DE102019113469A1

DE102019113469A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für einen Elektromotor mit verbesserten Körperschalleigenschaften sowie Bauteile für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE102019113469A1
Application number: DE102019113469.2A
Authority: DE
Inventors: Joerg Merwerth; Zakaria El Khawly
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2020-11-26
Also published as: WO2020233908A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für einen Elektromotor mit den Schritten: Bereitstellen eines Bauteils in einem Elektromotor; Identifizieren eines Anteils eines Kraftparameters in dem Elektromotor, der auf dem Bauteil basiert; Modifizieren des Bauteils, so dass der Anteil des Kraftparameters verringert wird.

Description

Die bei einer Motorbewegung entstehenden Kräfte können zur Anregung verschiedener Teile der Motorstruktur führen und einem damit verbundenen mehr oder weniger angenehmen Geräusch. Dies kann durch Experimente oder eine Motorschallsimulation analysiert werden.
Dieselmotoren erzeugen beispielsweise das für sie typische „Nageln“. Diese Geräuschcharakteristik kann mit einer Frequenzanalyse analysiert werden. Dazu wird beispielsweise in der EP 1462778 A1 vorgeschlagen, ein Zeitsignal eines gemessenen Motorgeräusches in kurzen überlappenden Fenstern einer Kurzzeitfrequenzanalyse zu unterziehen und darauf basierend eine Geräuschanalyse vorzunehmen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Motorschallcharakteristik eines Elektromotors zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Gegenstände der abhängigen Ansprüche schützen entsprechende Weiterbildungen.
Zur Motorschallcharakteristik tragen insbesondere die magnetischen Kräfte im Luftspalt zwischen Rotor und Stator bei, welche die gesamte Antriebsstruktur anregen können. Hohe Kräfte führen zu einem hohen Schallpegel. Auf Basis dieser magnetischen Kräfte kann man mit einer Körperschall-Simulation Motorordnungen bestimmen, die auffällig zum Körperschall der Antriebsstruktur beitragen. Außerdem kann man einen, abhängig einer Motordrehzahl, simulierten oder gemessenen Schallpegel einer bestimmten Motorordnung gegen einen vorgegebenen Maximalpegel vergleichen und somit feststellen, bei welcher Drehzahl die analysierte Motorordnung sich über den maximal zulässigen Schallpegel bewegt.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen betrifft die Erfindung die durch eine Motorschallanalyse gestützte Modifikation von Motorbauteilen, welche sich in der Nähe des Luftspalts befinden, insbesondere von Rotoren und/oder Statoren.
Nach einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für einen Elektromotor mit den Schritten:

- Bereitstellen eines Bauteils in einem Elektromotor;
- Identifizieren eines Anteils eines Kraftparameters in dem Elektromotor, der auf dem Bauteil basiert;
- Modifizieren des Bauteils, so dass der Anteil des Kraftparameters verringert wird.

Ein Elektromotor im Sinn der Erfindung kann ein Synchronmotor, insbesondere eine stromerregte Synchronmaschine, oder ein Asynchronmotor sein. Alternativ kann der Elektromotor ein selbstkommutierender Motor sein, insbesondere ein elektrisch oder mechanisch selbstkommutierender Motor. Ein Elektromotor im Sinn der Erfindung kann ein Wechselstrommotor oder ein Gleichstrommotor sein. Ein Elektromotor im Sinn der Erfindung kann auch ein Modell eines Elektromotors sein, insbesondere ein Modell für eine dynamische Simulation und/oder eine Körperschallsimulation.
Ein Bauteil im Sinn der Erfindung kann ein Rotor oder ein Stator sein. Alternativ kann ein Bauteil ein System aus Rotor und Stator sein. Ein Bauteil im Sinn der Erfindung kann auch ein Zahn eines Rotors ein und/oder ein Pol, insbesondere ein Polschuh, sein. Zusätzlich oder alternativ kann ein Bauteil ein Deckschieber sein. Ein Deckschieber ist ein Element, welches zwischen zwei benachbarten Polen angeordnet ist und insbesondere in einer Nut angeordnet ist, die sich an einem Pol bzw. an einem Polschuh befindet. Zusätzlich oder alternativ kann ein Bauteil auch einen Magneten und/oder einer Wicklung betreffen. Ein Bauteil im Sinn der Erfindung kann auch ein Modell eines Bauteils sein, insbesondere ein Modell für eine dynamische Simulation und/oder eine Körperschallsimulation.
Ein Kraftparameter im Sinn der Erfindung kann eine Kraft umfassen, eine Amplitude einer Frequenz, ein Schalldruck, ein Schallpegel und/oder ein Strom. Zusätzlich oder alternativ kann ein Kraftparameter eine Funktion eines oder mehrerer der zuvor genannten Größen sein. Tabelle 1 gibt weitere Beispiele für Kraftparameter.
Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren, wobei das Bauteil einen Rotor, einen Stator, eine Wicklung und/oder einen Deckschieber betrifft.
Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren, wobei das Identifizieren eine Aufnahme eines Kraftparameters an einer Mehrzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten umfasst.

Ein Betriebspunkt kann insbesondere eine Drehzahl des Elektromotors umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann ein Betriebspunkt einen oder mehrere Ströme im Elektromotor umfassen. Beispielsweise kann ein solcher Strom ein Spulenstrom I_U, l_V, I_W sein. Zusätzlich oder alternativ kann ein solcher Strom ein transformierter Strom I_d oder I_q sein. Zusätzlich oder alternativ kann ein Betriebspunkt als Strom einen maximal zulässigen Strom umfassen. Insbesondere kann ein Betriebspunkt den Grad einer Feldschwächung umfassen, mit der der Elektromotor betrieben wird. Insbesondere bilden die Betriebspunkte einen Bereich eines betriebenen Motors ab, in dem die Betriebspunkte sich ändern bzw. im Vergleich zu anderen Bereichen eine starke Änderung erfahren. Insbesondere können die Betriebspunkte äquidistant verteilt sein. Ein Beispiel für Betriebspunkte und eine Verteilung der Betriebspunkte ist in Tabelle 1 gegeben. Dabei betrifft der Paramter Gamma den Stromwinkel und Id sowie Iq die nach der Park-Transformation transformierten Spulenströme. Der Parameter n beschreibt die Motordrehzahl. Der Strom IF gibt einem Maximalstrom an, der im Motor fließen darf. Die Parameter stellen nur Beispiele dar und sind unterschiedlich für verschiedene Motoren. Tabelle 1

n [1/min]	Gamma [°]	Id [A]	Iq [A]	IF [A]
0	20,9	-232	607,8	25
1.000	20,9	-232	607,8	25
2.000	20,9	-232	607,8	25
3.000	20,9	-232	607,8	25
4.000	20,9	-232	607,8	25
5.000	20,9	-232	607,8	25
6.000	20,9	-232	607,8	25
7.000	30,4	-329,4	561	25
8.000	43	-443,7	475,7	25
9.000	50,5	-502, 1	413,6	24,5
10.000	55	-533,1	372,8	23,7
11.000	58,5	-554,6	340	23,2
12.000	61,4	-571,1	311,6	22,9
13.000	63,8	-583,8	287	22,7
14.000	65,9	-593,8	265,7	22,5
15.000	67,6	-601,6	247,4	22,4
16.000	69,1	-607,9	231,6	22,3
17.000	70,5	-613,1	217,5	22,2

Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren, wobei das Identifizieren eine Simulation und/oder eine, insbesondere modellbasierte, Messung umfasst.
Eine Simulation kann dabei insbesondere eine dynamische Simulation und/oder eine Körperschallsimulation des Elektromotors umfassen. Insbesondere kann eine Simulation auf einen Teil eines Motors gerichtet sein, in dem das Bauteil zusammen mit dem Elektromotor wirkt.
Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren, wobei das Identifizieren eine Frequenzanalyse umfasst und/oder eine oder mehrere Motorordnung auf Basis des Bauteils identifiziert werden.
Eine Frequenzanalyse kann dabei auch eine Wavelet-Transformation umfassen oder eine verallgemeinerte Frequenzanalyse, z.B. eine Laplace-Transformation.
Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren, wobei der Kraftparameter auf Basis einer vorgegebenen Frequenz und/oder einer vorgegebene Motorordnung, insbesondere auf Basis einer Motordrehzahl, bestimmt wird.
Eine Motorordnung kann beispielsweise eine Oberwelle der Grunddrehung des Motors sein, also eine Oberwelle einer Rotordrehung oder ein Vielfaches davon. Ein Kraftparameter, insbesondere ein Schallpegel, kann auf Basis einer Motorordnung und abhängig einer Zeit, insbesondere in einer Parameterdarstellung, analysiert werden. Dadurch lässt sich insbesondere der von der Motorordnung verursachte Beitrag zu dem entsprechenden Kraftparameter analysieren. Eine Analyse abhängig von verschiedenen Drehzahlen des Motors kann dabei ergeben, bei welchen Motordrehzahlen eine bestimmte Motorordnung einen bestimmten Schallpegel verursacht.
Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren, wobei der Kraftparameter mit einem vorgegebenen Zielwert verglichen wird.
Nach einer Ausführungsform kann insbesondere ein zeitabhängiger Zielwert mit einem zeitabhängigen Schallpegel verglichen werden, wobei der Schallpegel der Beitrag einer vorgegebenen Motorordnung ist.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können eine oder eine Mehrzahl von Motorordnungen ausgewählt werden und deren Verhalten, insbesondere der von der oder den entsprechenden Motorordnungen verursachter Schallpegel und/oder eine Kraft im Luftspalt, über verschiedene Betriebspunkte, insbesondere abhängig verschiedener Motordrehzahlen, analysiert werden. Bei einem Vergleich mit dem Zielwert, der abhängig der analysierten Betriebspunkte auch unterschiedlich hoch sein kann, können Drehzahlen identifiziert werden, welche für die betrachtete Motorordnung zu einem ungewünscht hohen Schallpegel führen. Diese Information stellt die Basis für die spätere Modifikation des Bauteils dar, um den von der analysierten Motorordnung verursachten Schallpegel zu verringern.
Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren, wobei das Modifizieren eine geometrische Gestaltung des Bauteils umfasst.
Geometrische Gestaltungen betreffen die Form des Motorbauteils. Insbesondere kann eine geometrische Änderung die Form eines Stators betreffen. Insbesondere kann eine geometrische Änderung auch die Form eines Rotors betreffen. Zusätzlich oder alternativ kann die geometrische Form auch die Form eines Deckschiebers betreffen, der zwischen zwei Polen angeordnet ist. Insbesondere kann eine geometrische Änderung alle oder zumindest zwei der zuvor genannten Bauteiltypen betreffen. Nach einer Ausführungsform kann das Modifizieren eine Materialänderung, insbesondere eine abschnittsweise Materialänderung, betreffen. Eine solche Materialänderung kann insbesondere ein Material betreffen, welches einen größeren magnetischen Widerstand aufweist als ein Material des ursprünglichen Bauteils.
Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren wobei das Modifizieren ein Elektroblech, insbesondere ein Elektroblechpaket, betrifft.
Zusätzlich oder alternativ kann das Modifizieren auch das Einfügen eines magnetischen Widerstandes in den Bereich des magnetischen Flusses betreffen, insbesondere kann dies ein Einfügen eines Luftspaltes, z.B. in einen Rotor und/oder Stator, betreffen und/oder die Vergrößerung des Motorluftspaltes.
Eine solche Modifikation kann insbesondere ein Elektroblech für einen Stator betreffen und/oder ein Elektroblech für einen Rotor. Insbesondere kann das Modifizieren Ausnehmungen im Elektroblech umfassen, welche insbesondere kreisförmig, dreiecksförmig oder rechteckförmig sind.
Nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren mit dem Schritt:

- Herstellen eines weiteren Bauteils auf Basis des modifizierten Bauteils, wobei das weitere Bauteil insbesondere für die Massenfertigung gestaltet ist.

Nach einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Bauteil für einen Elektromotor, welches ein Elektroblech, insbesondere eine Elektroblechpaket, umfasst, wobei das Elektroblech Ausnehmungen innerhalb des Bauteils aufweist, insbesondere kreisförmige, dreiecksförmige oder rechteckförmige.
Durch Ausnehmungen im Elektroblech wird der magnetische Widerstand des Bauteils entsprechend erhöht. Dadurch verringert sich der Kraftparameter für diesen Bereich. Entsprechend wird auch ein Schallpegelbeitrag für diesen Bereich verändert und insbesondere verringert. Das Elektroblech kann dabei insbesondere ein Elektroblechpaket sein. Es kann ein Elektroblechpaket sein, welches aus verschiedenen Elektroblechen zusammengestellt ist. Die Ausnehmungen können sowohl vor dem Zusammenfügen der Elektrobleche zu einem Blechpaket erfolgt sein als auch durch Hinzufügen der Ausnehmungen in dem zusammengefügten Elektroblechpaket. Die Ausnehmungen können insbesondere durch ein mechanisches Verfahren erfolgt sein. Ein solches Verfahren kann zum Beispiel ein spannendes Verfahren, zum Beispiel Stanzen sein. Zusätzlich oder alternativ kann ein solches Verfahren auch ein Verfahren betreffen, mit dem mit einem Laserstrahl Ausnehmungen in das Bauteil geformt werden. Ebenso können die Ausnehmungen durch ein chemisches Verfahren, zum Beispiel Ätzen, erfolgt sein. Das Bauteil kann insbesondere das modifizierte Bauteil sein oder ein Bauteil, welches auf Basis des modifizierten Bauteils gestaltet wurde, insbesondere ein für eine Massenfertigung gestaltetes Bauteil.
Nach einer Ausführungsform des zweiten Aspekts betrifft die Erfindung ein Bauteil, wobei die Ausnehmungen Löcher darstellen oder oberflächliche Ausnehmungen sind.
Oberflächliche Ausnehmungen umfassen alle Ausnehmungen innerhalb eines Bauteils, die nicht zu einem Loch führen.
Dadurch kann die Luftspaltgröße gegenüber des unmodifizierten Bauteils gleichbleiben. Der magnetische Fluss wird dann nicht im Luftspalt direkt geschwächt, sondern bereits innerhalb des entsprechenden Bauteils. Löcher können beispielsweise durch Stanzen der Elektroblechpakete erzeugt werden. Oberflächliche Ausnehmungen können durch Pressen oder einem spanenden Materialabtragungsverfahren erreicht werden.
Nach einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung einen Stator für einen Elektromotor mit mehreren Zähnen, wobei die im Betrieb zum Rotor gerichtete Oberfläche einer oder mehrere der Zähne eine Krümmung aufweist, die größer ist als die Krümmung des kleinsten Kreises, der den Stator berührt und der als Mittelpunkt den Rotordrehpunkt des Elektromotors aufweist.
Als Maß für die Krümmung eines Kreises wird das Verhältnis von Mittelpunktswinkel Δφ und Länge eines Kreisbogens Δs definiert: Δφ/Δs. Als kleinster Kreis im Sinn der Erfindung wird der Kreis definiert, welcher den geringsten Radius aufweist. Ein Beispiel ist in 5b gezeigt. Es zeigt einen unmodifizierten Zahn eines Stators und einen modifizierten Zahn des Stators. Der modifizierte Zahn umfasst eine Materialausnehmung an der Seite, die im Betrieb des Motors zum Luftspalt zeigt, dadurch vergrößert sich der magnetische Widerstand in dem ausgenommenen Bereich und der Kraftparameter verringert sich an dieser Stelle. Der von dieser Stelle verursachte Beitrag zum Schallpegel wird damit geringer ausfallen.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.

1 und 2 - zeigen jeweils ein Diagramm bei welchen ein Beschleunigungspegel einer Motorordnung über einer Frequenz aufgetragen ist.
3 - zeigt ein Rotor mit zwei Polen, welche mit einem Deckschieber beabstandet sind.
4 - zeigt einen Polschuh eines Rotors für einen Elektromotor nach einer Ausführungsform der Erfindung.
5a - zeigt einen Zahn eines Stators für einen Elektromotor nach einer Ausführungsform der Erfindung.
5b - zeigt eine Vergrößerung der zum Luftspalt hingewendeten Seite des Statorzahns aus 5a.
6 - zeigt einen Polschuh eines Rotors und einen Zahn eines Stators eines Elektromotors nach einer Ausführungsform der Erfindung.
7 - zeigt einen Polschuh eines Rotors und einen Zahn eines Stators eines Elektromotors nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Im Folgenden beziehen sich identische Bezugszeichen auf identische oder zumindest funktional äquivalente Merkmale.
In der folgenden Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Aspekte gezeigt sind, in denen die vorliegende Erfindung verstanden werden kann. Es versteht sich, dass andere Aspekte verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen möglich sind, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht einschränkend zu verstehen, da der Umfang der vorliegenden Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
Eine Offenbarung über ein beschriebenes Verfahren gilt auch für eine entsprechende Vorrichtung oder ein entsprechendes Gerätesystem, um das Verfahren durchzuführen und umgekehrt. Wenn beispielsweise ein spezieller Verfahrensschritt beschrieben wird, kann eine entsprechende Vorrichtung eine Einheit umfassen, um den beschriebenen Verfahrensschritt durchzuführen, auch wenn die Einheit in der Figur nicht explizit beschrieben oder dargestellt ist. Wenn andererseits beispielsweise eine spezielle Vorrichtung auf der Grundlage von Funktionseinheiten beschrieben wird, kann ein entsprechendes Verfahren einen Schritt umfassen, der die beschriebene Funktionalität ausführt, auch wenn solche Schritte in den Figuren nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Weiterhin versteht es sich, dass Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen beispielhaften Aspekte miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
1 zeigt ein Diagramm, in dem der Verlauf eines Beschleunigungspegels der 36. Motorordnung eines Motors über eine Drehfrequenz aufgetragen ist. Dabei ist der Beschleunigungspegel in Dezibel angegeben. Er entspricht einer Ausprägung eines Kraftparameters, welcher zur Beschreibung der Körperschalleigenschaften des Elektromotors geeignet ist. Die dargestellte Frequenz auf der x-Achse ist in Hertz angegeben und entspricht dem 36-fachen der Motordrehzahl. Beispielsweise entspricht die Motordrehzahl bei 1000 Hz einer Drehzahl des Motors von 1000Hz / 36 * 60s/min = 1666,67 Umdrehungen pro Minute. Deutlich zu erkennen ist, wie der Verlauf des Beschleunigungspegels abhängig von der Motordrehzahl bzw. der Frequenz schwankt. Der Beschleunigungspegel ist ein Maß für die Schallcharakteristik der Anordnung. Das Diagramm gibt Auskunft darüber, bei welchen Drehzahlen die Motoranordnung besonders laut ist. Insbesondere bei dem gekennzeichneten Punkt 1 ist eine hohe Schallbelastung vorhanden. Die Schallbelastung kann insbesondere daraus resultieren, dass die entsprechende Frequenz eine Resonanzfrequenz eines bestimmten Teils der Motoranordnung anregt. Das mit der Resonanzfrequenz angeregte Teil der Motoranordnung erzeugt einen hohen Schallpegel. Die Punkte 1 und 2 in 1 sowie der Punkt 3 in 2 repräsentieren den Schallpegel unterschiedlicher Teile der Motoranordnung, welche alle samt zur Körperschallcharakteristik der Motoranordnung beitragen. Die Diagramme der 1 und 2 betreffen den gleichen Motor, doch beschreiben jeweils eine unterschiedliche Position des Beschleunigungssensors.
In beiden Figuren ist gestrichelt auch ein Zielbeschleunigungspegel eingezeichnet, der nicht überschritten werden soll. Damit geben die Diagramme Auskunft darüber in welchen Drehzahlbereichen der Beitrag der 36. Motorordnung zur Körperschallcharakteristik modifiziert werden muss. Die Zielvorgabe kann sowohl eine Zielvorgabe für den gesamten Beschleunigung der Motoranordnung darstellen. Alternativ kann eine Zielvorgabe allein die betrachtete 36. Motorordnung betreffen. Der bei dieser Analyse verwendete Elektromotor wies einen Rotor mit 18 Polpaaren auf. Deswegen ist die 36. Motorordnung auf den Rotor bzw. dessen Pole zurückzuführen. Die dargestellte Analyse stellt eine Implementierungsform dar, wie ein Kraftparameter, der auf einem bestimmten Bauteil basiert, identifiziert werden kann.
3 zeigt schematisch zwei nebeneinanderliegende Pole eines Rotors für einen Elektromotor, die durch eine Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung modifiziert wurden. Der Rotor 300 umfasst mehrere Polpaare, welche nicht alle in der vorliegenden Abbildung dargestellt sind. Die Pole weisen jeweils einen Polschuh 301 auf. Außerdem befindet sich um jeden Pol eine Wicklung 304. Zwischen den Polen ist ein Deckschieber 302 angeordnet. Der Deckschieber 302 verhindert, dass sich die Wicklungen bei einer großen Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors verschieben. Der Deckschieber ist insbesondere aus Isolationsmaterial gefertigt. Der Deckschieber 302 wird in Nuten 303 geschoben, die sich jeweils an einer Spitze eines Polschuhs befinden. Es gibt somit immer genauso viele Deckschieber wie Pole bzw. Polschuhe in einem Rotor. Gemäß dem Beispiel aus 1 und 2 gibt es für einen Rotor der 36 Pole aufweist 36 Wicklungen und 36 Deckschieber. Somit tragen auch Wicklungen und Deckschieber zur Schallcharakteristik der Motoranordnung bei und sind in der 36. Motorordnung beobachtbar. Um den Schallpegel bzw. den Beschleunigungspegel, der durch die 36. Motorordnung verursacht wird, zu verringern, können verschiedene Bauteile des Rotors 300 modifiziert werden: die Pole, die Polschuhe 301, die Wicklungen 304, und/oder die Deckschieber 302.
4 zeigt ein Bauteil für einen Elektromotor, welches mit einem Verfahren nach einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt worden ist. Dabei wurde das Bauteil in einem Elektromotor bereitgestellt und ein Kraftparameter identifiziert, der auf Basis des Bauteils zur Geräuschcharakteristik des Elektromotors beiträgt. Nach der Identifikation wurde das Bauteil entsprechend modifiziert, um zu einer besseren Geräuschcharakteristik des Elektromotors beitragen zu können. Das Bauteil 400 stellt einen Ausschnitt eines Poles eines Rotors für ein Elektromotor dar. Der Pol umfasst einen Polschuh 401, über welchen über einen Luftspalt im Betrieb des Elektromotors ein magnetischer Kreis geschlossen wird. Der Pol 400 mit dem die Identifikation durchgeführt wurde ist im Bild durch die geschlossene Linienführung dargestellt. Nach Auswertung der durch die Identifikation erhaltenen Ergebnisse, zum Beispiel im Rahmen einer Drehzahlanalyse, wie in 1 und 2 dargestellt, kommt eine Modifikation in Betracht, die durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Wie im Vergleich zum Polschuh in 3 zu erkennen ist, weist der Polschuh 301 eine Nut auf, die zur Aufnahme eines Deckschiebers 302 vorgesehen ist. Während der Identifikation des Polschuhbeitrages zum Kraftparameter bzw. zum Geräuschpegel des Motors, wurde festgestellt, dass eine Möglichkeit den Beitrag zum Kraftparameter bzw. zum Geräuschpegel zu senken darin besteht, die Nut so zu verändern, dass diese weiter entlang des Luftspaltkreises geführt wird und somit der Polbedeckungswinkel in diesem Fall über 51° steigt. Die modifizierte Version des Polschuhs ist durch die gestrichelte Linie 402 dargestellt. Der durch die gestrichelte Linie dargestellte modifizierte Pol 402 kann zum einen der Pol sein, welcher direkt aus dem Modifikationsschritt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hervorgeht. Zusätzlich oder alternativ kann der Pol 402 ein Pol bzw. ein Rotor mit einem Pol sein, der auf Basis des Pols hergestellt wird, welcher als direktes Ergebnis aus dem Modifikationsschritt, als Musterpol bzw. Musterrotor, folgt. Dieser Pol kann insbesondere noch für eine Massenfertigung optimiert werden, so dass der dargestellte modifizierte Pol 402 auch ein bereits ein für die Massenfertigung optimierter modifizierter Pol ist. Entsprechend der Veränderungen am Polschuh bzw. am Motor, müssen ebenfalls Modifikationen am Deckschieber vorgenommen werden, sodass dieser in die Nut des modifizierten Polschuhes passt. Auch ein modifizierter Deckschieber kann also ein Produkt eines Verfahrens nach einer Ausführungsform der Erfindung sein. In Tabelle 2 sind die Drehmomente verschiedener Motorordnungen eines unmodifizierten CAD-Modells eines Bauteils CAD und eines CAD-Modells mit modifiziertem Rotor CAD"R" abhängig verschiedener Motorordnungen und Drehzahlen dargestellt. Insbesondere für die 36. Motorordnung lässt sich die Verringerung des Drehmomentbeitrags des modifizierten Rotors bei verschiedenen Drehzahlen erkennen, die zu einem verringertem Körpergeräusch während des Betriebs des Elektromotors führen.
5a zeigt einen Zahn 500 eines Stators 501 (nur ausschnittsweise dargestellt) für einen Elektromotor nach einer Ausführungsform der Erfindung. Der Zahn ist aus typischem Elektroblech geformt. Der Zahn 500 weist eine schuhförmige Spitze 502 auf, die im Betrieb des Elektromotors zum Luftspalt zeigt. Durch die schuhförmige Spitze 502 schließt sich der magnetische Kreis über den Rotor im Betrieb des Elektromotors. Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird zunächst ein Verfahren angewendet, bei dem ein Modell des Stators 501 mit dem Zahn 500 in einem Motormodell analysiert wird. Dabei wird in der Simulation ein Kraftparameter so verarbeitet, dass ein Beitrag des Kraftparameters, welcher dem Statorzahn 500 zugerechnet werden kann, identifiziert wird. Aus der Identifikation innerhalb der Simulation ergibt sich Information, wie der Statorzahn 500 zu modifizieren ist, insbesondere dessen schuhartige Spitze 502, um den identifizierten Beitrag des ursprünglichen Statorzahns zu besagtem Kraftparameter zu verringern. Im Ergebnis ergibt sich eine Modifikation des Statorzahns 500 an dessen dem luftspaltzugewandter Spitze 502 im Rahmen der gestrichelten Linien. Der Bereich des Statorzahns 500 zwischen gestrichelter Linie und durchgezogener Linie wurde entfernt.
Die durchgezogene Linie stellt die unmodifizierte Version des Statorzahns dar. Durch die Ausnehmung an der Statorzahnspitze wird in den magnetischen Kreis ein zusätzlicher Widerstand eingefügt, an dem magnetische Leistung dissipiert wird und der somit zu einer Verringerung des Kraftparameters, bzw. des dem Zahn 500 zuzurechnenden Beitrags des Kraftparameters, führt. Die gleichzeitig damit eingeführte Verringerung der Effizienz des Motors wird gegenüber der Verringerung des Kraftparameters bzw. der damit in Verbindung stehenden verbesserten Geräuschcharakteristik des Motors, in Kauf genommen. Die Ausnehmung, an der dem Luftspalts zugewandten Seite des Statorzahns 500 weist dabei insbesondere eine Krümmung auf, die größer ist als die Krümmung des kleinsten Kreises, der den Stator berührt und der als Mittelpunkt den Rotordrehpunkt des Elektromotors aufweist. Die Krümmung der Ausnehmung muss dabei nicht kreisförmig sein. Die Krümmungen des modifizierten und des unmodifizierten Statorzahns sind 5b vergrößert und überhöht dargestellt. Die dem Luftspalt zugewandten Seite des unmodifizierten Statorzahns ist durch die durchgezogene Linie 503 dargestellt. Die dem Luftspalt zugewandte Seite des modifizierten Statorzahns ist durch die gestrichelte Linie 504 dargestellt. Diese Seite besitzt nach der Modifikation eine größere Krümmung 504 als die Krümmung 503 der entsprechenden Seite des unmodifizierten Statorzahns. In Tabelle 3 sind die Drehmomente verschiedener Motorordnungen eines unmodifizierten CAD-Modells eines Bauteils CAD und eines CAD-Modells mit modifiziertem Stator CAD"S" abhängig verschiedener Motorordnungen und Drehzahlen dargestellt. Insbesondere für die 36. Motorordnung lässt sich die Verringerung des Drehmomentbeitrags des modifizierten Stators bei verschiedenen Drehzahlen erkennen, die zu einem verringertem Körpergeräusch während des Betriebs des Elektromotors führen.
6 zeigt die in den 4 und 5 gezeigten Prinzipien in einer kombinierten Ausführungsform, sodass in einem Elektromotor ein Stator mit einem modifizierten Zahn 601 an der dem Luftspalt zugewandten Seite zum Einsatz kommt sowie ein Rotor mit einem modifizierten Pol bzw. Polschuh 602 der eine modifizierte Nut für einen (nicht dargestellten) modifizierten Deckschieber aufweist. Die unmodifizierten Bauteile sind durch durchgezogene Linien dargestellt. Die modifizierten Bauteilabschnitte sind durch die gestrichelten Linien dargestellt. Die Modifikationen resultieren in den Materialausnehmungen 603 und 604, die teilweise zu einem vergrößerten Luftspalt und teilweise zu einem verringerten Luftspalt führen. Durch eine kombinierte Modifikation mehrerer Bauteile für einen Elektromotor können die Modifikationen so abgestimmt werden, dass eine maximale Geräuschminderung unter einer gegebenen Effizienzverringerung des Motors erhalten wird oder eine vorgegebene Geräuschminderung erreicht wird, unter Berücksichtigung einer minimalen Effizienzverringerung. In Tabelle 4 sind die Drehmomente verschiedener Motorordnungen eines unmodifizierten CAD-Modells eines Rotors und eines Stators CAD und eines CAD-Modells mit modifiziertem Stator CAD"RS" abhängig verschiedener Motorordnungen und Drehzahlen dargestellt. Insbesondere für die 36. Motorordnung lässt sich die Verringerung des Drehmomentbeitrags des gemeinsam modifizierten Systems aus Rotor und Stator bei verschiedenen Drehzahlen erkennen, die zu einem verringertem Körpergeräusch während des Betriebs des Elektromotors führen.
7 zeigt einen Zahn 701 eines Stators und einen Abschnitt eines Polschuhs 702 nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Dabei wurden Modifikationen nicht am Rand der jeweiligen Bauteile durchgeführt, sondern innerhalb der jeweiligen Bauteile wurden Ausnehmungen geformt, die rechteckig 703 oder dreiecksförmig 704 sind. Die Ausnehmungen können insbesondere Löcher darstellen, die beispielsweise durch Stanzen der entsprechenden Blechpakete geformt werden. Zusätzlich oder alternativ können die Ausnehmungen 703, 704 nur oberflächliche Materialausnehmungen darstellen, bei denen lediglich Material abgetragen wurde ohne ein Loch zu formen. Die Formen der Ausnehmungen stellen nur Beispiele dar.
Bezugszeichenliste

300 -: Rotor
301 -: Polschuh
302 -: Deckschieber
303 -: Nut für Deckschieber
400 -: Rotor (Ausschnitt)
401 -: unmodifizierter Polschuh (Ausschnitt)
402 -: modifizierter Bereich des Polschuhs
500 -: Stator (Ausschnitt)
501 -: Statorzahn
502 -: modifizierter Bereich des Statorzahns
503 -: unmodifizierter Bereich des Statorzahns
504 -: modifizierter Bereich des Statorzahns
601 -: Statorzahn
602 -: Polschuh (Ausschnitt)
603 -: modifizierter Bereich des Polschuhs
604 -: modifizierter Bereich des Statorzahns
701 -: Statorzahn
702 -: Polschuh (Ausschnitt)
703 -: modifizierter Bereich des Polschuhs
704 -: modifizierte Bereiche des Statorzahns

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1462778 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (300, 400, 500, 601, 602, 701, 702) für einen Elektromotor mit den Schritten: - Bereitstellen eines Bauteils (300, 400, 500, 601, 602, 701, 702) in einem Elektromotor; - Identifizieren eines Anteils eines Kraftparameters in dem Elektromotor, der auf dem Bauteil basiert; - Modifizieren des Bauteils, so dass der Anteil des Kraftparameters verringert wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Bauteil einen Rotor, einen Stator, eine Wicklung und/oder einen Deckschieber betrifft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Identifizieren eine Aufnahme eines Kraftparameters an einer Mehrzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Identifizieren eine Simulation und/oder eine, insbesondere modellbasierte, Messung umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Identifizieren eine Frequenzanalyse umfasst und/oder eine oder mehrere Motorordnung auf Basis des Bauteils identifiziert werden.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Kraftparameter auf Basis einer vorgegebenen Frequenz und/oder einer vorgegebene Motorordnung, insbesondere auf Basis einer Motordrehzahl, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kraftparameter mit einem vorgegebenen Zielwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Modifizieren eine geometrische Gestaltung des Bauteils umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Modifizieren ein Elektroblech, insbesondere ein Elektroblechpaket, betrifft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt: - Herstellen eines weiteren Bauteils (300, 400, 500, 601, 602, 701, 702) auf Basis des modifizierten Bauteils, wobei das weitere Bauteil insbesondere für die Massenfertigung gestaltet ist.
Bauteil (701, 702) für einen Elektromotor, welches ein Elektroblech, insbesondere ein Elektroblechpaket, umfasst, wobei das Elektroblech Ausnehmungen (703, 704) innerhalb des Bauteils aufweist, insbesondere kreisförmige, dreiecksförmige oder rechteckförmige.
Bauteil nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Ausnehmungen (703, 704) Löcher darstellen oder oberflächliche Ausnehmungen sind.
Stator (500) für einen Elektromotor mit mehreren Zähnen, wobei die im Betrieb zum Rotor gerichtete Oberfläche einer oder mehrere der Zähne eine Krümmung (504) aufweist, die größer ist als die Krümmung (503) des kleinsten Kreises, der den Stator berührt und der als Mittelpunkt den Rotordrehpunkt des Elektromotors aufweist.