhalterung 13 herumgeführt sind.
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Wie in 4 gezeigt ist, auf die ebenfalls Bezug genommen wird, hat der Statorkern 11 einen zentral angeordneten ringförmigen Bereich 110, nämlich das Statorjoch, und eine Anzahl von Zähnen, die sich von dem ringförmigen Bereich 110 radial nach außen erstrecken. Zwischen je zwei einander benachbarten Zähnen ist eine Wicklungsnut gebildet. Jeder Zahn hat einen Zahnkörper 112 und eine Zahnspitze 114, die sich von einem Ende des Zahnkörpers 112 in einer Umfangsrichtung erstreckt. Eine Schlitzöffnung 115 ist zwischen je zwei einander benachbarten Zahnspitzen 114 gebildet. In der Ausführungsform ist die Breite jeder Schlitzöffnung 115 in der Umfangsrichtung einheitlich, das heißt, die Schlitzöffnung 114 ist in der Umfangsrichtung gleichmäßig angeordnet. Jeder Zahn ist symmetrisch bezüglich einer gedachten Linie, die durch die Mitte des Zahnkörpers und die Mitte des ringförmigen Bereichs 110 verläuft.
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Der ringförmige Bereich 110 ist allgemein hohlzylinderförmig. Eine Durchgangsöffnung 111 ist durch einen zentralen Bereich des ringförmigen Bereichs 110 hindurch entlang einer axialen Richtung definiert. Der Stator 10 hat ferner eine Basis 16 und einen Lagerhalter 17, der mit einem Ende der Basis 16 verbunden ist. Die Basis 16 ist allgemein zylinderförmig und hohl, hat eine Kappe an einem Ende und definiert eine Öffnung an einem gegenüberliegenden Ende. Der Lagerhalter 17 erstreckt sich von der Kappe der Basis 16 und steht mit dem Raum im Inneren der Basis in Verbindung, um den Statorkern 11 dort fest zu montieren. Insbesondere ist der Lagerhalter 17 durch die Durchgangsöffnung 111 des ringförmigen Bereichs 110 des Statorkerns 11 hindurch eingesetzt. Der Lagerhalter 17 definiert eine Wellenöffnung für die drehbare Lagerung einer Drehwelle 21 des Rotors 20.
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Jeder Zahnkörper 112 erstreckt sich radial von einer Außenwandfläche des ringförmigen Bereichs 110, und die Zahnkörper 112 sind entlang der Umfangsrichtung des ringförmigen Bereichs 110 gleichmäßig angeordnet. Bei jedem Zahnkörper 112 ist die Zahnspitze 114 an dessen radial distalem Ende gebildet. In einer Ausführungsform ist die Zahnspitze 114 bezüglich eines Radius des Motors durch eine Mitte des Zahnkörpers 112 symmetrisch. Eine Außenfläche 117 der Zahnspitze 114, d.h. eine dem ringförmigen Bereich 110 abgewandte Fläche, ist eine Bogenfläche. In einer Ausführungsform liegen die Außenflächen 117 der Zahnspitzen 114 an derselben zylindrischen Fläche, deren zentrale Achse mit einer zentralen Achse der Drehwelle 21 koinzidiert. Eine Innenfläche 118 der Zahnspitze 114, d.h. eine dem ringförmigen Bereich 110 zugewandte Fläche, ist eine allgemein ebene Fläche.
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In einer Ausführungsform erfüllen eine Dicke D, ein Innendurchmesser R1 und ein Außendurchmesser R2 des Jochbereichs 110 des Statorkerns 11, eine Breite T jedes der Zahnkörper 112 und ein Abstand R3 zwischen einer Außenfläche jeder der Zahnspitzen 114 und einer zentralen Achse des Jochs 110 des Statorkerns 11 zumindest eine der folgenden Bedingungen: 1,2<R2/R1<1,5; 2<R3/R2<2,3; 0,9<T/D<1,2. Hier ist die Dicke D des Jochbereichs 110, d.h. des ringförmigen Bereichs 110, die Differenz zwischen dem Radius R2 der Außenfläche des ringförmigen Bereichs 110 (d.h. der mit einem Ende des Zahnkörpers 112 verbundenen Fläche) und dem Radius R1 der inneren Öffnung des ringförmigen Bereichs 110. Hier ist die Dicke D des Jochbereichs 110, d.h. des ringförmigen Bereichs 110, die Differenz zwischen dem Radius R2 der Außenfläche (d.h. der mit einem Ende des Zahnkörpers 112 verbundenen Fläche) des ringförmigen Bereichs 110 und dem Radius R1 der inneren Öffnung des ringförmigen Bereichs 110. Der Zahnkörper 112 hat vier Seiten, d.h. zwei Seiten, die zueinander parallel und parallel zur zentralen Achse des Jochs 110 liegen, und zwei Seiten, die parallel zueinander und senkrecht zur zentralen Achse des Jochs 110 liegen. Die Breite T des Zahnkörpers 112 bezieht sich auf den Abstand zwischen zwei Seitenflächen des Zahnkörpers 112, die parallel zur zentralen Achse des Jochbereichs 110 liegen. In der vorliegenden Ausführungsform erfüllt der Statorkern 11 sämtliche der vorstehend genannten Bedingungen.
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Es wird auf die 5 und 6 Bezug genommen. Die Isolierhalterung 13 hat einen oberen Halterungsbereich 131 und einen unteren Halterungsbereich 133. Der obere Halterungsbereich 131 und der untere Halterungsbereich 133 decken den Statorkern 11 jeweils von seinen einander gegenüberliegenden Enden ab.
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Der obere Halterungsbereich 131 und der untere Halterungsbereich 133 sind im Wesentlichen form- und baugleich und sind einander gegenüberliegend angeordnet. Der obere Halterungsbereich 131 und der untere Halterungsbereich 133 haben jeweils einen Ringbereich 130, der rund um den ringförmigen Bereich 110 des Statorkerns 11 angeordnet ist, Hülsenbereiche 132, die rund um die Zahnkörper 112 befestigt sind, und Widerstandsbereiche 134, die den Innenflächen 118 der Zahnspitzen 114 entgegenwirken. Der Ringbereich 130 ist allgemein kreisrohrförmig und umschließt den äußeren Wandbereich des ringförmigen Bereichs 110 des Statorkerns. Ein ringförmiger Endflansch 136 erstreckt sich von einem oberen axialen Ende des Ringbereichs 130. Der Endflansch 136 bedeckt eine obere Endseite des ringförmigen Bereichs 110. Eine Seitenwand des Ringbereichs 130 bildet eine Mehrzahl von Öffnungen (nicht näher gekennzeichnet), an denen die Hülsenbereiche 132 angeordnet sind. Der Zahnkörper 112 kann durch die Öffnung hindurchtreten. Der Hülsenbereich 132 hat ebenfalls Endflächen und Seitenflächen korrespondierend zu der Endfläche und zu den Seitenflächen des Zahnkörpers 112. Der Hülsenbereich 132 bedeckt die Endflächen und die zwei Seitenflächen des Zahnkörpers 112. Wie vorliegend beschrieben, beziehen sich die Endflächen des Zahnkörpers 112 auf eine Oberfläche und eine Unterfläche des Zahnkörpers 112 in der axialen Richtung des Motors, und die Seitenflächen des Zahnkörpers 112 beziehen sich auf die beiden Flächen, die parallel zur radialen Richtung liegen. Es versteht sich, dass der Hülsenbereich 132 des oberen Halterungsbereichs 131 die Oberfläche und die beiden Seitenflächen des Zahnkörpers 112 bedeckt und dass der Hülsenbereich 132 des unteren Halterungsbereichs 133 die Unterfläche und die beiden Seitenflächen des Zahnkörpers 112 bedeckt. Der obere Halterungsbereich 131 und der untere Halterungsbereich 133 bedecken im Wesentlichen die gesamten Seitenflächen und Endflächen des Zahnkörpers 112 derart, dass der Statorkern 11 von den Wicklungen 15 isoliert wird.
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Der Widerstandsbereich 134 ist gebildet durch ein radiales distales Ende des Hülsenbereichs 132, das entlang der Umfangsrichtung gebogen ist und das der Innenfläche 118 einer entsprechenden Zahnspitze 114 entgegenwirkt.
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Ferner ist eine gebogene Platte 135, 137 an einem axialen Ende des Widerstandsbereichs 134 angeordnet. Die gebogene Platte 135, 137 bedeckt eine Endfläche des axialen Endbereichs der Zahnspitze 114 zumindest teilweise. Insbesondere ist die gebogene Platte 137 an einem oberen axialen Ende des Widerstandsbereichs 134 des oberen Halterungsbereichs 131 angeordnet, der zumindest teilweise eine obere axiale Endfläche einer entsprechenden Zahnspitze 114 bedeckt.
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Es wird auf 2 Bezug genommen. Der Rotor 20 hat eine Drehwelle 21, die durch den ringförmigen Bereich 110 hindurchgeführt ist, ein Rotorjoch 22, das mit der Drehwelle 21 fest verbunden ist, und einen Permanentmagnet 24, der an einer Innenwandfläche des Rotorjochs 22 angeordnet ist, um eine Mehrzahl von Permanentmagnetpolen 24 zu bilden. In dieser Ausführungsform hat der Permanentmagnet 24 mehrere geteilte Magnete, deren jeder einen Permanentmagnetpol 24 bildet. In einer alternativen Ausführungsform kann der Permanentmagnet zu einem einstückigen Ringmagnet geformt sein. In einer Ausführungsform ist eine Innenfläche 241 des Permanentmagnets 24 eine ebene Fläche, so dass die Fertigung des Permanentmagnets 24 vereinfacht werden kann. Es versteht sich jedoch, dass die Innenfläche des Permanentmagnets 24 auch eine Bogenfläche sein kann. In einer Ausführungsform ist der Polbogenkoeffizient des Permanentmagnets 24, d.h. ein Verhältnis des tatsächlichen Überbrückungswinkels des Permanentmagnets 24 entlang der Umfangsrichtung zu dem Quotient von 360 Grad geteilt durch die Anzahl der Rotorpole, größer als 0,75, wodurch die Rastmomentcharakteristiken und der Wirkungsgrad des Motors verbessert werden können.
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Die Drehwelle 21 ist in der Wellenöffnung des Lagerhalters 17 drehbar angeordnet. Zum Beispiel ist die Drehwelle 21 in dem Lagerhalter 17 durch ein Lager gestützt. Das Rotorjoch 22 ist allgemein tonnenförmig und bedeckt den Statorkern 11. Das Rotorjoch 22 hat eine Endplatte 221, die mit der Drehwelle 21 fest verbunden ist, und eine ringförmige Seitenwand 222, die sich von der Endplatte 221 erstreckt. In der Endplatte 221 sind mehrere Fenster gebildet, durch welche Außenluft einströmen und das Innere des Motors kühlen kann. Während des Betriebs des Motors drehen sich das Joch 22 und der Permanentmagnet 24 bezüglich des Stators unter Zusammenwirken zwischen den Magnetfeldern des Permanentmagnets 24 und dem Stator.
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In einigen Ausführungsformen kann die Anzahl der Permanentmagnetpole 24 die gleiche sein wie die Anzahl der Zähne oder ein ganzes Vielfaches der Anzahl der Zähne. Zum Beispiel beträgt die Anzahl der Zähne das Zwei- oder Dreifache der Anzahl der Permanentmagnetpole. In dieser Ausführungsform hat der Rotor 20 sechzehn Permanentmagnete, die jeweils acht Permanentmagnetpole bilden. Der Stator 10 hat zwölf Statorzähne, und zwischen einander benachbarten Zähnen sind insgesamt zwölf Wicklungsschlitze gebildet, wodurch ein 8-poliger Motor mit 12 Schlitzen gebildet wird.
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Die Innenflächen 241 der Permanentmagnetpole 24 sind den Außenflächen 117 der Zahnspitzen 114 zugewandt, wobei dazwischen ein Spalt 119 gebildet wird. Eine radiale Breite des Spalts 119 variiert entlang einer Umfangsrichtung des Permanentmagnetpols 24, wodurch ein unregelmäßiger Spalt entsteht. Die radiale Breite des Spalts 119 nimmt von einer umfangsseitigen Mitte in Richtung auf gegenüberliegende Umfangsenden einer Innenfläche 117 des Permanentmagnetpols 24 allmählich zu. In einer Ausführungsform ist der einem jeweiligen Magnetpol 24 entsprechende Spalt bezüglich der Umfangsmittellinie des Magnetpols 24 symmetrisch, so dass ein symmetrischer ungleichmäßiger Spalt derart gebildet wird, dass der Rotor in zwei Richtungen gestartet werden kann. In einer Ausführungsform ist die Außenfläche 117 jeder der Zahnspitzen 114 mit einer oder mehreren Nuten 1171 versehen, die von einem mittleren Bereich der Außenfläche 117 entfernt sind. Vorzugsweise ist die Außenfläche 117 jeder der Zahnspitzen 114 mit zwei Nuten 1171 versehen, die bezüglich eines einer jeweiligen Zahnspitze 114 entsprechenden Zahnkörpers 112 symmetrisch sind.
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Es wird auf 7 Bezug genommen. In einer Ausführungsform liegt ein Winkel θ zwischen Linien, die einander gegenüberliegende Enden jedes der Permanentmagnete 24 mit der Mitte des Rotorjochbereichs 22 verbinden, auf einem beliebigen Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse des Rotorjochs 22 in dem Bereich von 40 bis 43 Grad.
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Tests haben gezeigt, dass der Wirkungsgrad des Motors gemäß vorliegender Erfindung zwischen 88,7% und 89,9% liegt. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber manchen der bestehenden bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotoren dar und ermöglicht, dass der Motor die EU-Energieeffizienzklasse A++ erreicht.
