EP1459427A2 - Elektromotor und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Elektromotor und verfahren zu dessen herstellung

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Publication number
EP1459427A2
EP1459427A2 EP02787864A EP02787864A EP1459427A2 EP 1459427 A2 EP1459427 A2 EP 1459427A2 EP 02787864 A EP02787864 A EP 02787864A EP 02787864 A EP02787864 A EP 02787864A EP 1459427 A2 EP1459427 A2 EP 1459427A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electric motor
magnet
magnets
energy
length
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02787864A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günter KESTING
Andreas Möckel
Dieter Oesingmann
Ronald Schuder
Wilfried Wintzer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH filed Critical BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Publication of EP1459427A2 publication Critical patent/EP1459427A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
    • H02K23/04—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having permanent magnet excitation

Definitions

  • the present invention relates to an electric motor and method for its production.
  • Commutator motors with electrical excitation and permanent magnet excitation are predominantly manufactured in the power range from a few watts to 3,000 W.
  • the speed range of these motors is between 2,000 min "1 to 60,000 min " 1 .
  • Areas of application are, for example, low-voltage applications as power take-offs in vehicles and in battery-operated devices, as well as the large range of mains-connected household appliances, such as vacuum cleaners, washing machines, coffee grinders, kitchen machines, etc., and hand tools such as drilling and grinding machines.
  • a commutator motor consists of a stator, which carries the excitation system, and a rotor, which is manufactured as an external or internal rotor.
  • the permanent magnet excited motors largely occupy the speed range up to 10,000 min “1 and in some cases up to 20,000 “ 1 min, while the electrically excited motors have their main area of application in the upper speed range.
  • the permanent magnet excited motors are characterized by a significantly simplified structure and associated with lower manufacturing costs.
  • the motor cross section is primarily circular. It only deviates from a circular shape in some two-pole motors due to flattening in the pole gaps.
  • the often used term "flat motor” refers to this design.
  • the diameter and length of such permanent magnet excited motors largely depend on the application, with only one of the design of the magnetic circuit can both be specified.
  • the rotor design is characterized by the number of slots and commutators, which are chosen to be as small as possible to limit manufacturing costs.
  • the design of the magnets as pole segments, which are positioned directly at the air gap, guarantees the lowest scattering factor.
  • the component that can save the most weight is the stator yoke, which can represent the motor housing and assembly level at the same time. This results in yokes that are often too thin from a magnetic point of view, which are also desirable because the processing of thin sheets is associated with lower production costs.
  • the disadvantage, the limitation of the air gap flow, is accepted.
  • stator yokes of permanent magnet excited motors is characterized in an extreme way by the efforts to be able to produce the motors as inexpensively as possible. This is reflected in the manufacturing technologies of the stand yokes, such as:
  • the stand yokes are made of solid material for test samples or small series.
  • the machining or machining processes used for this purpose are usually replaced in series production by more cost-effective non-cutting shapes.
  • Cutting-bending processes are used for stand yokes that are required when using block magnets. They consist of two equal parts, each with one or two flat sections and a curved area.
  • Rolled yokes are used for both circular and flattened contours of the stands. They can be of any length in the axial direction and up to yoke thicknesses of 3 mm. Adjustments to different laminated core lengths are easily possible. Two bearing plates are necessary.
  • Drawn yokes which form pot shapes, compete with rolled ones. They have considerable cost advantages with small rotor diameters, for which only small sheet thicknesses are required, and with short sheet packs, because the deformation effort is then not so great. With the pot shape, it is easier to maintain higher degrees of protection that relate to the penetration of dirt and water than with other constructions. However, a special tool set must be provided for each motor length. The costs for this increase significantly with the length of the pot, so that the expenses must be well calculated.
  • the yokes deviating from the round shape as a housing for flat motors, can also be formed using the deep-drawing process.
  • the closed part of the pot serves to accommodate axial and radial bearings, so that a bearing plate is saved as a separate component.
  • the electrically excited motors are structurally characterized by the fact that the ferromagnetic parts of the stator and rotor are laminated cores that have a low axial magnetic conductivity and are therefore of the same length.
  • the winding heads take up a lot of space, whereby the magnetic properties of the stator yokes and the rotor laminated core are not considered further.
  • An electric motor according to the invention is therefore characterized in that it is a permanent magnet-excited electric motor which has a symmetrically constructed stator with pole gap excitation and in which low-energy high-energy magnets are provided for excitation.
  • the invention is essentially based on the following findings:
  • side-earth magnets are provided as high-energy magnets, in particular neodymium-iron-boron magnets.
  • high-energy magnets in particular neodymium-iron-boron magnets.
  • the replacement of ceramic magnets with neodymium-iron-boron magnets advantageously leads not only to a reduction in the magnet volume, but also to an increase in the air gap flow.
  • a magnetic volume of a high-energy magnet compared to ceramic magnets in a ratio of approximately 1:20.
  • a high-energy magnet of a machine according to the invention is made very thin compared to a ceramic magnet and in particular has a magnet height of only approximately 1 mm to approximately 4.5 mm.
  • a high-energy magnet is arranged at an angle deviating from a normal to the air gap.
  • the width of the motor can be reduced, in particular in the case of magnets that have approximately the length of the rotor radius, by not arranging them vertically but at an acute angle to the air gap.
  • the magnets can be rotated in both pole gaps in the same way or in the opposite direction. This results in several options for adapting a respective outer shape of the motor for the structural integration of a motor according to the invention in one device.
  • a follow-up cutting tool can preferably be used, which punch-packs the stator and armature plate assembly to build up a symmetrical motor that is permanently magnetized by high-energy magnets performs.
  • At least two parts of a stator with at least two or another even number of high-energy magnets are connected to one another by gluing and / or enveloping to form a one-piece stator.
  • An electric motor according to the invention thus enables the use of permanent magnet excited machines with high energy magnets in the entire speed and power range mentioned at the outset according to a uniform basic concept with a new large number of relatively freely adjustable geometric parameters.
  • FIG. 1 a sketched representation of a known asymmetrical permanent-magnet excited electric motor with a five-groove armature
  • Figure 2 is a schematic view of the cross section of an electric motor according to the invention
  • Figure 3 a typical cross section of a two-pole, permanent magnet excited motor
  • Figure 4 shows a longitudinal section of the permanent magnet excited motor of Figure 3;
  • Figure 5 is a diagram showing the reduction of the air gap flow as a function of the overhang factor
  • FIG. 1 shows a sketched representation of a known asymmetrical permanently magnetically excited electric motor 1 with a five-groove engine Armature 2 as an example of a stator 4 of a motor 1 equipped with a high-energy magnet 3, which is used as a drive in a model train.
  • the technologically simple horseshoe shape of the stand 4 with distinguishable yoke and pole areas 5, 6 from FIG. 1 can be replaced by a symmetrical arrangement without increasing the magnet weight and the motor width B, as shown in the illustration in FIG. 2 in a sketched form.
  • the pole and yoke regions 5, 6 can hardly be separated, so that the magnetically active part of the stator 4 consists of the poles or pole elements and the magnets 3.
  • the manufacturing processes of the stator poles are influenced by the application and the motor dimensions. The number of design options is relatively large and allows the use of different materials and manufacturing processes.
  • the typical cross section of a permanent magnet excited commutator motor is characterized by the grooved rotor, the magnet, which is located directly at the air gap as a shell magnet, and the yoke as an annular magnetic yoke, which also forms the housing, as shown in the illustration in Figure 3.
  • This basic form can also be assumed for further considerations of exemplary embodiments of the invention.
  • the longitudinal section of the motor of FIG. 3 is shown in FIG. 4. Measures for achieving the greatest possible utilization of the rotor volume are disclosed, the dimensions which limit the power being recognizable at the same time.
  • the rotor lamination stack l Fe has the smallest axial extent of the magnetically active parts. In order to make the flow through the rotor as large as possible, the permanent magnet is extended beyond the length of the laminated core, the ratio of the magnet length l M and the laminated core length l Fe in the range of from executed motors
  • the axial length of the stator yoke is chosen to be greater than that of the permanent magnet. In the case of short motors in particular, this measure has a positive effect on the magnetic voltage drops in the stator.
  • the simple and partly screwless mounting of the end shields on the stator yoke is a constructive aspect to extend the stator yokes beyond the winding heads and the brush holder.
  • the magnetic flux is determined by the magnetic quality and the rotor surface. Due to the extension of the magnets beyond the rotor laminated core, the flow through the brush plane can only be increased to a limited extent because the path of the field lines through the air is becoming ever greater. Guide values for this can be found in the experimentally determined diagram in FIG. 5.
  • the relative reduction in the air gap flow ⁇ / ⁇ is shown as a function of the overhang factor l Fe / l M.
  • a ratio of anchor diameter D A to a respective anchor or iron length l FE is specified as a parameter.
  • the stator yoke is extended on one side to beyond the commutator area, while on the other side the yoke extends beyond the package length only by the length of the winding head.
  • the space in the axial extension of the magnets is unused on both sides, which is indicated in the illustration in FIG. 4 by the two brackets marked with U.
  • the magnetic flux limited by the design of the motor due to several causes means that a small cross section of the rotor yoke is sufficient without reaching the saturation range. Therefore, there is a lot of winding space available in the slots of the rotor, which cannot be fully used due to thermal reasons or because of the limitation of the permissible counter fields due to the risk of demagnetization of the pole segments.
  • the flux is also conducted from the overhang areas through ferromagnetic sections of the pole elements to the air gap.
  • experimental and three-dimensional field calculations are used to determine optimal overhang factors and shapes of the pole elements.
  • the axial length of the magnet can be chosen as long as the stator yoke. This enables optimal use of space with comparatively low overhang factors and very small external dimensions.
  • the pole gap magnets are located in a magnetic circuit in which there is an air gap of twice the air gap length 2 ⁇ > 1 mm.
  • installation tolerances and thickness tolerances of the magnets can be taken into account, which have only a minor effect on the operating point on the demagnetization characteristic. This makes it possible to manufacture high-energy magnets with regard to surface quality and magnet thickness, which, in contrast to ceramic magnets, do not require the surfaces to be ground. Because the largest areas of the magnets through the If the pole elements are covered and possibly sealed with an adhesive, the corrosion protection provided by the magnet manufacturer may also be less expensive.
  • a further direction of optimization for the motor dimensions is given by the fact that only demagnetizing counter-flows occur which are caused by the twisting of the brush bridges. Since these values are low, magnetic materials with high remanence but low coercive force can be used. Even large inrush currents do not demagnetize the magnets.
  • pole gap magnet A major advantage of the pole gap magnet is that the air gap flow is not determined solely by the magnetic surface above the rotor, but a flux concentration is possible through axial or radial extension of the magnets.
  • the motor width can be reduced, in particular in the case of magnets which have approximately the length of the rotor radius, by not arranging them perpendicularly but also at an acute angle ⁇ to the air gap, see the illustration sequence in FIGS. 6a to 6c.
  • the magnets can be rotated in both pole gaps in the same way or in the opposite direction, i.e. mirror or point symmetry. This opens up several options for constructively integrating the motor into a device.
  • the overall result is a motor with the specific dimensions of the stator 4 according to the information in FIG. 6d.
  • the outer dimension has been reduced from an electro-magnetically equivalent version according to FIG.
  • the ßt section 4 shown is in one embodiment composed of at least two ferromagic molded parts, which are connected with at least two high-energy magnets 3 to form an overall very compact stand with simple manufacture by gluing and / or enveloping with a housing.
  • FIGS. 6a to 6d The advantages of the selected design of an engine 1 according to the invention are illustrated once again by the sectional view in FIGS. 6a to 6d: a powerful and very compact engine results, the external dimensions of which relate to an overall design or other conditions and restrictions in an available space can be adapted within a device.
  • the positioning of rare earth magnets on both sides to build up the air gap field in a symmetrical stator arrangement is associated with advantages, which are summarized below:
  • an electric motor according to the invention can be reduced either in the pole gap axis or in the axial length. Due to the small magnet thickness of the high-energy magnets, the pole arc is enlarged so that it almost matches the entire pole pitch. Pole-sensing torques are reduced because the cogging torques can be reduced more effectively compared to the prior art by means of smaller slot bevels.
  • the rhombic outer shape of high-energy magnets represents a much simpler magnet shape compared to the pole segments of ceramic magnets.
  • a brush bridge twist made to improve commutation can be significantly reduced due to the smaller pole gap.
  • stator yokes of any length while increasing the flux concentration in the polar arch.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Dc Machiner (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor und Verfahren zu dessen Herstellung. Um einen Elektromotor unter Verbesserung seiner elektrischen, magnetischen und mechanischen Eigenschaften und insbesondere des Masse-Leistungs-Verhältnisses weiterzubilden und ein wirtschaftliches Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen wird vorgeschlagen, dass der Elektromotor als dauermagneterregter Elektromotor (1) ausgebildet ist, der einen symmetrisch aufgebauten Ständer (4) mit Pollückenerregung aufweist, in dem zur Erregung Hochenergiemagnete (3) geringer Höhe hM vorgesehen sind.

Description

Elektromotor und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor und Verfahren zu dessen Herstellung.
Kommutatormotoren mit elektrischer Erregung und mit Dauermagneterregung werden in der überwiegenden Stückzahl im Leistungsbereich von wenigen Watt bis 3 000 W gefertigt. Der Drehzahlbereich dieser Motoren liegt zwischen 2 000 min"1 bis 60 000 min"1. Einsatzbereiche sind beispielsweise Niederspannungsanwendungen als Nebenantriebe in Fahrzeigen und in batteriebetriebenen Geräten sowie die große Palette der netzgebundenen Haushaltgeräte, beispielsweise Staubsauger, Waschmaschinen, Kaffeemühlen, Küchenmaschinen, etc., und Handwerkzeuge, wie z.B. Bohr- und Schleifmaschinen.
Ein Kommutatormotor besteht aus einem Ständer, der das Erregersystem trägt, und ei- nem Läufer, der als Außen- oder Innenläufer gefertigt ist. Die dauermagneterregten Motoren besetzen weitgehend den Drehzahlbereich bis 10 000 min"1 und in einigen Fällen bis 20 000 "1min, während die elektrisch erregten Motoren ihr Hauptanwendungsgebiet im oberen Drehzahlbereich haben.
Gegenüber den elektrisch erregten Motoren zeichnen sich die dauermagneterregten Motoren durch einen deutlich vereinfachten Aufbau und damit verbunden durch geringere Fertigungskosten aus. Zudem treten in den Ständerwicklungen elektrisch erregter Motoren stets Verluste auf, die bei dauermagneterregten Motoren prinzipbedingt nicht auftreten können, so dass dauermagneterregte Motoren einen verbesserten Wirkungsgrad aufwei- sen.
Die Fertigung der meisten dauermagneterregten Motoren erfolgt zur Zeit mit anisotropen Keramikmagneten. Der Motorquerschnitt ist vorrangig kreisförmig. Er weicht nur bei einigen zweipoligen Motoren aufgrund von Abflachungen in den Pollücken von einer Kreis- form ab. Auf diese Bauform bezieht sich die oft verwendete Bezeichnung "Flachmotor". Durchmesser und Länge derartiger dauermagneterregter Motoren hängen weitgehend vom Anwendungsfall ab, wobei für die Auslegung des magnetischen Kreises nur eine der beiden genannten Größen vorgegeben werden kann. Die Läufergestaltung ist geprägt von den Nut- und Kommutatorstegzahlen, die zur Begrenzung der Fertigungskosten möglichst klein gewählt werden.
Die Auslegung der Motoren richtet sich in erster Linie nach den magnetischen Verhältnis- sen und den davon abgeleiteten materialökonomischen Daten. Bei den Optimierungsbe- mühungen ist zu beachten, dass einige Abmessungen keine Optimierungsparameter sind. Dazu gehören u.a.:
• minimale Luftspaltlänge von δ « 0,5 mm • kleinste Magnethöhe von ca. 1 mm bis ca. 4,5 mm
• Einsatz von Polsegmenten mit einem Polbogen von maximal αP =145°
Die Ausführung der Magnete als Polsegmente, die unmittelbar am Luftspalt positioniert sind, garantiert den geringsten Streufaktor. Das Bauteil, an dem am meisten Gewicht ge- spart werden kann, ist das Ständerjoch, das gleichzeitig Motorgehäuse und Montageebene darstellen kann. Daraus resultieren die aus magnetischer Sicht häufig zu dünnen Joche, die auch deshalb erstrebenswert sind, weil die Verarbeitung dünner Bleche mit geringeren Fertigungskosten verbunden ist. Der Nachteil, die Begrenzung des Luftspaltflus- ses, wird dabei in Kauf genommen.
Die Gestaltung der Ständerjoche dauermagneterregter Motoren ist in extremer Weise gekennzeichnet durch die Bestrebungen, die Motoren möglichst kostengünstig produzieren zu können. Ausdruck dafür sind die Fertigungstechnologien der Ständerjoche, wie z.B.:
• Spangebende Herstellung
• Schneid-Biege-Verfahren
• Rollen
• Tiefziehen.
Für diese Verfahren dienen einteilige Halbzeuge als Ausgangsmaterial, die verformt und gestaltet werden und als Ständerjoch einteilig bleiben. Aufgrund der Beschaffenheit der Ständerjoche übernehmen sie gleichzeitig die Funktionen von Motorgehäusen. Ermöglicht werden diese Lösungen nicht nur deshalb, weil im Ständer nur konstante Flüsse und keine Wirbelströme auftreten, so dass auch im massiven Eisen keine Verluste auftreten, sondern weil die Läuferdurchmesser so klein sind, dass für die Flüsse der bisher verwendeten Magnete Jochstärken von bis zu b S = 3 mm genügen. Diese Materialstärken sind mit den vorstehend angeführten Metallbearbeitungsverfahren beherrschbar.
Für Versuchsmuster oder Kleinserien werden die Ständerjoche aus Vollmaterial hergestellt. Die dafür eingesetzten spanabhebenden bzw. spangebenden Bearbeitungsverfahren werden üblicherweise in der Serienfertigung durch kostengünstigere spanlose Form- gebungen ersetzt.
Schneid-Biege-Verfahren werden für Ständerjoche angewandt, die beim Einsatz von Blockmagneten erforderlich sind. Sie bestehen aus zwei gleichen Teilen, die jeweils einen oder zwei flache Abschnitte und einen gekrümmten Bereich aufweisen.
Gerollte Joche werden sowohl für kreisförmige als auch für abgeflachte Konturen der Ständer eingesetzt. Sie können in axialer Richtung beliebig lang und bis zu Jochstärken von 3 mm ausgeführt werden. Anpassungen an unterschiedliche Blechpaketlängen sind leicht möglich. Notwendig sind zwei Lagerschilder.
In Konkurrenz zu gerollten stehen gezogene Joche, die Topfformen bilden. Sie besitzen erhebliche Kostenvorteile bei kleinen Läuferdurchmessern, für die nur geringe Blechstärken erforderlich sind, und bei kurzen Blechpaketen, weil dann der Verformungsaufwand nicht so groß ist. Mit der Topfform ist die Einhaltung höherer Schutzgrade, die sich auf das Eindringen von Schmutz und Wasser beziehen, leichter als bei anderen Konstruktionen möglich. Allerdings ist für jede Motorlänge ein spezieller Werkzeugsatz bereitzustellen. Die Kosten dafür steigen mit der Topflänge erheblich an, so dass die Aufwendungen gut kalkuliert werden müssen. Die Ausbildung der Joche, abweichend von der runden Form als Gehäuse für Flachmotoren, ist im Tiefziehverfahren ebenfalls möglich. Der ge- schlossene Teil des Topfes dient zur Aufnahme von Axial- und Radiallagern, so dass ein Lagerschild als separates Bauteil eingespart wird. Die elektrisch erregten Motoren sind konstruktiv dadurch charakterisiert, dass die ferro- magnetisch aktiven Teile von Ständer und Läufer Blechpakete sind, die eine geringe axiale magnetische Leitfähigkeit aufweisen und deshalb gleich lang ausgeführt werden. Die Wicklungsköpfe nehmen viel Raum ein, wobei die magnetischen Eigenschaften der Ständerjoche und des Läuferblechpakets nicht weiter betrachtet werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor unter Verbesserung seiner elektrischen, magnetischen, konstruktiven und mechanischen Eigenschaften und insbesondere des Masse-Leistungs-Verhältnisses weiterzubilden und ein wirtschaftliches Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, wobei der Einsatzbereich der dauermagneter- regten Motoren erweitert werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Elektromotor mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Elektromotor zeichnet sich demnach dadurch aus, dass er als dauermagneterregter Elektromotor, der einen symmetrisch aufgebauten Ständer mit Pollückenerregung aufweist, in dem zur Erregung Hochenergiemagnete geringer Höhe vorgesehen sind. Dabei liegen der Erfindung im wesentlichen folgende Erkenntnisse zugrun- de:
Geringe Jochstärken des Ständers, auf die auch die Abmessungen des Läufers abgestimmt sind, bilden in Motoren nach dem Stand der Technik vielfach die Ursache dafür, dass der Ersatz keramischer Magnete durch Hochenergiemagnete ohne die prinzipielle Konstruktion zu ändern nicht zu nennenswerten Leistungserhöhungen führt. So werden höhere Magnetmaterialkosten für Hochenergiemagnete nicht durch niedrigere Masse- Leistungs-Verhältnisse ausreichend kompensiert. Ein symmetrischer Aufbau mit Pollückenmagnete gering vereinfacht zudem die Fertigung derartiger Motoren und besitzt die kleinste geometrische Ausdehnung in der Polachse.
Als Hochenergiemagneten sind in einer Ausführungsform der Erfindung Seiten-Erden- Magnete vorgesehen, insbesondere Neodym-Eisen-Bor-Magnete. Der Ersatz keramischer Magnete durch Neodym-Eisen-Bor-Magnete führt vorteilhafterweise nicht nur zur Verkleinerung des Magnetvolumens, sondern auch zur Vergrößerung des Luftspaltflusses. Damit steht ein Magnetvolumen eines Hochenergiemagnetes im Vergleich zu Keramikmagneten in einem Verhältnis von ungefähr 1 :20.
Die vorgesehenen Formen der Hochenergiemagnete, Rhombus oder quaderförmig, sind wesentlich einfacher in der Herstellung als Pol-Halbschalen. Zudem ist ein Hochenergie- magnet einer erfindungsgemäßen Maschine im Vergleich zu einem Keramikmagneten sehr dünn ausgebildet und weist insbesondere eine Magnethöhe von nur ca. 1 mm bis ca. 4,5 mm auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Hochenergiemagnet in einem Winkel abwei- chend von einer Normalen zu dem Luftspalt angeordnet. Die Motorbreite lässt sich insbesondere bei Magneten, die etwa die Länge des Läuferradius haben, verringern, indem sie nicht senkrecht, sondern im spitzen Winkel zum Luftspalt angeordnet werden. Die Verdrehung der Magnete kann in beiden Pollücken in gleicher weise oder in entgegengesetzter Richtung erfolgen. Dadurch ergeben sich mehrere Möglichkeiten einer Anpassung einer jeweiligen Motor-Außenform zur konstruktiven Integration eines erfindungsgemäßen Motors in einem Gerät.
Die beidseitige Positionierung von Selten-Erden-Magneten zum Aufbau des Luftspaltfeldes in einer erfindungsgemäßen zweipoligen Maschine ist nach einem oder mehreren der vorstehend genannten Merkmale damit u.a. mit folgenden Vorteilen verbunden:
• Im Vergleich zu unsymmetrischen Motoren erfolgt die Aufhebung des einseitigen radialen Zugs mit Verbesserung der Bedingungen für eine Lagerung sowie Senkung der Geräuschentwicklung; • Verkürzung der Erregerfeldlinien und damit Senkung des magnetischen Spannungsabfalls im Ständerjoch.
• Reduzierung der Abmessungen in der Polachse oder der axialen Länge;
• Vergrößerung des Polbogens wegen der geringen Magnetdicke bzw. Höhe, die auf eine Stärke von bis zu ca. hM« 1mm verringert werden kann. • Absenkung der Polfühlungsdrehmomente, weil die Rastmomente gegenüber dem
Stand der Technik durch geringere Nutschrägungen effektiver reduziert werden können; • Einfache Magnetform im Vergleich zu den Polsegmenten keramischer Magnete
• Verkleinerung der Bürstenbrückenverdrehung aufgrund der kleineren Pollücke;
• Realisierung axial beliebig langer Ständerjoche bei Verbesserung der Flusskonzentration im Polbogen;
• Verlängerung der Magnete in radialer und axialer Richtung ermöglicht eine Fluss- Verstärkung und Flusskonzentration;
• Die Auslegung von Flachmotoren setzt bei diesen Motoren nicht wie bei derzeitigen Ausführungen die Reduzierung des Polbogens voraus.
• Das kleinste Außenmaß befindet sich in der Polmitte.
Sind die axialen Ausdehnungen von Ständer und Läufer gleich, dann kann zur effektiven Herstellung eines derartigen Elektromotors unter Verwirklichung eines oder mehrerer der vorstehend genannten Merkmale vorzugsweise ein Folgeschnittwerkzeug verwendet werden, das eine Stanzpaketierung von Ständer- und Ankerblechpaket zum Aufbau eines symmetrischen und durch Hochenergiemagnete dauermagneterregten Motors durchführt.
Vorzugsweise werden mindestens zwei Teile eines Ständers mit mindestens zwei oder einer sonstigen geradzahligen Anzahl von Hochenergiemagneten zur Ausbildung eines einstückigen Ständers miteinander durch Verkleben und/oder Umhüllen mit einem Gehäuse verbunden.
Ein erfindungsgemäßer Elektromotor ermöglicht mithin den Einsatz dauermagneterregter Maschinen mit Hochenergiemagneten in dem gesamten eingangs genannten Drehzahl- und Leistungsbereich nach einem einheitlichen Grundkonzept bei einer neuen Vielzahl relativ frei einstellbarer geometrischer Parameter.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung unter Darstellung des Standes der Technik näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 : eine skizzierte Darstellung eines bekannten unsymmetrischen dauermagen- terregten Elektromotors mit fünfnutigem Anker; Figur 2: eine schematische Ansicht des Querschnitts eines erfindungsgemäßen Elektromotors;
Figur 3: einen typischen Querschnitt eines zweipoligen, dauermagneterregten Motors;
Figur 4: einen Längsschnitt des dauermagneterregten Motors von Figur 3;
Figur 5: ein Diagramm zur Darstellung der Reduzierung des Luftspaltflusses als Funktion des Überhangfaktors und
Figuren 6a bis 6d:
Skizzen zur Darstellung von Möglichkeiten zur Formgebung der Außenkontur eines erfindungsgemäßen Ständers mit Pollückenmagneten mit einer bemaßten Ausführungsform.
Aus dem Stand der Technik läßt sich eine Entwicklungsreihe bei Motoren mit Pollückenerregung ableiten, in der ein Hufeisenmagnet erst durch eine elektrische Erregerspule und schließlich mit der Entwicklung anisotroper keramischer Magnete durch Blockmagnete ersetzt wurde. In dieser Abfolge sanken die Fertigungskosten, Verluste und Baugrößen stetig ab, wobei in der letzten Stufe der aufgezeigten Entwicklung wegen fehlender Drahtbrüche im Ständer auch die Ausfallquoten deutlich abnahmen. Beim Ersatz der Schneid- Biege-Teile durch Blechpakete, die stanzpaketiert und montagefreundlich hergestellt werden können, ergaben sich deutliche Fertigungsvorteile, wobei der Ersatz keramischer Magnete durch Hochenergiemagnete beispielsweise auf einer Neodym-Eisen-Bor-Basis nicht nur zur Verkleinerung des Magnetvolumens, sondern auch zur Vergrößerung des Luftspaltflusses führt. Insgesamt führt aber ein einfacher Austausch keramischer Magnete durch Hochenergiemagnete in bekannten Elektromotoren ohne prinzipielle konstruktive Änderungen nicht zu nennenswerten Leistungserhöhungen, so dass die höheren Magnetmaterialkosten nicht durch niedrigere Masse-Leistungs-Verhältnisse ausreichend kom- pensiert werden. Der Einsatz von Hochenergiemagneten bleibt damit auf relativ wenige Einsatzfelder beschränkt. Die Abbildung von Figur 1 zeigt eine skizzierte Darstellung eines bekannten unsymmetrischen dauermagenterregten Elektromotors 1 mit fünfnutigem Anker 2 als ein Beispiel eines mit einem Hochenergiemagneten 3 ausgerüsteten Ständers 4 eines Motors 1 , der als Antrieb in einer Modelleisenbahn eingesetzt wird.
Bei der Auslegung nahezu aller dauermagneterregten Motoren werden die magnetischen Eigenschaften der Ständerjoche und des Läuferblechpakets zu wenig oder gar nicht dis- kutiert. Eine grundlegende Erkenntnis als Ausgangspunkt für einen erfindungsgemäßen Elektromotor ist aber, dass die geringen Jochstärken des Ständers, auf die auch die Abmessungen des Läufers abgestimmt sind, in Motoren nach dem Stand der Technik vielfach die Ursache dafür bilden, dass der Ersatz keramischer Magnete durch Hochenergiemagnete nicht zu nennenswerten Leistungserhöhungen in derartigen Motoren führt. Daher werden mit Hochenergiemagneten ausgerüstete Motoren derzeit vor allem auf Anwendungen beschränkt eingesetzt, in denen es auf einen sehr geringen Platzbedarf ankommt, wie bei dem Motor nach Figur 1 in einer Modelleisenbahnlokomotive. Die Minderung des Platzbedarfs derartiger Motoren ist dabei allein auf ein wesentlich geringeres Volumen-Fluß-Verhältnis der Hochenergiemagneten gegenüber keramischen Dauermag- neten zurückzuführen.
Die technologisch einfache Hufeisenform des Ständers 4 mit unterscheidbaren Joch- und Polbereichen 5, 6 von Figur 1 lässt sich ohne Erhöhung des Magnetgewichts und der Motorbreite B durch eine symmetrische Anordnung ersetzen, wie in der Abbildung von Figur 2 in skizzierter Form dargestellt. Bei Motoren der dargestellten Art mit Pollückenmagneten lassen sich die Pol- und Jochbereiche 5, 6 nahezu nicht trennen, so dass der magnetisch aktive Teil des Ständers 4 aus den Polen bzw. Polelementen und den Magneten 3 besteht. Die Fertigungsverfahren der Ständerpole werden beeinflusst vom Anwendungsfall und von den Motorabmessungen. Die Zahl der Gestaltungsmöglichkeiten ist relativ groß und gestattet den Einsatz unterschiedlicher Materialien und Fertigungsverfahren.
Der typische Querschnitt eines dauermagneterregten Kommutatormotors ist gekennzeichnet durch den genuteten Läufer, den Magneten, der sich als Schalenmagnet unmittelbar am Luftspalt befindet, und das Joch als kreisringförmigen magnetischen Rück- schluss, der gleichzeitig das Gehäuse bildet, wie in der Abbildung von Figur 3 dargestellt. Von dieser prinzipiellen Form kann auch für die weiteren Betrachtungen von Ausführungsbeispiele der Erfindung ausgegangen werden. Den Längsschnitt des Motors von Figur 3 zeigt die Darstellung von, Figur 4. Hier sind Maßnahmen zum Erreichen einer möglichst große Ausnutzung des Läufervolumens offenbart, wobei gleichzeitig die Abmessungen zu erkennen sind, die die Leistung begrenzen. Die geringste axiale Ausdehnung der magnetisch aktiven Teile besitzt das Läuferblechpaket lFe. Um den Fluss durch den Läufer möglichst groß zu machen, wird der Dau- ermagnet über die Blechpaketlänge hinaus verlängert, wobei in ausgeführten Motoren das Verhältnis von Magnetlänge lM und Blechpaketlänge lFe im Bereich von
^- w l,2-/-l,8 l lFe liegt. Der magnetische Rückschluss aus massivem Stahl, der konstruktiv das Gehäuse darstellt, kann den magnetischen Fluss dreidimensional führen. Aus diesem Grund lässt sich der notwendige Querschnitt durch eine große axiale Länge l S und kleine radiale
Ausdehnung bJS realisieren. Dies begünstigte einfache und hochproduktive Fertigungsverfahren, deren Grenze aber etwa bei bJS = 3 mm dicken Jochen erreicht ist.
Zur Reduzierung der Flussdichte im Ständerjoch wird die axiale Länge des Ständerjochs größer als die des Dauermagneten gewählt. Insbesondere bei kurzen Motoren wirkt sich diese Maßnahme positiv auf die magnetischen Spannungsabfälle im Ständer aus. Die einfache und zum Teil schraubenlose Befestigung der Lagerschilder am Ständerjoch ist ein konstruktiver Gesichtspunkt, die Ständerjoche über die Wicklungsköpfe und die Bürstenhalter hinaus zu verlängern. Der magnetische Fluss wird bestimmt von der Magnetqua- lität und der Läuferoberfläche. Durch die aufgrund der Verlängerung der Magnete über das Läuferblechpaket hinaus entstehenden Randfelder lässt sich der Fluss durch die Bürstenebene nur in begrenztem Maße vergrößern, weil der Weg der Feldlinien durch die Luft immer größer wird. Richtwerte dafür lassen sich aus dem experimentell ermittelten Diagramm von Figur 5 entnehmen. Dargestellt ist die relative Reduzierung des Luftspalt- flusses ΔΦ/Φ als Funktion des Überhangfaktors lFe/lM. Als Parameter ist ein Verhältnis von Ankerdurchmesser DA zu einer jeweiligen Anker- bzw. Eisenlänge lFE angegeben.
Der Ständerrückschluss wird auf einer Seite bis über den Kommutatorbereich ausgedehnt, während auf der anderen Seite das Joch die Paketlänge nur um die Wicklungskopflänge überragt. Der Raum in der axialen Verlängerung der Magnete ist an beiden Seiten ungenutzt, was in der Abbildung von Figur 4 durch die beiden mit U gekennzeichneten Klammern angedeutet ist. Der durch die Konstruktion des Motors aufgrund mehrerer Ursachen begrenzte magnetische Fluss hat zur Folge, dass ein kleiner Querschnitt des Läuferjochs genügt, ohne in den Sättigungsbereich zu kommen. Deshalb steht in den Nuten des Läufers viel Wickelraum zur Verfügung, der aus thermischen Gründen oder wegen der Begrenzung der zu- lässigen Gegenfelder wegen der Entmagnetisierungsgefahr der Polsegmente nicht vollständig genutzt werden kann.
Der Motordurchmesser zweipoliger Motoren wird begrenzt durch die zur Zeit eingesetzten kostengünstigen Technologien der Ständerjoche. Eine Leistungssteigerung erfolgt haupt- sächlich durch die Verlängerung der axialen Ausdehnung des gesamten Motors. Die Erhöhung des magnetischen Flusses durch Polsegmente aus hochenergetischem Material ohne die prinzipielle Konstruktion zu ändern, ist im begrenzten Rahmen möglich, scheitert aber derzeit noch an den Kosten. Es darf nicht übersehen werden, dass die Fertigungskosten der Polsegmente mit ihrer Größe überproportional steigen und die Maßhaltigkeit bei der Herstellung derartiger dauermagnetischer Keramiken immer problematischer wird. Hier stellen Ausführungen mit Pollückenmagneten insbesondere in Ausführungsformen nach Figur 2 eine Alternative zu den bekannten Motoren mit Polmagneten dar.
Bei Ausführungsformen der Motoren mit Pollückenmagneten wird der Fluss auch von den Überhanggebieten durch ferromag netische Abschnitte der Polelemente bis zum Luftspalt geführt. Hierzu werden experimentelle und dreidimensionale Feldberechnungen herangezogen, um optimale Überhangfaktoren und Formen der Polelemente zu ermitteln. Die axiale Länge des Magneten kann so lang wie das Ständerjoch gewählt werden. Dadurch ist eine optimale Raumausnutzung mit vergleichsweise geringen Überhangfaktoren und sehr geringen Außenabmessungen möglich.
Die Pollückenmagnete befinden sich in einem Magnetkreis, in dem eine Luftstrecke von der doppelten Luftspaltlänge 2 δ > 1 mm existiert. Bei der Auslegung der Motoren und bei der Fertigung lassen sich Einbautoleranzen und Dickentoleranzen der Magnete berück- sichtigen, die sich nur geringfügig auf den Arbeitspunkt auf der Entmagnetisierungskenn- linie auswirken. Dadurch sind Fertigungsmaße der Hochenergiemagnete bezüglich der Oberflächengüte und der Magnetdicke möglich, die im Gegensatz zu Keramikmagneten ein Schleifen der Flächen nicht erfordern. Da die größten Flächen der Magnete durch die Polelemente abgedeckt und eventuell mit einem Kleber versiegelt werden, ist gegebenenfalls auch der Korrosionsschutz durch den Magnethersteller nicht so aufwendig.
Eine weitere Optimierungsrichtung bei den Motorabmessungen ist dadurch gegeben, dass nur entmagnetisierende Gegendurchflutungen auftreten, die durch die Bürstenbrü- ckenverdrehung bedingt sind. Da diese Werte gering sind, lassen sich Magnetmaterialien mit hoher Remanenz aber geringer Koerzitivfeldstärke einsetzen. Selbst große Einschaltströmen bewirken keine Entmagnetisierung der Magnete.
Ein wesentlicher Vorteil der Pollückenmagnet besteht darin, dass der Luftspaltfluss nicht allein von der Magnetfläche über dem Läufer bestimmt wird, sondern eine Flusskonzentration durch axiale oder radiale Verlängerung der Magnete möglich ist.
Die Motorbreite lässt sich insbesondere bei Magneten, die etwa die Länge des Läuferradius haben, verringern, indem sie nicht senkrecht sondern auch in einem spitzen Winkel ß zum Luftspalt angeordnet werden, siehe die Abbildungsfolge der Figuren 6a bis 6c. Die Verdrehung der Magnete kann in beiden Pollücken in gleicherweise oder in entgegengesetzter Richtung erfolgen, also Spiegel- oder punktsymmetrisch. Dadurch ergeben sich mehrere Möglichkeiten einer konstruktiven Integration des Motors in ein Gerät. Es ergibt sich so insgesamt ein Motor mit den konkreten Abmessungen des Ständers 4 gemäß den Angaben von Figur 6d. Die Außenabmessung ist gegenüber einer elektro-magnetisch gleichwertigen Version nach Figur 6a von 85 mm durch Schrägstellung der Magneten 3 um ß = 45° bei gleichbleibenden Magnetabmessungen um ein Maß 2Δ auf nur noch 76 mm abgesenkt worden. Der dargestellte ßtänder 4 wird in einer Ausführungsform aus mindestens zwei ferromag netischen Formteilen zusammengesetzt, die mit mindestens zwei Hochenergiemagneten 3 zur Ausbildung eines insgesamt sehr kompakten Ständers bei einfacher Fertigung miteinander durch Verkleben und/oder Umhüllen mit einem Gehäuse verbunden werden.
Durch die Schnittansicht der Figuren 6a bis 6d werden die Vorteile der gewählten Ausbil- düng eines erfindungsgemäßen Motors 1 nochmals verdeutlicht: Es ergibt sich ein leistungsstarker und sehr kompakter Motor, dessen äußeren Abmaße an ein Gesamtdesign oder sonstigen Bedingungen und Einschränkungen in einem zur Verfügung stehenden Raum innerhalb eines Gerätes angepaßt werden kann. Die beidseitige Positionierung von Selten-Erden-Magneten zum Aufbau des Luftspaltfeldes in einer symmetrischen Ständeranordnung ist mit Vorteilen verbunden, auf die nachfolgend zusammengefaßt werden:
Durch die Symmetrierung der Anordnung im Ständerbereich erfolgt gegenüber unsymmetrischen Ständern eine Aufhebung des einseitigen radialen Zugs auf den Anker. Das bewirkt eine Verbesserung der Bedingungen für eine Lagerung das Ankers sowie die Senkung der Geräuschentwicklung im Betrieb. Durch die Anordnung zweier Magneten zur Pollückenerregung werden die Erregerfeldli- nien verkürzt, was zu einer Senkung des magnetischen Spannungsabfalls führt.
Eine Reduzierung der Abmessungen eines erfindungsgemäßen Elektromotors kann wahlweise in der Pollückenachse oder der axialen Länge erfolgen. Aufgrund der geringen Magnetdicke der Hochenergiemagnete wird der Polbogen Vergrößert, so dass er nahezu mit der gesamte Polteilung übereinstimmt. Polfühlungsdrehmomente werden abgesenkt, weil die Rastmomente gegenüber dem Stand der Technik durch geringere Nutschrägungen effektiver reduziert werden können. Die rhombische Außenform von Hochenergiemagnete stellt im Vergleich zu den Polsegmenten keramischer Magnete eine wesentlich einfachere Magnetform dar. Eine zur Verbesserung der Kommutierung vorgenommene Bürstenbrückenverdrehung kann aufgrund der kleineren Pollücke deutlich verkleinert werden.
Erfindungsgemäß ist eine Realisierung beliebig langer Ständerjoche bei Erhöhung der Flusskonzentration im Polbogen möglich.
Eine Verlängerung der Magnete in radialer und/oder axialer Richtung ermöglicht eine Flussverstärkung oder Flusskonzentration in nahezu freier Wahl. Schließlich setzt die Auslegung von Flachmotoren bei diesen Motoren nicht wie bei derzeitigen Ausführungen die Reduzierung des Polbogens voraus. Bezugszeichenliste
1 Motor
2 Anker
3 Magnet
4 Ständer
5 Joch
6 Pol
7 Welle
8
B Motorbereite / Außendurchmesser des Motors bω Magnetbreite hwi Magnethöhe
IM axiale Magnetlänge αP Polbogen ß Neigungswinkel des Magneten 3 gegenüber der Normalen
Δ Differenzmaß δ Luftspalt / Luftspaltlänge
DA Ankerdurchmesser / Läuferdurchmesser
Dw Wellendurchmesser
IFΘ Blechpaketlänge / Eisenlänge des Ankers 2
IJS Länge des Ständerjochs
U ungenutzte Länge

Claims

Patentansprüche
1. Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor als dauermagneterregter Elektromotor (1) ausgebildet ist, der einen symmetrisch aufgebauten Ständer (4) mit Pollückenerregung aufweist, in dem als Magnete Hochenergiemagnete (3) geringer Höhe (hM) vorgesehen sind.
2. Elektromotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Hochenergiemagnet (3) ein Selten-Erden-Magnet vorgesehen ist, insbesondere ein Neodym-Eisen-Bor-Magnet.
3. Elektromotor nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochenergiemagnet (3) als Rhombus oder quaderförmig ausgeführt ist.
4. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochenergiemagnet (3) in einer erfindungsgemäßen Maschine im Vergleich zu einem Keramikmagneten mit einer Magnethöhe (hM) von ca. 1 mm bis ca. 4,5 mm sehr dünn ausgebildet ist.
5. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Ständerjochlänge (l S) im wesentlichen der axialen Länge (lM) des
Dauermagneten (3) entspricht.
6. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überhangfaktor (lFe/lwι) bei einem relativ großen Verhältnis von Magnetlänge
(lM) zu einer Blechpaketlänge (lFe) des Läufers (2) im Vergleich zu Ausführungen von Motoren mit Polmagneten klein sind.
7. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochenergiemagnet (3) in einem Winkel (ß) abweichend von einer Normalen zu dem Luftspalt (δ) angeordnet ist.
8. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blechpaketlänge (lFe) des Ankers (2) im wesentlichen gleich der axialen
Länge (lM) des Hochenergiemagneten (3) gewählt ist und ein Quotient dieser Größen insbesondere in einem Bereich von ca. 0,5 bis ca. 1 liegt.
9. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) als zweipolige Maschine ausgeführt ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors (1), der insbesondere zur Verwirklichung der Merkmale eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei im wesentlichen gleicher Länge (l S) von Ständerjoch (4) und Läuferblechpa- ket (lFe) ein Folgeschnittwerkzeug verwendet wird, und eine Stanzpaketierung von
Ständer (4) und Anker (2) zum Aufbau eines symmetrischen und durch Hochenergiemagnete (3) dauermagneterregten Motors (1) durchführt wird.
11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (4) aus mindestens zwei ferromagnetischen Formteile (4) zusammengesetzt wird, die mit mindestens zwei Hochenergiemagneten (3) insbesondere zur Ausbildung eines kompakten Ständers (4) miteinander durch Verkleben und/oder Umhüllen mit einem Gehäuse verbunden werden.
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