-
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen bürstenlosen Elektromotor mit Außenrotor (Außenläufer), vorzugsweise einen Kühlerlüftermotor eines Kraftfahrzeugs.
-
Ein derartiger Elektromotor umfasst üblicherweise einen gegenüber einem feststehenden Stator drehbar gelagerten Rotor. Bei einem bürstenlosen Elektromotor ist der Stator häufig mit einer Drehfeldwicklung bestückt, mit der durch deren Beaufschlagung mit einem Wechselstrom ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird. Der bei einem Innenläufermotor innerhalb des im Wesentlichen hohlzylindrischen Stators angeordnete Rotor und bei einem Außenläufermotor konzentrisch außerhalb des Stators zu diesem konzentrisch angeordnete Rotor ist in der Regel mit Permanentmagneten bestückt, die ein mit dem Drehfeld des Stators wechselwirkendes Rotormagnetfeld erzeugen.
-
Bei einem bürstenlosen Elektromotor wird der zur Speisung der Statorwicklung vorgesehene Wechselstrom üblicherweise durch einen Umrichter (Wechselrichter) erzeugt. Bei kleineren Elektromotoren ist dieser Umrichter zusammen mit einer zugeordneten Steuerelektronik häufig in ein Elektronikfach aufgenommen, das in das Motorgehäuse integriert ist.
-
Insbesondere bei einem als Außenläufermotor konzipierten bürstenlosen Elektromotor für den Kühlerlüfter eines Kraftfahrzeugs ist ein topfartiges Rotorgehäuse vorgesehen, an dessen zylindrischen Innenumfang (Innenwand) eine Anzahl von Magneten gleichmäßig verteilt angeordnet ist. Es hat sich durch Akustikmessungen gezeigt, dass bei einem derartigen Außenläufermotor akustische Probleme auftreten. Dies führt zu unerwünschten Geräuschentwicklungen beim Betrieb des Elektromotors, beispielsweise in einem typischen Drehzahlbereich zwischen 1000 rpm und 1500 rpm (rounds per minute, Umdrehungen pro Minute).
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor der genannten Art anzugeben, bei dem einerseits die Geräuschentwicklungen möglichst gering sind, und bei dem andererseits eine möglichst einfache Montage der Magnete am Rotor ermöglicht ist. Insbesondere sollen möglichst wenige und möglichst gleiche Abstände zwischen den einzelnen Magneten eingehalten und eine zeitsparende Montage der Magnete ermöglicht werden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Varianten, Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Hierzu weist der Elektromotor einen Stator und einen permanenterregten Rotor auf, der seinerseits eine Anzahl von im Querschnitt teilkreisförmige Magneten aufweist, die in einem, insbesondere topfartigen, Rotorgehäuses mit einer zylindrischen Gehäusewandung an deren Innenumfang angeordnet sind. Das Rotorgehäuse bzw. dessen zylindrischen Gehäusewandung bilden den magnetischen Rückschluss des Rotors. Der Elektromotor ist besonders als Antrieb für einen Kühlerlüfter eines Kraftfahrzeugs geeignet.
-
Die Magnete sind geeigneter jeweils aus zwei Magnethälten mit jeweils einem magnetischen Nord- und Südpol gebildet. Der jeweilige, nachfolgend auch als „Doppelmagnet“ bezeichnete Magnet weist diesen in Umfangsrichtung begrenzende, winkelförmig ausgebildete Seitenflächen und eine radiale Innenfläche sowie eine radiale Außenfläche auf, mit welcher der Magnet am Innenumfang der zylindrischen Gehäusewandung anliegt. Die jeweilige Seitenfläche weist einen an die Außenfläche angrenzenden ersten Flächenabschnitt und einen an die Innenfläche angrenzenden zweiten Flächenabschnitt auf. Der aus zwei Magnethälften gebildete, vorzugsweise zu einer Magnetmittellinie spiegelsymmetrische, Magnet (Doppelmagnet) weist zwischen den Magnethälften eine axial verlaufende und an der Innenfläche offene Radialnut auf.
-
Die radiale Innenfläche ist die in Radialrichtung des Elektromotors bzw. dessen Rotors radial innen liegende, konkav gekrümmte Fläche des Magneten, während als radiale Außenfläche die in Radialrichtung des Elektromotors bzw. dessen Rotors radial außen liegende, konvex gekrümmte Fläche des Magneten angesehen wird.
-
Unter „Radialnut“ wird eine Sicke oder Kerbe im Magnet (Doppelmagnet) verstanden, die in Axialrichtung des Elektromotors bzw. dessen Rotors verläuft und sich in Radialrichtung in den Magnet hinein erstreckt. Die Radialnut befindet sich im Bereich einer gedachten Magnetmittellinie, zu welcher der Magnet spiegelsymmetrisch ist, und welche die Trennlinie zwischen den beiden Magnethälften darstellt. Die Radialnut ist an der Innenfläche des Magneten offen, weist also dort die Nutöffnung auf.
-
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass einerseits für eine einfache, zeitsparende und abstandsgleiche Montage der Magnete am Rotor die Anzahl der Magnete möglichst gering sein sollte. Andererseits ist das akustische Verhalten bei einer vergleichsweise großen Anzahl von Magneten am gleichen Rotorumfang besser, da bei großen Magneten, die z. B. jeweils etwa 20% des Kreisumfangs des kreisförmigen Rotorumfangs einnehmen, während im Vergleich hierzu kleinere Magnete z. B. jeweils nur 10% dieses Kreisumfangs einnehmen, im Bereich haramonischer Schwingungen höherer Ordnungen, beispielsweise in der 45. bis 50. Ordnung, vergleichsweis hohe Geräuschentwicklungen auftreten.
-
Erkanntermaßen sind die akustischen Probleme auf die bei Erzeugung des Drehfeldes wirkenden Radialkräfte zurückzuführen. Dabei bestimmen bzw. beeinflussen das Magnetfeld und der Motorstrom in der Drehfeldwicklung die Grundfrequenzen des Motor-Drehmomentes, woraus wiederum der magnetische Leitwert bestimmt wird, der seinerseits von der Geometrie des Luftspalts zwischen Stator und Rotor beeinflusst wird, wobei die Luftspaltgeometrie wiederum die Radialkräfte bestimmt bzw. beeinflusst.
-
Die Erfindung zielt nun auf eine möglichst optimierte Anpassung der Geometrie der Magnete (Doppelmagnete) an die möglichst weitgehend optimierte Spaltgeometrie ab, was wiederum die magnetische Wirkung im Hinblick auf eine gewünschte Reduzierung der Radialkräfte verbessert und damit die Geräuschentwicklung des Elektromotors minimiert. Es hat sich gezeigt, dass eine Anpassung der Magneten durch Abflachungen an deren beiden Schmalseiten (Magnetkanten) in Verbindung mit einer mittleren Axialnut (Magnetkerbe) zur gewünschten Verbesserung des akustischen Verhaltens führt. Bei den Doppelmagneten sind daher die beiden äußeren Magnetkanten (Seitenflächen) und vorzugsweise auch die beiden inneren Magnetkanten beidseitig der Ringnut (Kerbe, Sicke) abgeflacht.
-
In zweckmäßiger Ausgestaltung steht - oder verläuft - ass der zweite Flächenabschnitt der jeweiligen Seitenflächen des Magneten zu dem ersten Flächenabschnitt in einem Winkel zwischen 60° und 90°. Besonders bevorzugt steht der zweite Flächenabschnitt der jeweiligen Seitenflächen zu dem ersten Flächenabschnitt in einem Winkel zwischen 70° und 80° und beträgt insbesondere (75 ± 2,5)°.
-
In einer besonders geeigneten Weiterbildung weist der jeweilige Magnet innere Flächenabschnitte auf, welche die Radialnut flankieren. Somit weisen die Magnethälften des Magnets in dieser Weiterbildung jeweils zwei Flächenabschnitte auf, nämlich den zweiten Flächenabschnitt als einen äußeren Flächenabschnitt und den an die Ringnut angrenzenden inneren Flächenabschnitt. Geeigneter Weise liegen der die Radialnut flankierende (innere) Flächenabschnitt und der zweite (äußere) Flächenabschnitt der jeweiligen Seitenflächen der entsprechenden Magnethälfte in der gleichen Ebene.
-
Als Weiterbildung der mittigen Ringnut ist diese quasi zylindrisch mit einem Axialschlitz, oder im Querschnitt vorzugsweise halbkreisförmig, ausgestaltet. Dabei erstreckt sich die Radialnut in Radialrichtung vorzugsweise über mindestens die Hälfte der Magnetdicke, d. h. des radialen Abstandes zwischen der Innenfläche und der Außenfläche des jeweiligen Magneten. Je größer die Nut tiefe der Ringnut (in Radialrichtung) ist, desto mehr werden die gewünschten Effekte erzielt und das Geräuschverhalten des Elektromotors verbessert.
-
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der zweiten Flächenabschnitt der Seitenfläche und/oder der die Radialnut flankierende Flächenabschnitte zwischen 5% und 10% der Innenfläche des jeweiligen Magneten beträgt, und/oder dass die Summe der zweiten Flächenabschnitte der beiden Seitenflächen und der beiden die Radialnut flankierenden Flächenabschnitt zwischen 20% und 40% der Innenfläche des jeweiligen Magneten beträgt.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist an der jeweiligen Seitenfläche des entsprechenden Magneten zwischen dem ersten Flächenabschnitt und dem zweiten Flächenabschnitt eine Fasenfläche vorgesehen. Geeigneter Weise steht die Fasenfläche zum ersten Flächenabschnitt in einem Winkel zwischen 30° und 50° und beträgt vorzugsweise (35 ± 5)°.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Ausbildung der rotorseitigen Magnete eines insbesondere als Außenläufer ausgeführten Elektromotors mit einerseits abgeflachten äußeren Flächenabschnitten auf der dem Ringspalt zum Stator zugewandten Magnetinnenseite und andererseits mit einer zum Ringspalt offenen axialen Radialnut (Kerbe, Sicke) bereits eine geeignete Spaltgeometrie mit einer Reduzierung der Radialkräfte beim Betrieb des Elektromotors erreicht und das akustische Verhalten des Elektromotors während dessen Betriebs verbessert sowie dessen Geräuschentwicklungen reduziert werden. Darüber hinaus ist die Anzahl der (rotorseitig) eingesetzten Magnete gering, was die Montage vereinfacht und die Vergleichmäßigung der Abstände bzw. Spaltbreiten in Umfangsrichtung zwischen den benachbarten Magneten verbessert.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in einer Explosionsdarstellung den Stator und den Rotor mit einem Rotorgehäuse und mit einer Anzahl von teilkreisförmigen Magneten (Permanentmagnet) eines bürstenlosen Außenläufer-Elektromotors (Außenläufer), insbesondere eines Kühlerlüfters für ein Kraftfahrzeug,
- 2 in perspektivischer Darstellung einen der rotorseitigen Magneten (Permanentmagnet) mit einer Außenfläche, mit einer Innenfläche, mit winkelförmig ausgebildeten Seitenflächen und mit einer axial verlaufenden, an der Innenfläche offenen Radialnut (Kerbe) zwischen zwei Magnethälften mit die Radialnut flankierenden Flächenabschnitten,
- 3 in einem Querschnitt eine Variante des teilkreisförmigen Magneten, deren winkelförmig ausgebildeten Seitenflächen jeweils zueinander rechtwinklig stehende Flächenabschnitte aufweisen, und
- 4 in einer Darstellung gemäß 3 eine weitere Variante des teilkreisförmigen Magneten, deren winkelförmig ausgebildeten Seitenflächen jeweils zueinander spitzwinklig stehende Flächenabschnitte aufweisen.
-
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt einen Elektromotor 1 in einer Explosionsdarstellung mit einem Stator 2 und mit einem permanent erregten Rotor 3, der eine Anzahl von Magneten (Permanentmagneten) 4 zur Erzeugung eines Erregerfeldes und ein topfartiges Rotorgehäuse 5 mit einem Gehäuseboden 6 und einer zylindrische Gehäusewand 7 aufweist, die den magnetischen Rückschluss bildet. Der Stator 2, der durch ein Blechpaket gebildet ist, ist mit einer dreiphasigen Drehfeldwicklung 8 in Form von Spulen bewickelt.
-
Im Ausführungsbeispiel weist der Elektromotor 5 fünf - nachfolgend auch als Doppelmagnete bezeichnete - Magnete 4 auf. Diese sind am Innenumfang der zylindrischen Gehäusewand 7 des Rotorgehäuses 5 in Umfangsrichtung U gleichmäßig verteilt angeordnet. Dabei sind die zwischen den Magneten 4 gebildeten Abstände oder Spalte 9 zumindest annähernd gleich. Der jeweilige Magnet (Doppelmagnet) 4 ist teilkreisförmig. In anderen Worten bildet jeder einzelne Magnet 4 den Kreisbogen eines gleich großen Kreissektors. Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich jeder Magnet 4 über einen Kreisbogen (Teilkreis) von etwa 36° oder 20% des kreisförmigen Umfangs (360°) des Rotors 3.
-
Jeder Magnet 4 weist innenseitig eine Radialnut 10 auf, die in die eingezeichnete Axialrichtung A parallel zur Drehachse (Rotationsachse) D des Elektromotors1 bzw. dessen Rotors 3 verläuft und sich in Radialrichtung R in den jeweiligen Magneten (Magnetgrudkörper) 4 hinein erstrecken. Die Radialnut 10 unterteilt den jeweiligen Magnet 4 quasi in zwei Magnethälften 4a und 4b. Jede Magnethälfte 4a, 4b weist einen magnetischen Nordpol (N) und einen magnetischen Südpol (S) auf. In anderen Worten weist jeder Magnet 4 sowohl innenseitig als auch außenseitig - wechselseitig gegenüberliegend - einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol auf.
-
2 zeigt einen solchen Magneten (Doppelmagneten 4) in perspektivischer Darstellung mit Blick auf dessen Innenfläche 11. Mit der radial gegenüberliegenden Außenfläche 12 liegt der Magnet an der zylindrischen Gehäusewand 7 innenseitig an. Im Bereich der Radialnut 10 ist eine Magnetmittellinie M eingezeichnet, zu welcher der Magnet 4 spiegelsymmetrisch ist, und welche den Magnet 4 in die beiden Magnethälften 4a und 4b teilt, zwischen diese also quasi eine gedachte Trennlinie darstellt. Der Magnet 4 ist in Umfangsrichtung U durch winkelförmig ausgebildete Seitenflächen 13 begrenzt. Die jeweilige Seitenfläche 13 weist einen an die konvexe Außenfläche 12 angrenzenden ersten Flächenabschnitt 13a und einen an die konkave Innenfläche 11 angrenzenden zweiten Flächenabschnitt 13b auf, der nachfolgend auch als Abflachung bezeichnet wird. Zudem weist die jeweilige Magnethälfte 4a, 4b des Magneten 4 einen die Radialnut 10 flankierenden Flächenabschnitt 14 auf.
-
Der Magnet 4 weist in dieser Ausführungsform somit insgesamt zwei innere Flächenabschnitt 14 und zwei äußere (zweite) Flächenabschnitte 13b sowie die (mittlere) axiale Radialnut 10 auf. Die Flächenabschnitte 14, welche die Radialnut 10 beidseitig flankieren, und die zweiten (äußeren) Flächenabschnitte 13b entsprechen jeweils etwa (7,5 ± 2,5)% der Innenfläche 11 des jeweiligen Magneten 4. Die Summe der zweiten Flächenabschnitte 13b der beiden Seitenflächen 13 und der beiden die Radialnut 10 flankierenden Flächenabschnitte 14 beträgt zwischen 20% und 40% der Innenfläche 11 des jeweiligen Magneten 4.
-
3 zeigt eine Variante des Magneten (Doppelmagneten) 4 mit wiederum einer sich zwischen den Magnethälften 4a und 4b in Radialrichtung R in den Magnet 4 hinein erstreckenden Radialnut 10, deren Nutöffnung 15 zum Ringspalt 16 hin offen ist, der innerhalb des Elektromotors 1 zwischen dem Rotor 3 bzw. dessen Magneten 4 und dem strichliniert angedeuteten Stator 2 gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform sind keine die Radialnut 10 bzw. deren Nutöffnung 15 flankierende Flächenabschnitte 14 vorgesehen.
-
Bei dieser Ausführungsform nach 3 verlaufen die äußeren (zweiten) Flächenabschnitte 13b der Seitenflächen 13 parallel zu einer gedachten Kreissehne (Sekante) 17 in einem Abstand a. Dieser repräsentiert denjenigen Seitenabschnitt 18 des Magneten 4, welcher unter Herstellung des jeweiligen äußeren (zweiten) Flächenabschnitts 13b vom ursprünglichen Formkörper des Magneten 4 durch Bearbeitung entnommen (entfernt) worden ist. Zwischen dem ersten Flächenabschnitt 13a und dem zweiten Flächenabschnitt 13b der jeweiligen Seitenfläche 13 des Magneten 4 ist eine Fasenfläche 13c gebildet.
-
Der in 3 links eingezeichnete Winkel α zwischen dem ersten Flächenabschnitt 13a und dem zweiten Flächenabschnitt 13b beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 90°. Zudem verlaufen bei diesem Ausführungsbeispiel die ersten Flächenabschnitte 13a der einander gegenüberliegenden Seitenflächen 13 zueinander parallel. Der Winkel β zwischen dem ersten Flächenabschnitt 13a und der Fasenfläche 13c beträgt ca. 35°.
-
Die Ausführungsform gemäß 4 entspricht im Wesentlichen derjenigen nach 2. Auch hier weist der Magnet 4 die Radialnut 10 an der Innenfläche 11 mit die die Radialnut 10 bzw. deren Nutöffnung 15 beidseitig flankierenden Flächenabschnitten 14 auf. In dieser Ausführungsform verlaufen der jeweilige innere (zweite) Flächenabschnitt 13b und der der Radialnut 10 benachbarte (mittlere) Flächenabschnitt 14 der gleichen Magnethälfte 4a, 4b in derselben, strichliniert angedeuteten Ebene E.
-
Bei dieser Ausführungsform nach 4 beträgt der Winkel α zwischen dem ersten Flächenabschnitt 13a und dem zweiten Flächenabschnitt 13b der Seitenfläche 13 der jeweiligen Magnethälfte 4a, 4b etwa 70° bis 80°, mit vorzugsweise α = (75 ± 2,5)°.
-
Die in 4 angedeutete und mit b bezeichnete Nuttiefe der Radialnut 10 beträgt mindestens die Hälfte des radialen Abstands zwischen der Innenfläche 11 und der Außenfläche 12 des Magneten 4 (entlang des dortigen Radius im Bereich der Magnetmittellinie M). Die Radialnut 10 ist geeigneterweise halbkreisförmig, kann sich jedoch auch über beispielsweise 200° ± 20° erstrecken und somit zyllinderförmig mit einem in Axialrichtung A verlaufenden Längsschlitz als Nutöffnung 15 ausgeführt sein.
-
Der Elektromotor 1, bei dem es sich bevorzugt um einen bürstenlosen, eigen gekühlten Außenläufermotor (-rotor) handelt, ist insbesondere als Antrieb für einen Kühlerlüfter eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, wobei der Elektromotor 1 mit dessen Motor- oder Rotorgehäuse 5 - in nicht näher dargestellter Art und Weise - in eine Lüfternabe eines Lüfterrades mit an dessen Außenumfang angeordneten Luftleitschaufeln eingesetzt ist, um das Lüfterrad rotatorisch anzutreiben.
-
Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Elektromotor 1 mit einem Stator 2 und mit einem Rotor 3, der eine Anzahl von Magneten 4 aufweist, die in einem Rotorgehäuses 5 innenumfangsseitig angeordnet sind, wobei der jeweilige Magnet 4 winkelförmig ausgebildete Seitenflächen 13 soweit eine radiale Innen- und Außenfläche 11, 12 aufweist, mit welcher der Magnet 4 am Rotorgehäuses 5 anliegt, wobei die jeweilige Seitenfläche 13 einen an die Außenfläche 12 angrenzenden ersten Flächenabschnitt 13a und einen an die Innenfläche 11 angrenzenden zweiten Flächenabschnitt 13b aufweist, und wobei der Magnet 4 eine axial verlaufende Radialnut (Kerbe, Sicke) 10 aufweist.
-
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
-
Zudem kann die beschriebene Lösung nicht nur in dem speziell dargestellten Anwendungsfall zum Einsatz kommen, sondern auch in ähnlicher Ausführung bei anderen Kraftfahrzeug-Anwendungen, wie zum Beispiel bei Tür- und Heckklappensystemen, bei Fensterhebern, bei Fahrzeugschlössern, bei verstellbaren Sitz- und Innenraumsystemen sowie bei elektrischen Antrieben, Steuerungen, Sensoren und deren Anordnung im Fahrzeug.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Elektromotor
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Doppel-/Magnet
- 4a,b
- Magnethälfte
- 5
- Rotorgehäuse
- 6
- Gehäuseboden
- 7
- Gehäusewand
- 8
- Drehfeldwicklung
- 9
- Abstand/Spalt
- 10
- Radialnut
- 11
- Innenfläche
- 12
- Außenfläche
- 13
- Seitenfläche
- 13a
- erster Flächenabschnitt
- 13b
- zweiter Flächenabschnitt
- 13c
- dritter Flächenabschnitt
- 14
- Flächenabschnitt
- 15
- Nutöffnung
- 16
- Ringspalt
- 17
- Kreissehne/Sekante
- 18
- Seitenabschnitt
- A
- Axialrichtung
- D
- Dreh-/Rotationsachse
- E
- Ebene
- M
- Magnetmittellinie
- R
- Radialrichtung
- U
- Umfangsrichtung
- a
- Abstand
- b
- Nuttiefe
- α,β
- Winkel
