DE10261574A1

DE10261574A1 - Klauenpolmotor

Info

Publication number: DE10261574A1
Application number: DE10261574A
Authority: DE
Inventors: Guenter Kastinger; Hans-Peter Dommsch; Eduardo Portabella
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2004-07-01
Also published as: EP1586154A1; JP2006512038A; US20050067917A1; WO2004062064A1

Abstract

Es wird ein Klauenpolmotor mit mindestens einem Motormodul angegeben, der einen Stator (11) und einen außenliegenden Rotor (12) aufweist. Zur Erzielung von Kosten- und Bauraumvorteilen bei dem bevorzugten Einsatz des Klauenpolmotors in einem Lüfter für ein Klimagebläse sind Stator (11) und Rotor (12) konusförmige ausgebildet (Fig. 1).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Klauenpolmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein bekannter, als Außenläufermotor konzipierter, vierpoliger Klauenpolmotor dieser Art (Günter Kastinger: "Beiträge zu Ringspulenkleinantrieben", Diss. Mai 2001, Johannes Kepler Universität Linz, Seite 8) hat einen hohlzylindrischen Stator, der von einem zylinderförmigen Rotor konzentrisch unter Belassung eines ringförmigen Luftspalts umschlossen ist. Der Rotor setzt sich aus einem in radialer Richtung magnetisierten Permanentmagnetring und einem als Rückschluß dienenden Eisenring zusammen. Der Stator besitzt eine zylindrische Ringspule, die auf einen im Querschnitt Doppel-T-förmigen Spulenkörper aufgewickelt ist. Der Spulenkörper ist auf eine Hülse aufgeschoben und zwischen zwei Jochen eingespannt, die auf die Hülse aufgepreßt sind. Von jedem Joch aus erstrecken sich zwei Klauen über die Ringspule, wobei die insgesamt vier Klauen ineinandergreifen. Die mittig angebrachte konzentrische Ringspule erzeugt einen Fluß, der das Feld in allen vier Klauen aufbaut, so daß sich insgesamt zwei Polpaare ausbilden. Der Spulenfluß verläuft ausgehend von der innenliegenden Hülse über die Klauenpole, den Luftspalt und die Permanentmagnete zum außenliegenden Rückschlußring. In diesem fließt der Fluß tangential weiter und schließt sich über die geometrisch versetzten Nachbarklauen wieder mit dem Ausgangspunkt. In der Hülse verlaufen die Flußlinien in Richtung der Längsachse.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Klauenpolmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß er sehr gut in das Innere eines anzutreibenden Geräts, insbesondere eines Lüfterrads eines Lüfters oder Gebläses, integriert werden kann und somit keinen zusätzlichen Bauraum benötigt. Aufgrund seiner Konusform läßt er sich vorteilhaft axial in das Gerät einschieben und an diesem mit seinem Rotor leicht befestigen, so daß eine gesonderte Rotorwelle entfallen kann und eine axial gedrängte Bauweise erzielbar ist. Insbesondere bei der Verwendung des Klauenpolmotors zum Antrieb des Lüftenads eines Lüfters, z.B. in einem Klimagebläse, lassen sich die vom erfindungsgemäßen Klauenpolmotor gebotenen Vorteile optimal einbringen, da der Klauenpolmotor den gezwungenermaßen im Innern des Lüftenads ohnehin vorhandenen Bauraum maximal ausnutzt und keine Veränderungen der Lüfterabmessungen erforderlich macht. Gegenüber herkömmlichen Lüftern für Klimagebläse wird bei unverändert dimensioniertem Lüfterrad eine deutliche Reduzierung der Baulänge des Lüfters erzielt, die nunmehr nur noch durch die axiale Breite oder Tiefe des Lüftenads bestimmt ist. Wird das Lüfterrad konstruktiv etwas modifiziert, so kann es zugleich zur Kühlung des Klauenpolmotors verwendet werden, so daß der Klauenpolmotor bei gleichen Abmessungen leistungsstärker ausgelegt werden kann.
Durch die in den Ansprüchen 2 bis 10 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Klauenpolmotors möglich.
Ein Lüfter mit integriertem Klauenpolmotor ist in den Ansprüchen 11 bis 14 angegeben.
Ein besonders raumsparender Doppellüfter für ein Klimagebläse läßt sich mit den Merkmalen des Anspruchs 15 erzielen.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Klauenpolmotors, teilweise geschnitten, schematisiert dargestellt,
2 eine Explosionszeichnung eines Lüfters mit integriertem Klauenpolmotor,
3 eine perspektivische Darstellung eines Doppellüfters für ein Klimagebläse,
4 einen Längsschnitt des Doppellüfters in 3.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in 2 in Explosionsdarstellung und in 1 im Zusammenbau, teilweise geschnitten, zu sehende, schematisiert dargestellte Klauenpolmotor weist einen Stator 11 und einen dazu koaxial angeordneten Rotor 12 auf, der unter Belassung eines Luftspalts 13 den Stator 11 konzentrisch umschließt. Stator 11 und Rotor 12 bilden einen Motormodul in Konusform, wobei sich der Außendurchmesser des Stators 11 und Innen- und Außendurchmesser des Rotors 12 in Axialrichtung stetig verjüngen. Es versteht sich, daß die Konusform des Stators 11 und des Rotors 12 nicht streng geradlinig verlaufen muß, sondern auch davon abweichen kann. Zum Beispiel kann die Konusform bzw. Außenform nach außen oder innen gewölbt sein. Es ist ebenfalls möglich, daß sich die Außenformen des Stators 11 und des Rotors 12 miteinander konespondierend stufenförmig verjüngen.
Der Stator 11 besitzt zwei voneinander axial beabstandete Joche 14, 15 mit daran angeformten Klauenpolen 16 bzw. 17 und mit einer daran angeformten zentralen Hülse 18 bzw. 19 zum Aufschieben und Festlegen des Jochs 14 bzw. 15 auf einer noch später zu beschreibenden Achse sowie eine zwischen den Jochen 14, 15 angeordnete, konusförmige Ringspule 20. Alternativ kann die Ringspule 20 auch zylindrisch gewickelt werden, wenn bei vorgegebener Leistung des Motors genügend Bauraum vorhanden ist und der Motor weniger kompakt ausgeführt werden kann. Die Joche 14, 15 mit Klauen 16, 17 und Hülsen 18, 19 sind aus magnetisch leitfähigem Material gefertigt. Die Ringspule 20 ist auf einen Spulenkörper 21 aufgewickelt, der einen zentralen hohlzylindrischen Kern 211 zum Aufschieben auf die Hülsen 18, 19 der Joche 14, 15 und zwei den Kern 211 stirnseitig begrenzende Radialflansche 212 und 213 aufweist, deren Form jeweils der Form des angrenzenden Jochs 14 bzw. 15 nachgebildet ist. In dem beispielhaft vierpolig ausgeführten Klauenpolmotor trägt jedes Joch 14 bzw. 15 zwei diametral angeordnete Klauen 16 bzw. 17. Die beiden Joche 14, 15 werden um 90° verdreht zusammengesetzt, so daß die über die Ringspule 20 sich erstreckenden Klauen 16, 17 ineinandergreifen. Zum Herstellen der Ringspule 20 wird der Spulenkörper 21 mit dem Radialflansch 212 in das die Klauen 16 tragende Joch 14 eingeschoben, wobei der Kern 211 des Spulenkörpers 21 sich auf die Hülse 18 aufschiebt. Dann wird der Spulenkörper 21 um 90° gedreht, so daß der Radialflansch 212 deckungsgleich mit dem Joch 14 ist. Danach wird das die Klauen 17 tragende Joch 15 mit seiner Hülse 19 in den Kern 211 des Spulenkörpers 21 so eingeschoben, daß die Klauen 17 zwischen den Klauen 16 zu liegen kommen. Danach wird der Wickeldraht auf den Spulenkörper 21 aufgewickelt, wodurch die konusförmige Ringspule 20 entsteht.
Der außenliegende Rotor 12 weist im Ausführungsbeispiel einen den Stator 11 konzentrisch umschließenden, konusförmigen Rückschlußring 22 und eine der Anzahl der Klauen 16, 17 entsprechende Anzahl von Permanentmagnetpolen 23 auf, im Ausführungsbeispiel vier Permanentmagnetpole 23, die an der den Klauen 16, 17 zugekehrten Innenwand 221 des Rückschlußrings 23 anliegen. Wie in 2 zu sehen ist, sind die Permanentmagnetpole 23 durch permanentmagnetische Schalensegmente gebildet, die in Umfangsrichtung zu einem hohlen Konus zusammengesetzt sind. Die Schalensegmente sind jeweils radial magnetisiert, wobei die Magnetisierungsrichtung in benachbarten Schalensegmenten entgegengerichtet ist. Alternativ können die Permanentmagnetpole 23 auch durch einen geschlossen, konischen Permanentmagnetring realisiert werden, der entsprechend magnetisiert ist. In einer modifizierten Ausführung kann der Rückschlußring 23 entfallen. Die Permanentmagnetschalen werden dann polorientiert magnetisiert.
In der in 1 dargestellten einsträngigen Ausbildung des Klauenpolmotors ist es vorteilhaft, die Klauen 16, 17 asymmetrisch auszubilden, um einen definierten Anlauf des Klauenpolmotors zu gewährleisten. Die Ansteuerung der Ringspule 20 erfolgt bipolar. Wünscht man eine unipolare Ansteuerung der Ringspule 20, so wird die Ringspule 20 aus zwei entgegengesetzt gewickelten Wicklungen zusammengesetzt, die auf den Spulenkörper 21 aufgewickelt sind.
Der hier beschriebene einsträngige Klauenpolmotor kann auch mehrsträngig z.B. zwei- oder dreisträngig mit beliebiger Strangzahl ausgeführt werden, indem eine der Strangzahl entsprechende Anzahl von Motormodulen, die – wie in 1 dargestellt – aus Stator 11 und Rotor 12 zusammengesetzt sind, in Achsrichtung hintereinander angeordnet werden. Dabei sind im aufeinanderfolgenden Motormodulen die Statoren 11 gegeneinander verdreht, und zwar bei zwei Motormodulen um 90° elektrisch und bei m>2 Motormodulen um 360°/m elektrisch. Die Rotoren 12 sind miteinander drehfest gekoppelt. Ein axialer Abstand zwischen den einzelnen Motormodulen sorgt für eine magnetische Entkopplung. Alternativ können anstelle der Statoren 11 die die Permanentmagnetpole 23 tragenden Rotoren 12 um die genannten Drehwinkel gegeneinander verdreht werden.
Der beschriebene Klauenpolmotor findet seine bevorzugte Verwendung als Antriebsmotor für ein Lüfterrad 25 eines als Radiallüfter oder Axial- Diagonallüfter ausgebildeten Lüfters. Ein als Radiallüfter ausgebildeter Lüfter ist in 2 perspektivisch dargestellt. Dabei ist der Klauenpolmotor im Innern des Lüfterrads 25 angeordnet, so daß er keinen zusätzlichen Bauraum im Lüfter benötigt. Das in der rechten Hälfte der 4 im Schnitt zu sehende Lüfterrad 25 gemäß 2 weist eine schüsselförmige Nabe 26 mit einer konusförmigen Schüsselwand 262 und einem die Schüsselöffnung 263 umschließenden ringförmigen Öffnungsrand 261 auf. Die Nabe 26 ist mittels einer Lagerung 27 auf einer Lüfterachse 28 (4) drehend gelagert. Vom Öffnungsrand 261 der Nabe 26 erstrecken sich Lüfterschaufeln 29 parallel zur Lüfterachse 28 über die Schüsselwand 262 hinweg. Die Lüfterschaufeln 29 sind an ihrem von der Schüsselöffnung 263 abgekehrten freien Ende durch einen umlaufenden Ring 30 versteift.
Zum Einbau des Klauenpolmotors in das Lüfterrad 25 wird der Rotor 12 in die Nabe 26 eingesetzt und an der Innenfläche der konusförmigen Schüsselwand 262 festgelegt. Das Lüfterrad 25 wird als Kunststoffspritzteil hergestellt, wobei vorteilhaft die Permanentmagnet – und wenn vorhanden auch der Rückschlußring 22 – in 2K-Technik in die Nabe 26 mit eingespritzt werden. Dies ergibt einen wesentlichen Kosten- und Bauraumvorteil. Der Stator 12 wird mit den beiden zentralen Hülsen 18, 19 an den Jochen 14, 15 auf die feststehende Lüfterachse 28 aufgeschoben und auf dieser festgelegt. An dem Öffnungsrand 261 der schüsselförmigen Nabe 26 sind Lüfterflügel 31 über den Umfang gleichmäßig verteilte angeordnet, die der Kühlung des Klauenpolmotors dienen.
Bei einer zweisträngigen Ausführung des Klauenpolmotors werden zwei axial hintereinander angeordnete Motormodule, die aus jeweils einem Stator 11 und einem Rotor 12 wie beschrieben zusammengesetzt sind, in das Lüfterrad 25 eingesetzt. Die Motormodule sind so dimensioniert, daß sie sich an die Konusform der Nabe 26 anschmiegen. Demzufolge weist der in Einsetzrichtung in die Nabe 26 vordere konusförmige Motormodul kleinere Durchmesser auf als der hintere konusförmige Motormodul. Um die von den beiden Motormodulen erzeugten Drehmomente gleich groß zu machen, wird die axiale Länge der Motormodule entsprechend angepaßt.
In 3 ist ein als Doppellüfter ausgeführter Lüfter perspektivisch dargestellt, wie er vorzugsweise für Klimagebläse verwendet wird. Hier sind zwei wie vorstehend beschriebene, identische Lüfter auf einer gemeinsamen Lüfterachse 28 axial beabstandet so angeordnet, daß die Öffnungsränder 261 der schüsselförmigen Naben 26 der Lüfterräder 25 einander zugekehrt sind. Entsprechende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zwischen den beabstandeten Lüfterrädern 25 ist eine Befestigungsplatte 32 angeordnet, an der die gemeinsame Lüfterachse 28 festgelegt ist. Die Befestigungsplatte 32 dient der Befestigung des Doppellüfters im Klimagerät und zur Aufnahme einer Elektronik zur Motorsteuerung.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Doppellüfters ist in jedes Lüfterrad 26 ein Motormodul eingesetzt, so daß jedes Lüfterrad 26 also von einem einsträngigen Klauenpolmotor angetrieben wird. Hier läßt sich vorteilhaft eine Zweisträngigkeit der Motoranordnung mit dem Vorteil des definierten Anlaufs in einfacher Weise dadurch erreichen, daß die Statoren 11 der beiden Motormodule um 90° elektrisch um die Lüfterachse 28 gegeneinander verdreht und die beiden Rotoren 12 drehfest miteinander gekoppelt werden. Alternativ können natürlich wiederum die Statoren 11 gleichsinnig zueinander ausgerichtet bleiben und die beiden Lüfterräder 26 gegeneinander um 90° verdreht werden, bevor sie starr miteinander verbunden werden.

Claims

Klauenpolmotor mit mindestens einem Motormodul, der einen Stator (11) und einen außenliegenden Rotor (12) umfaßt, die unter Belassung eines Luftspalts (13) konzentrisch zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß Stator (11) und Rotor (12) Konusform aufweisen.
Klauenpolmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (11) zwei voneinander axial beabstandete Joche (14, 15) , eine dazwischen angeordnete, vorzugsweise konische Ringspule (20) und eine Anzahl von über die Ringspule (20) sich erstreckenden, ineinandergreifenden Klauen (16, 17) aufweist, von denen jeweils die Hälfte von je einem der Joche (14, 15), vorzugsweise mit diesem einstöckig, abstehen, und daß der den Stator (11) umschließende Rotor (12) eine der Anzahl der Klauen (16, 17) entsprechende Zahl von Permanentmagnetpolen (23) aufweist.
Klauenpolmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringspule (20) auf einen Spulenkörper (21) aufgewickelt ist, der einen zentralen, hohlzylindrischen Kern (211) und zwei den Kern (211) stirnseitig begrenzende Radialflansche (212, 213) aufweist, deren Form jeweils der Form des angrenzenden Jochs (14, 15) nachgebildet ist.
Klauenpolmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringspule (20) aus zwei entgegengesetzt gewickelten Wicklungen besteht.
Klauenpolmotor nach einem der Ansprüche 2 – 4, dadurch gekennzeichnet, daß Joche (14, 15) und Klauen (16, 17) aus magnetisch leitfähigem Material bestehen.
Klauenpolmotor nach einem der Ansprüche 2 – 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetpole (23) von permanentmagnetischen, radial magnetisierten Schalensegmenten gebildet sind, die zu einem Konus zusammengesetzt sind.
Klauenpolmotor nach einem der Ansprüche 2 – 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) einen den Stator (11) konzentrisch umschließenden, konusförmigen Rückschlußring (22) aufweist, an dessen den Klauen (16, 17) zugekehrter Innenwand (221) die Permanentmagnetpole (23) anliegen.
Klauenpolmotor nach einem der Ansprüche 1 – 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl m mit m>2 von Motormodulen mit fluchtenden Modulachsen hintereinander angeordnet sind und daß die Statoren (11) oder Rotoren (12) benachbarter Motormodule um 360°/m elektrisch gegeneinander verdreht und die Rotoren (12) miteinander starr gekoppelt sind.
Klauenpolmotor nach einem der Ansprüche 1 – 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Motormodule mit fluchtenden Modulachsen hintereinander angeordnet sind und daß die Statoren (11) oder Rotoren (12) der Motormodule um 90° elektrisch gegeneinander verdreht und die Rotoren (12) miteinander starr gekoppelt sind.
Klauenpolmotor nach einem der Ansprüche 1 – 9, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem ein Lüfterrad (25) mit Lüfterschaufeln (29) aufweisenden Lüfter, indem der Klauenpolmotor im Innern des Lüftenads (25) angeordnet ist.
Lüfter mit einem Lüfterschaufeln (29) tragenden Lüfterrad (25), gekennzeichnet durch einen im Innern des Lüftenads (25) angeordneten Klauenpolmotor nach einem der Ansprüche 1 – 9.
Lüfter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Lüfterrad (25) eine schüsselförmige Nabe (26) mit konusförmiger Schüsselwand (262) aufweist, die auf einer Lüfterachse (28) drehend gelagert ist, und daß der Stator (11) drehfest auf der Lüfterachse (28) sitzt und der Rotor (12) an der Nabe (26) befestigt ist.
Lüfter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die die Klauen (16, 17) tragenden Joche (14, 15) drehfest auf der Lüfterachse (28) und der die Ringspule (20) aufnehmende Spulenkörper (21) drehfest auf von den Jochen (14, 15) abstehenden, zentralen Hülsen (18, 19) sitzen und daß die Penanentmagnetpole (23) – ggf. über den Rückschlußring (22) – an der konusförmigen Schüsselwand (262) der Nabe (26) drehfest anliegen, vorzugsweise – ggf. zusammen mit dem Rückschlußring (22) – in die Nabe (26) mit eingespritzt sind.
Lüfter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lüfterschaufeln (29) sich vom Öffnungsrand (261) der schüsselförmigen Nabe (26) über die Nabe (26) hinweg parallel zur Lüfterachse (28) erstrecken und daß am Öffnungsrand (261) der Nabe (26) Lüfterflügel (31) zur Belüftung des Klauenpolmotors angeordnet sind.
Doppellüfter, insbesondere für Klimagebläse, gekennzeichnet durch zwei Lüfter nach einem der Ansprüche 11 – 14, die mit zu einer gemeinsamen Lüfterachse (28) einstöckig verbundenen Lüfterachsen axial mit Abstand so aneinandergesetzt sind, daß die Öffnungsränder (221) der schüsselförmigen Naben (26) der Lüfterräder (25) einander zugekehrt sind, und daß eine zwischen den Lüftenädern (25) sich radial erstreckende Befestigungsplatte (32) die gemeinsame Lüfterachse (28) drehfest aufnimmt.
Doppellüfter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Statoren (11) der im Innern der beiden Lüfterräder (25) angeordneten Klauenpolmotoren um 90° elektrisch um die Lüfterachse (28) gegeneinander verdreht und die Lüfterräder (25) mit gleichsinnig ausgerichteten Rotoren (12) miteinander starr gekoppelt sind.