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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Elektromotor, insbesondere einen Stabankermotor, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 198 32 157 A1 ist eine
elektrische Maschine zum Umwandeln mechanischer in elektrische Energie
oder umgekehrt mit einem um eine Drehachse rotierbar gelagerten
Anker bekannt, der mehrere rotationssymmetrisch um die Drehachse angeordnete,
durch Nuten voneinander getrennte und in der Rotationsebene liegende
Ankerzähne
aufweist. Der Stator des Elektromotors enthält mindestens zwei am Anker
unter Bildung eines Luftspaltes einander diametral gegenüberliegende
Permanentmagnete, die jeweils aus einem im Wesentlichen bogenförmigen Segment
bestehen. Die bogenförmigen Segmente
weisen eine zu den Segmentenden hin abnehmende Segmentdicke auf
und sind so angeordnet, dass die Abnahme der Segmentdicke einer gleichen
Zunahme des Luftspaltes entspricht.
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Bei dieser bekannten permanenterregten elektrischen
Maschine dient der zu den Segmentenden hin zunehmende Luftspalt
zur Unterdrückung des
magnetischen Geräusches
der elektrischen Maschine, da vor allem bei Permanentmagneten mit
hohen magnetischen Werten und damit hoher Energiedichte die spezifische
Kraftbeanspruchung der Ankerzähne
durch den erhöhten
Zahnfluss immer stärker wird
und die mit zunehmender Energiedichte der Permanentmagnete erhöhte Luftspaltinduktion
gleichzeitig eine erhebliche sprunghafte Flussänderung mit sich bringt, die
eine erhebliche Steigerung des nutfrequenten Geräusches zur Folge hat. Um die
sich daraus ergebenden magnetischen Geräusche herabzusetzen, wird der
Luftspalt zu den Segmentenden hin vergrößert, so dass der Induktionsfluss
zu den Magnetkanten hin verringert wird.
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Da die Beanspruchung des Permanentmagneten,
die zu einer Entmagnetisierung durch das Ankerquerfeld führt, von
der Magnetmitte zu der im Vergleich zu der Ankerdrehrichtung ablaufenden
Magnetkante hin linear zunimmt, während die Beanspruchbarkeit
des Permanentmagneten, d.h. seine Beständigkeit gegen die Entmagnetisierung
durch das Ankerquerfeld, mit abnehmender Magnetdicke dagegen abnimmt,
wird durch diese Maßnahme
zur Verminderung des magnetischen Geräusches die Beständigkeit
des Permanentmagneten gegen Entmagnetisierung herabgesetzt und damit
die Leistung der elektrischen Maschine vermindert.
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Eine alternative Maßnahme zur
Reduzierung des magnetischen Geräusches
einer elektrischen Maschine besteht in einer Schrägnutung
des Rotors, d.h. in schräg
zur Längserstreckung
des Rotors verlaufenden, die Ankerzähne voneinander trennenden Nuten,
so dass der abrupte Übergang
der Ankerzähne
beim Eintritt in das Magnetfeld der Permanentmagneten des Stators
durch einen gleichmäßigen Übergang
ersetzt wird. Mit der Schrägnutung
des Ankers ist allerdings ein etwas geringerer Wirkungsgrad der elektrischen
Maschine verbunden. Ein weiterer Nachteil besteht in der durch die
Schrägnutung
verlängerten
Taktzeit der Wickelung der Ankerzähne.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, einen Elektromotor, insbesondere einen Stabankermotor, der
eingangsgenannten Gattung so zu gestalten, dass ohne Erhöhung des
Herstellungsaufwandes oder Verringerung des Wirkungsgrades oder eine
Verminderung der Beständigkeit
des Permanentmagneten gegen Entmagnetisierung störende magnetische Geräusche des
Elektromotors weitestgehend unterdrückt werden und eine größtmögliche Freiheit
bei der Gestaltung der elektromagnetischen Teile des Elektromotors
erhalten bleibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden bei
größtmöglicher
Freiheit bei der Gestaltung der Topologie der Permanentmagnete eines
Elektromotors die magnetischen Geräusche des Elektromotors weitestgehend
unterdrückt
und damit der Elektromotor insgesamt leiser gemacht wird, ohne dass
der Wirkungsgrad des Elektromotors oder die Beständigkeit der Permanentmagneten
gegen Entmagnetisierung vermindert oder der Herstellungsaufwand
erhöht wird.
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Im Unterschied zu einer Schrägnutung
des Ankers wird bei der erfindungsgemäßen Lösung eine sich in axialer Richtung
des Elektromotors verändernde
Kontur der Segmentenden der Permanentmagneten des Stators vorgesehen,
so dass bei vergleichbarer Wirkung wie bei einer Schrägnutung
des Ankers ein gleichmäßiger Übergang
beim Eintritt der Ankerzähne
des rotierenden Ankers des Elektromotors in das Magnetfeld der Permanentmagneten
gewährleistet
ist. Da somit eine Schrägnutung
des Ankers entbehrlich ist, entfällt
der mit einer Schrägnutung
verbundene erhöhte
Herstellungsaufwand, der mit einer verlängerten Taktzeit bei der Bewicklung
der Ankerzähne
verbunden ist.
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Um einen gleichmäßigen Übergang über die gesamte axiale Länge der
elektromagnetischen Bauteile des Elektromotors zu gewährleisten,
verändert sich
die Kontur der Segmentenden der Permanentmagnete kontinuierlich über die
gesamte Länge
der Permanentmagnete.
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Eine weitere Variante zur Gewährleistung
eines gleichmäßigen Übergangs
wird durch eine sich periodisch über
die Länge
der Permanentmagnete verändernde
Kontur der Segmentenden ermöglicht.
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Weiterhin können die Stirnseiten der Segmentenden
zumindest abschnittsweise eben ausgebildet und die Außenkanten
der Stirnseiten abgeschrägt
werden.
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Die sich in axialer Richtung des
Elektromotors verändernde
Kontur der Segmentenden der Permanentmagnete kann auf unterschiedliche
Weise realisiert werden.
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In einer ersten Ausführungsform
erweitern sich die Stirnseiten der Segmentenden von einem zum anderen
längsseitigen
Ende der Permanentmagnete kontinuierlich, während sich die abgeschrägten Außenkanten
der Stirnseiten entgegengesetzt kontinuierlich verjüngen.
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In einer zweiten Ausführungsform
sind die Segmentenden in Längsrichtung
der Permanentmagneten als V-förmige
Einschnitte oder alternativ als V-förmige Auswölbungen ausgebildet, wobei
die V-förmigen
Einschnitte oder Auswölbungen
vorzugsweise symmetrisch zur Längserstreckung
der Permanentmagnete angeordnet sind.
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In einer weiteren Ausführungsform
weisen die Segmentenden der Permanentmagnete mehrere in Längsrichtung
der Permanentmagnete wellenförmige
verlaufende Einschnitte oder Auswölbungen auf. Zwischen den wellenförmigen Einschnitten
oder Auswölbungen
sowie an den längsseitigen
Enden der Permanentmagnete können
ebene Abschnitte der Stirnseiten der Segmentenden vorgesehen werden.
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Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 – eine schematisch-perspektivische Darstellung
der elektromagnetischen Bauteile eines Stabankermotors;
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2 – eine perspektivische
Darstellung eines als bogenförmiges
Segment ausgebildeten Permanentmagneten mit sich kontinuierlich
erweiternder Breite der Stirnseiten der Segmentenden und entgegengesetzt
sich kontinuierlich verjüngenden
Außenkanten
der Stirnseiten;
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3 und 4 – verschiedene perspektivische Ansichten
eines als bogenförmiges
Segment ausgebildeten Permanentmagneten mit V-förmigen Einschnitten an den
Segmentenden und
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5 und 6 – verschiedene perspektivische Ansichten
eines als bogenförmiges
Segment ausgebildeten Permanentmagneten mit mehreren in Längsrichtung
des Permanentmagneten verlaufenden wellenförmigen Einschnitten.
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1 zeigt
eine schematisch-perspektivische Ansicht der elektromagnetischen
Bauteile 1 eines als Stabankermotor ausgebildeten Elektromotors.
Der Anker 2 des Elektromotors besteht aus mehreren, aus
geschichteten Blechen zusammengesetzten Ankerzähnen 21, die durch
in Längsrichtung des
Ankers 2 verlaufende Längsnuten 22 voneinander
getrennt sind. Die Ankerzähne 2 sind
mit einer Ankerwicklung 3 bewickelt, deren Wicklungsenden mit
einem Kommutator 4 verbunden sind, der mehrere durch Isolationen 42 voneinander
getrennte Segmente 41 aufweist, die den einzelnen Ankerzähnen 21 des
Ankers 2 zugeordnet sind.
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Der Anker 2 und der Kommutator 4 sind
rotationssymmetrisch auf einer Drehachse 5 angeordnet, die
in geeigneter Weise in einem Gehäuse
des Elektromotors gelagert ist.
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Um den Anker 2 ist ein Stator
so angeordnet, dass zwischen dem Anker 2 und dem Stator
ein Luftspalt 9 ausgebildet ist. Der Stator besteht aus mindestens
zwei einander diametral gegenüberliegenden
Permanentmagneten 6, von denen in der schematischperspektivischen
Darstellung gemäß 1 ein einzelner Permanentmagnet 6 dargestellt ist.
Die Permanentmagneten 6 bestehen aus einem im Wesentlichen
bogenförmigen
Segment mit Segmentenden 61, 62 in Umfangsrichtung
des bogenförmigen
Segments und Stirnflächen 60 in
Längsrichtung
des Permanentmagneten 6. Die Segmentenden 61, 62 der
um den Anker 2 angeordneten Permanentmagnete 6 des
Stators stoßen
bündig
miteinander abschließend
aneinander.
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Zur Gewährleistung eines gleichmäßigen Übergangs
des von den Ankerzähnen 21 des
Ankers 2 ausgebildeten Magnetfeldes in Bezug auf das von dem
Permanentmagneten 6 ausgebildete Magnetfeld weisen die
Segmentenden des Permanentmagneten 6 eine Kontur auf, die
sich in axialer Richtung des Elektromotors, d.h. parallel zur Drehachse 5 vorzugsweise
kontinuierlich verändert.
In der in 1 sowie in
der perspektivischen Darstellung gemäß 2 dargestellten Ausführungsform erweitert sich die
Breite der Stirnseiten 63 der beiden Segmentenden 61, 62 des
Permanentmagneten 6 von einem Ende des Permanentmagneten 6 zu
dessen anderem Ende, während
die abgeschrägten
Außenkanten 64 der
Stirnseiten 63 sich entgegengesetzt hierzu kontinuierlich
verjüngen.
Der schräge
Verlauf der Außenkanten 64 der
Stirnseiten 63 der Segmentenden 61, 62 in
Verbindung mit der sich in entgegengesetzt kontinuierlich verändernden
Breite der Stirnseiten 63 ergibt eine sich kontinuierlich
verändernde
Kontur der Segmentenden 61, 62 und damit einen
entsprechend weichen Übergang
beim Schnitt des von den Ankerzähnen 21 ausgehenden
Magnetfeldes mit dem Magnetfeld der Permanentmagneten 6.
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In den 3 und 4 ist in perspektivischer
Ansicht eine zweite Ausführungsform
eines Permanentmagneten 7 mit sich in axialer Richtung
des Elektromotors verändernder
Kontur der Segmentenden 71, 72 dargestellt. In
dieser Ausführungsform
ist die Außenkante 76 der
Segmentenden 71, 72 abgeschrägt und die Stirnseiten 73, 74 der
Segmentenden 71, 72 sind als V-förmiger Einschnitt
ausgebildet, so dass die Segmentenden 71. 72 eine
insgesamt konische Form ergeben. Die Oberfläche der Stirnseiten 73, 74 ist
eben ausgebildet, kann aber auch ein hiervon abweichendes Profil
aufweisen.
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Der an den in den 3 und 4 dargestellten Permanentmagneten 7 angrenzende
Permanentmagnet weist eine entsprechende Gegenkontur der Segmentenden
auf, d.h. eine V- oder pfeilförmige Auswölbung und
damit eine entsprechende Gegen-Konizität.
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Die in den 5 und 6 perspektivisch
dargestellte Ausführungsform
zeigt einen Permanentmagneten 8 mit wellenförmiger Kontur
der Segmentenden 81, 82. Zwischen den wellenförmigen Einschnitten 83, 84 (oder
alternativ Auswölbungen)
sowie zwischen den wellenförmigen
Einschnitten 83, 84 und den axialen Stirnseiten 80, 80' sind ebene
Abschnitte 85, 86, 87 vorgesehen. Die
Außenkante 89 der
Segmentenden 81, 82 ist ebenfalls abgeschrägt.
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Der diametral zu dem in den 5 und 6 dargestellten Permanentmagneten 8 angeordnete Permanentmagnet
weist eine entsprechende Gegenkontur der Segmentenden auf, d.h.
wellenförmige Auswölbungen
mit dazwischen bzw. zu den axialen Stirnseiten hin ausgebildeten
ebenen Abschnitten entsprechend dem ebenen Abschnitt 85, 86, 87 des in
den 5 und 6 dargestellten Permanentmagneten 8.
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Bei den in den 2 bis 6 dargestellten
Ausführungsbeispielen
der Ausgestaltung von Segmentenden von Permanentmagneten des Stators
eines Elektromotors handelt es sich um eine Auswahl zur Erläuterung
des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens ohne Anspruch auf
Vollständigkeit
der möglichen
Ausführungsformen
von sich verändernden
Konturen der Segmentenden. Die erfindungsgemäße Lösung umfasst jede sich über die
axiale Länge
der Permanentmagneten verändernde
Kontur der Segmentenden, die einen entsprechend weichen Übergang
beim Schnitt der Magnetfeldlinien von Anker und Stator gewährleistet
und bedarfsweise sich kontinuierlich oder periodisch verändernd ausgebildet
ist.