EP2158385A1 - Electromotor - Google Patents

Electromotor

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Publication number
EP2158385A1
EP2158385A1 EP07819479A EP07819479A EP2158385A1 EP 2158385 A1 EP2158385 A1 EP 2158385A1 EP 07819479 A EP07819479 A EP 07819479A EP 07819479 A EP07819479 A EP 07819479A EP 2158385 A1 EP2158385 A1 EP 2158385A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electric motor
rotor
motor according
stator
rotor magnet
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Withdrawn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
EP07819479A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger GÖDEKE
Rudolf Löffler
Ralf Heber
Thomas Bischof
Sandra Maier
Oliver Kämpfer
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.)
LINDENMAIER GMBH
SYCOTEC GmbH and Co KG
Original Assignee
Lindenmaier AG
SYCOTEC GmbH and Co KG
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 Lindenmaier AG, SYCOTEC GmbH and Co KG filed Critical Lindenmaier AG
Priority to EP07819479A priority Critical patent/EP2158385A1/de
Publication of EP2158385A1 publication Critical patent/EP2158385A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16—Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
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    • F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts
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    • F02B37/02—Gas passages between engine outlet and pump drive, e.g. reservoirs
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    • H02K9/06—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium with fans or impellers driven by the machine shaft
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an electric motor according to the preamble of claim 1.
  • Electric motors are known in various designs.
  • motors are known for the conduction of media, which have a rotor and a stator located therearound, wherein the rotor is connected to a media conveying wheel and can thereby regulate the flow of media.
  • the invention is therefore based on the object, a To provide electric motor, which has a very simple structure, with respect to media to be conveyed shows a good tightness and is still efficient or energy-efficient.
  • an electric motor for conveying media, wherein it has a stator, a rotor with a rotor magnet, and between the stator and rotor a media passage opening.
  • the primary work of the media gap motor is the promotion of media through the gap between the rotor and stator, or as a generator, the drive through the fluid in the media gap.
  • cross-sectional area of the inlet opening is meant the actual open cross-section in which air or fluid can be guided. So this is the actual “net cross-sectional area of the inlet opening” in this area.
  • the entire area of the circle must first be assumed, in order to determine the net
  • Cross-sectional area however, the corresponding cross-sectional area of the blades or the hub (including reinforcement, rotor magnet, etc.) deducted.
  • the measure found here is thus a ratio of the actual rotor magnet (in terms of area) to the actual one with air or another medium. flowable cross-section.
  • the cross-section established for determining V QE preferably extends through a region in which not only the rotor magnet is present, but also a magnetically or electrically effective section of the stator.
  • the cross section used here is preferably perpendicular to the axis of the rotor.
  • media herein are meant all flowable materials, e.g. Gases, liquids, pastes, dusts or granular substances understood.
  • the smallest inner diameter of the stator is 1.5 to 8 times as large as the largest outer diameter of the rotor magnet. Flanking it is also possible that the smallest inner diameter of the stator is 1.1 to l, 49 times, preferably 1.25 to l, 49 times as large as the largest outer diameter of the rotor. It is also possible that the smallest inner diameter of the stator 8.01 to 15 times, preferably 8.01 to 12 times as large as the largest outer diameter of the rotor.
  • the diameter is meant, which actually has the magnetically active material (ie without a reinforcement around the rotor magnet). If the rotor magnet does not have a circular shape, then the largest outside diameter means the largest possible inscribed circle in the corresponding cross section of the magnetic material.
  • the motor according to the invention is a media gap motor, ie a permanent magnet synchronous motor with the special property of a disproportionately large air gap between stator and rotor. This large air gap allows the transport of various media between rotor and stator in the axial direction.
  • the rotor magnet can be directly coupled to a conveyor or integrated into this.
  • the present media gap motor is basically constructed like a conventional permanent magnet synchronous motor, but with the peculiarity of a stator inner diameter, which is oversized in relation to the rotor or the permanent magnet outer diameter.
  • the rotor of the electric motor preferably has a rotor magnet, which is surrounded by a reinforcement.
  • the rotor magnet is mechanically protected. It can also be influenced in this way on the type of magnetic field.
  • a "cup-shaped" configuration can be provided, for example, in which the rotor magnet is inserted.
  • the armouring of the rotor magnet here (as well as the rotor magnet itself preferably) is essentially cylindrical.
  • the electric motor includes a stator which has a substantially hollow cylindrical shape and concentrically surrounds the rotor.
  • stator can be designed as part of the inner wall of the surrounding housing, for example a compressor housing of a turbocharger.
  • the stator can also be used, for example, as an insert in a corresponding opening of the compressor housing.
  • the stator can also be provided with a shield towards the rotor. This serves to protect the stator, in particular the corrosion protection.
  • the shield may preferably be in the form of a thin tube or a hose, this shielding preferably being made of electrically and magnetically nonconductive material.
  • the hollow cylindrical design of the stator is advantageous, but not necessarily mandatory.
  • the rotor can be designed in different ways.
  • the rotor preferably has a rotor shaft, wherein this rotor shaft is mounted simply or repeatedly over its length.
  • the rotor shaft is in the We- sentlichen one-sided and cantilevered on the other side essentially free.
  • a further embodiment provides that the rotor magnet is hollow in regions inside, for attachment to a common, connected to a stipulatetuderad or with a Supreme proportion- screw shaft.
  • the components adjoining the rotor magnet are made of a material which is not magnetically or very poorly conductive, preferably made of reinforced or unreinforced plastic, and non-magnetically conductive metal.
  • a further advantageous embodiment provides that the bearing of the rotor shaft is unlubricated or lubricated by the medium to be delivered itself (this is advantageous for example in media-lubricated bearings).
  • any media is suitable for conveying with the electric motor according to the invention, namely all gases (in particular air) and liquid media (in particular aqueous, explosive, volatile, sterile or high-purity media).
  • Stators and the axial center of the rotor in axial Direction may be shifted by one-tenth to a 1.5 times, preferably one tenth to one fifth of the largest axial extent of the rotor magnet.
  • the electric motor according to the invention is particularly suitable for use in an electrically assisted turbocharger with cantilevered electric motor, for the transport of explosive gases, dusts, vapors, adhesives, pastes, liquids, such as water or oil; perishable goods, such as food; in ventilation equipment, in pumps, in particular pumps for aggressive media, such as salt water, chemical solutions (in particular in the field of dental surgery); in disinfectable or sterilizable pumps, canned pumps (media transport in the axial direction), dosing pumps, micropumps, one-way pumps, multi-stage pump systems, - for use in turbines, generators, screw conveyors for granular media, liquids or pastes, for example; in gas, water and steam turbines; in devices for media flow measurement via a generator voltage.
  • the rotor magnet has a remanence between 0.3 Tesla and 0.8 Tesla, preferably greater than 0.8 Tesla, particularly preferably greater than 1.2 Tesla.
  • the flux density in the media gap is between 0.05 Tesla and 0.5 Tesla, preferably more than 0.5 Tesla
  • the present engine is thus fundamentally different from previous developments. It is important, on the one hand, that intentional conduction of fluid or even delivery of fluid through the gap between rotor and stator takes place in a targeted manner, and that this is possible in principle over the entire media gap. Another peculiarity is, as clarified by the area ratios or diameter ratios, that the media gap / air gap between the rotor and stator is made relatively large. This is a departure from conventional electric motors, where a high magnetic flux at low magnetic height is in the foreground or a high power density and therefore a small-sized arrangement.
  • the inner and outer diameters of the stator increase in proportion to the increased air gap. This also results in an increase in the winding surface, consequently also an increased use of high-quality copper wire. Due to the increased diameter of the stator.
  • Ratio of copper wire to power reduces the resistivity of the stator winding.
  • the magnet In order to keep the demagnetization factor as low as possible, it is advantageous for the magnet to consist of solid material, for example in the form of a cylindrical cylinder. This solid cylinder can be provided for storage purposes with a small as possible hole. A splitting of the rotor magnet into segments is thus not necessarily advantageous, but also not excluded, but the one-piece design of the rotor magnet seems to be the cheapest here.
  • the gap / rotor gap allows complete isolation of the stator from the rotor. A shaft seal of the rotating shaft against the stator thus eliminates favorably. This creates a leak-proof media accelerator.
  • the motor must be designed as a synchronous motor. As a result, electrically (unlike the asynchronous motor with slip), the speed can be accurately determined and thus simultaneously a flow control, metering or flow measurement at a known flow rate per rotor rotation possible.
  • V QS A S tator / A red ormagnet
  • V QS A S tator / A red ormagnet
  • V QS A S tator / A red ormagnet
  • Said cross-section is preferably perpendicular to the axis of the rotor.
  • FIGS. 1 a to 1 d show views of a turbocharger in which the electric motor according to the invention is used
  • FIGS. 2a and 2b a diagram of the magnetic flux or cross-sectional views of an electric motor according to the invention
  • FIGS. 3 to 6 views or sections of others
  • Figure 7 the distribution of the magnetic field in the rotor, stator and air gap
  • FIGS. 8a to 8d curves of voltage, current,
  • FIGS 9a and 9b views or sections of another embodiment of an application of an electric motor according to the invention.
  • Figure 10a is an illustration of the proportions and arrangement of rotor magnet, stator and a compressor wheel
  • FIG. 10b shows an embodiment of a Dichterrades with inclined rotor and inclined stator
  • FIG. 11 shows an explanation of geometric relationships on inventive systems
  • FIGS. Ia to Id are shown.
  • FIGS. Ia to Id show a turbocharger 1, which can be coupled with a turbine housing 5 to an internal combustion engine. Due to the exhaust fan shown in Fig. Ia, the exhaust gas is collected after combustion and used to drive a turbine wheel 2.
  • the turbine wheel 2 is surrounded by the turbine housing 5 and is essentially taken from a conventional mechanical turbocharger.
  • a bearing housing 7 and then a compressor housing 6 connects to the turbine housing 5, a bearing housing 7 and then a compressor housing 6 connects.
  • a compressor wheel is mounted, which by a medium passage opening (4e) in the form of an inlet opening supplied air (this inlet air opening is particularly good in Fig. Ic see) compacted by means of a compressor wheel 3 and not shown in the manner here to the Burning chamber of the internal combustion engine leads.
  • the compressor wheel 3 shows in Fig. Ia on the left side an extension, on which a rotor 4a of an electric motor is given.
  • the rotor 4a is mounted centrally in the intake air port 4
  • a stator 4b which has a substantially hollow cylindrical shape and is shown as part of the inner wall of the compressor housing in the region of the inlet air opening is.
  • the stator 4b is even provided as an insert in a corresponding opening, so that it is very easy to install.
  • the rotor gap between rotor 4a and stator 4b in FIG. 1a is therefore the inlet air opening 4e for the compressor wheel.
  • the inlet air opening 4e is also free of struts between rotor and stator.
  • the smallest inner diameter of the stator (see “d s " in Fig. Id) is 1.5 times larger than the largest outer diameter d R of the rotor.
  • the rotor 4a of the electric motor 4 has a rotor magnet 4c surrounded by a reinforcement (see, for example, Fig. Id).
  • the reinforcement is designed essentially "cup-shaped", wherein the bottom of the cup to the compressor wheel is almost completely closed (apart from a central mounting hole).
  • the compressor wheel can (but does not have to) be made of a nonmagnetic material, in this case in an embodiment made of a plastic, for example, influencing the electromagnetic field of the electric motor is minimized.
  • the rotor magnet 4c in turn is partially hollow for attachment to a common shaft with the compressor wheel. Here a hole 4c of the rotor magnet can be seen in Fig. Id accordingly.
  • a sequence of elements is shown which minimize thermal stress on the electric motor.
  • the shaft 8 is designed in such a way that the turbine wheel 2, the compressor wheel 3 and the rotor 4a are firmly (non-rotatable) with each other are connected, so are not separable by a rotary coupling or freewheel.
  • the target voltage of the electric motor 4 in Fig. Ia is present 12 V, but there are other voltages (for example, 48 V for hybrid vehicles) possible.
  • the electric motor can be operated both during engine operation (to accelerate and avoid turbocharger 11 and during generator operation (to recover energy).) If the boost pressure (in the turbine housing) reaches a specific setpoint value, additional electrical energy is generated using a regenerative converter Ideally, this energy conversion of the braking energy during generator operation to a wastegate / pressure cell for blowing off excess exhaust gas pressure, as shown in FIG.
  • the turbocharger according to the invention finds application in a drive system according to the invention for motor vehicles, which includes an internal combustion engine connected to the turbocharger and a memory for e- lectric energy.
  • the electric motor of the turbocharger 1 is in this case connected to the memory for electrical energy for removal of electrical energy in an engine operation of the turbocharger 1 and for feeding electrical energy into a generator operation of the turbocharger.
  • the electric motor of the turbocharger is connected to an electrical storage, said electric storage is additionally connectable to an electric motor drive of a motor vehicle. This can be a "hub motor" of a
  • control electronics are provided for determining the rotational speed of turbine wheel 2 or compressor wheel 3, actual values of turbine housing-side and compressor housing-side pressure ratios, as well as further values relevant to the torque of the internal combustion engine.
  • FIG. 2a shows a field line illustration of the magnetic flux between rotor 4a and stator 4b.
  • FIG. 2b again shows the geometric relationships of the electric motor according to the invention.
  • a fully cylindrical rotor magnet having a largest outer diameter d ⁇ .
  • a reinforcement 4d is attached.
  • a media conveyor wheel 10a is mounted on this reinforcement.
  • a media passage 4e Around the media conveying wheel 10a, there is provided a media passage 4e, which is surrounded radially outwardly by a shield 11.
  • the actual stator 4b is given, whose outer diameter is indicated by d s .
  • an electric motor 4 for conveying media wherein it has a stator 4b, a rotor 4a with a rotor magnet 4c and between the stator and rotor a media passage opening 4e.
  • the rotor magnet is preferably surrounded for protection against media or damage with a reinforcement, or to protect against centrifugal force at higher peripheral speeds. This can be cup-shaped.
  • the stator is preferably designed as an insert in a corresponding opening of a surrounding housing. Inward, that is to
  • a shield 11 is preferably provided, which protects the stator from corrosion and improves the flow properties.
  • the rotor has a rotor shaft, wherein this rotor shaft is mounted one or more times over its length.
  • the rotor shaft is particularly preferably mounted on one side and in this way "cantilevered”.
  • the rotor magnet is preferred wise plugged onto a common shaft with a stipulateför- or a media conveyor screw or integrated inside and thus centered the same.
  • a media conveying wheel or a media conveyor screw can be mounted (these have recesses for receiving the rotor magnet), so that the greatest possible integration of the components becomes possible.
  • FIG 3 shows an application of an electric motor having a media conveying wheel 10a made of a plastic material.
  • a rotor magnet 4 c is mounted on the front side of this stipulaterades 10 .
  • Bearings 12 support a rotor shaft 8 which is screwed into the media conveyor wheel 10a.
  • a stator 4b is housed in an inner wall of a housing 6.
  • the flow of a medium 13 is introduced to the left and conveyed by the Rulefugrad 10 a to the right.
  • a large gap width is advantageous, not only radially about the axis 14 but also axially in the direction of the axis 14.
  • FIG. 4 shows a representation substantially corresponding to FIG. 3, wherein a shield 11 is additionally provided here, which protects the stator 4b against the medium 13.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a pump according to the invention or a flow meter according to the invention, in which three impellers 10a are mounted on a rotor shaft 8.
  • the stator 4b is mounted in the axial direction with respect to the axis 14 centered around the rotor magnet 4c.
  • the media conveyor wheels have an internal cavity which accommodates the rotor shaft 8 and the rotor magnet 4c therein. In this way, a particularly simple and securely mounted device is provided, by means of corresponding webs, on the one hand, the support of the rotor shaft 8 is ensured, and, moreover, a sufficient flow of media 13 is achieved by the relatively small web cross-sections.
  • FIG. 6 shows an embodiment which is quite similar to FIG. However, instead of the three individual conveyor wheels 10a, a media conveyor screw 10b is provided here, which seals media particularly well to the screen 11.
  • FIG. 7 shows a representation of the distribution of the magnetic field in the region of stator 4b, rotor 4a or rotor magnet 4c and media gap / inlet opening 4e.
  • the chambers shown in the stator are hollow inclusions of the surrounding sheet metal insert, these are wrapped with copper wire.
  • FIGS. 8a to 8d show characteristics of voltage, current, torque and power losses over the time axis.
  • the figures show no special characteristics, but despite the large air gap, the characteristic synchronous motor are typical.
  • FIGS. 9a and 9b show a further embodiment of an application for an electric motor according to the invention.
  • these tubes should have no or only weak magnetic properties. Electric current can be passed through these lines, but affects the magnetic flux and thus the power (torque / speed / concentricity) of the motor and therefore must be taken into account when designing the overall arrangement.
  • FIG. 9a shows a plan view in which tubes 15 (3 pieces, for example painting tubes) are arranged parallel to a central axis 10. Centrally in the central axis 10 rotor 4a and rotor magnet 4c are arranged. Separated by a pipe or a shield / reinforcement 11, the stator 4b is mounted.
  • FIG. 9b shows a cross section according to BB.
  • the slinger 16 is connected to the rotor 4a, which has a rotor magnet 4c.
  • the rotor magnet 4c is mounted together with the rotor 4a on bearings L1 and L2, and the drive is effected via the stator 4b which is located outside the reinforcement / shielding.
  • FIG. 10a shows a schematic representation of compressor wheel 3, stator 4b and rotor 4a for illustrating geometric relationships. Shown is the compressor wheel, which is mounted on one axle 10 on one side or both sides and is flown in an air inlet flow direction LES. The inflowing air flow is accelerated by the compressor wheel 3, which has a conveying structure F.
  • the leading edge of the conveyor structure is identified by VF and the trailing edge of the conveyor structure by HF.
  • the leading edge of the rotor magnet 4c is denoted by VR, the trailing edge of the rotor magnet 4c by HR.
  • the leading edge of the stator is marked VS, the trailing edge of the stator is HS (the stator is rotationally symmetric, but for reasons of clarity the above mentioned stator cut has been shown here).
  • the compressor wheel 3 thus has a conveying structure F in the form of blades, the leading edges VF of the conveying structure lying in the air inlet flow direction downstream of a magnetically active leading edge of the rotor magnet 4c and a magnetically active leading edge VS of the stator.
  • the compressor wheel with its trailing edge HF lies upstream in the air inlet flow direction with respect to the rear edge HR of the rotor magnet 4c and the trailing edge of the stator 4b.
  • FIG. 10 b shows a further embodiment in which the stator 4 b (which is rotationally symmetrical with respect to the axis 10) is inclined with respect to the axis 10.
  • the stator thus has a substantially hollow frustoconical shape.
  • the rotor 4a and the corresponding rotor magnet this is also inclined with its sections with respect to the axis 10 (ie not parallel / co-linear, but would cut this in extension).
  • the compressor wheel shown in Fig. 10b is mounted on both sides (see indicated bearings Ll and L2).
  • the 'embodiments of the other figures can in principle be mounted on both sides (even if this means, in some circumstances, additional construction work).
  • FIG. 11 again shows a cross section through a stator 4b and rotor 4a according to the invention.
  • a rotor magnet 4c which consists of individual segments (four distributed over the circumference).
  • a cylindrical single magnet of course, is also conceivable.
  • a reinforcement 4d is attached.
  • a conveyor structure F (here in section, therefore hatched) is shown on this reinforcement.
  • an air passage 4e Around the conveyor structure there is provided an air passage 4e, which is surrounded radially outwardly by a shield 11 (made of plastic and magnetically / electrically insulating).
  • the electrically effective part of the stator 4b is provided around the shield 11.
  • the inlet opening 4e is defined as an opening which can actually be flowed through, that is to say the surface area inside the reinforcement 11, but less the areas of the hatched conveying structure and the hub of the rotor (the hub comprises the reinforcement 4d and everything inside it). What is meant here is the "net cross-sectional area" of the inlet opening.
  • the cross-sectional area of the stator is here only the electrically or magnetically effective part (ie core metal + copper wire, but less copper wire painting and possible "hollow surfaces") understood.
  • the rotor magnet here only the cross sections of the pure rotor magnet segments in this cross section are to be used.
  • the above-mentioned ratios for the relation of the smallest inner diameter of the stator to the largest outer diameter of the rotor may be in addition to 1.5 to 8 times) at other intervals, namely 1.1 to 1.49 times, preferably 1.25 to 1.49 times. Accordingly, however, at the other end of the scale, even the smallest inner diameter of the stator 8.01 to 15 times, preferably 8.01 to 12 times as large as the largest outer diameter of the rotor.

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Description

ELECTROMOTOR
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Elektromotoren sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Zur Leitung von Medien sind beispielsweise Motoren bekannt, die einen Rotor und einen darum befindlichen Stator aufweisen, wobei der Rotor mit ei- nem Medienförderrad verbunden ist und hierdurch den Fluss von Medien regeln kann.
Bei medienführenden Motoren wird eine einfache Bauweise sowie eine höchst mögliche Integration in ein bestehendes Gehäusesystem angestrebt. Hierbei ist neben der aus Reparaturgründen angestrebten Einfachheit auch auf die Dichtigkeit, insbesondere der stromführenden Teile des Elektromotors zu achten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor zu schaffen, der einen äußerst einfachen Aufbau aufweist, in Bezug auf zu fördernde Medien eine gute Dichtigkeit zeigt und trotzdem leistungsfähig bzw. energieeffizient ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor nach Anspruch l gelöst. Es handelt sich hierbei um einen E- lektromotor zur Förderung von Medien, wobei dieser einen Stator, einen Rotor mit einem Rotormagneten, sowie zwischen Stator und Rotor eine Medien- Durchlassöffnung aufweist. In zumindest einem Querschnitt liegt das Verhältnis der Querschnittsfläche der Einlassöffnung zur Querschnittsfläche des Rotormagneten (formelmäßig ausgedrückt: VQE = AEiniassöff- nung/ARotormagnet) zwischen 0,5 und 100, vorzugsweise zwischen 0,8 und 50, besonders vorzugsweise zwischen 2 und 20.
Die primäre Arbeitsleistung des Medienspaltmotors ist die Förderung von Medien durch den Spalt zwischen Rotor und Stator, bzw. als Generator der Antrieb durch das Fördermedium im Medienspalt.
Unter "Querschnittsfläche der Einlassöffnung" ist der tatsächliche offene Querschnitt gemeint, in dem Luft bzw. ein Fluid führbar ist. Dies ist also die tatsächliche "Netto-Querschnittsflache der Einlassöffnung" in diesem Bereich. Beispielsweise ist bei einer kreisrunden Einlassöffnung zunächst einmal die gesam- te Kreisfläche anzunehmen, zur Ermittlung der Netto-
Querschnittflache wird allerdings die entsprechende Querschnittsfläche der Schaufeln bzw. der Nabe (inklusive Armierung, Rotormagnet etc.) abgezogen. Das hier gefundene Maß ist also ein Verhältnis des tat- sächlichen Rotormagneten (flächenmäßig) zu dem tatsächlich mit Luft bzw. einem anderen Medium durch- strömbaren Querschnitt.
Der zur Ermittlung von VQE angesetzte Querschnitt verläuft vorzugsweise durch einen Bereich, in dem nicht nur der Rotormagnet vorhanden ist, sondern auch ein magnetisch oder elektrisch wirksamer Abschnitt des Stators. Der herangezogene Querschnitt liegt hierbei vorzugsweise senkrecht zur Achse des Rotors.
Unter "Medien" werden vorliegend sämtliche fließfähigen Stoffe, wie z.B. Gase, Flüssigkeiten, Pasten, Stäube oder körnige Stoffe verstanden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der kleinste Innendurchmesser des Stators 1,5 bis 8mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotormagneten. Flankierend ist es auch möglich, dass der kleinste Innendurchmesser des Stators 1,1 bis l,49mal, vorzugsweise 1,25 bis l,49mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors. Ebenfalls möglich ist, dass der kleinste Innendurchmesser des Stators 8,01 bis 15mal, vorzugsweise 8,01 bis 12mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors .
Mit "größter Außendurchmesser" des Rotormagneten ist der Durchmesser gemeint, den das tatsächlich magnetisch wirksame Material (also ohne eine Armierung um den Rotormagneten) tatsächlich hat. Sollte der Rotor- magnet keine kreisrunde Form aufweisen, so wird unter dem größten Außendurchmesser der größtmögliche Einbeschriebene Kreis in den entsprechenden Querschnitt des Magnetmaterials verstanden.
Unter "kleinster Innendurchmesser des Stators" wird der kleinste Innendurchmesser des elektrisch bzw. magnetisch tatsächlich wirksamen Stators verstanden. Eine Abschirmung z.B. aus einem Kunststoffmaterial vom Stator zum Rotor hin, der beispielsweise dem Korrosionsschutz dient, wird hierbei nicht als Teil des Stators angesehen, sondern es zählen lediglich die kleinsten Durchmesser der (in der Regel metallischen) elektrisch bzw. magnetisch wirksamen Teile. Bei dem erfindungsgemäßen Motor handelt es sich um einen Me- dienspaltmotor, also um einen Permanentmagnet- Synchronmotor mit der besonderen Eigenschaft eines unverhältnismäßig großen Luftspaltes zwischen Stator und Rotor. Dieser große Luftspalt ermöglicht den Transport verschiedener Medien zwischen Rotor und Stator in axialer Richtung. Der Rotormagnet kann hierbei direkt an eine Fördereinrichtung gekoppelt oder auch in diese integriert sein.
Bei konventionellen Luftspaltmotoren werden bei herkömmlicher Motorauslegung ohne Mediennut- zung/Durchflussfunktion des Luftspaltes die geringste mögliche Baugröße für das angestrebte Drehmoment sowie ein hoher magnetischer Fluss bei geringstem Einsatz von Permanentmagnetmaterial angestrebt. Aufgrund der Tatsache, dass der magnetische Widerstand im Luftspalt höher ist als im ferromagnetischen Teil des Magnetkreises wird also bei konventionellen Motoren stets auf einen kleinen Luftspalt geachtet.
Der vorliegende Medienspaltmotor ist im Grunde aufge- baut wie ein herkömmlicher Permanentmagnet-Synchronmotor, jedoch mit der Besonderheit eines Statorinnendurchmessers, der im Verhältnis zum Rotor- bzw. zum Permanentmagnetaußendurchmesser überdimensional groß ist.
Um trotz des großen Spaltes zwischen Rotor und Stator und des damit verbundenen sehr hohen magnetischen Widerstandes, sowie des hohen Streuanteils an den Polübergängen den erforderlichen magnetischen Fluss zu erzeugen, bedarf es des Einsatzes von Magneten, wel- che eine sehr hohe Remanenz und eine sehr hohe Energiedichte aufweisen. Hierfür eignen sich im besonderen Seltene-Erden-Magnet-Werkstoffe. Gleichzeitig muss die Magnethöhe entsprechend angepasst werden. Trotz des relativ geringen Flusses kann ein hoher Mo- torwirkungsgrad, bezogen auf den Rotor- bzw. Magnetdurchmesser erzielt werden, da durch den großen Außendurchmesser des Stators eine relativ große Wickel- fläche zur Verfügung steht.
Es ist also insbesondere für den Fachmann erstaunlich, dass trotz des ungewöhnlich großen Luftspaltes ein gut funktionierender Motor konzipierbar ist.
Hierbei ermöglicht sogar der große Spalt zwischen Ro- tor und Stator es, den Rotormagneten in axialer Richtung (Richtung der Drehachse) etwas zu verschieben, ohne dass die Kennwerte sich hierdurch deutlich verschlechtern.
Der Rotor des Elektromotors weist vorzugsweise einen Rotormagneten auf, der von einer Armierung umgeben ist. Hierdurch wird der Rotormagnet mechanisch geschützt. Es kann außerdem auf diese Weise auf die Art des Magnetfeldes Einfluss genommen werden. Um einen Rotormagneten, der stirnseitig sonst einem Medium ausgesetzt wäre, den bestmöglichen Schutz zu geben, kann beispielsweise hier auch eine "becherförmige" Ausgestaltung vorgesehen sein, in die der Rotormagnet eingesteckt wird. Die Armierung des Rotormagneten ist hierbei (ebenso wie der Rotormagnet vorzugsweise selbst) im Wesentlichen zylinderförmig ausgeführt. Vorzugsweise enthält der Elektromotor einen Stator, der im Wesentlichen eine hohlzylindrische Form aufweist und der den Rotor konzentrisch umgibt. Hierbei ist vorteilhaft, dass der Stator als Teil der Innenwand des umliegenden Gehäuses, beispielsweise eines Verdichtergehäuses eines Turboladers ausgeführt werden kann. Der Stator kann beispielsweise auch als Einsatz in eine korrespondierende Öffnung des Ver- dichtergehäuses einsetzbar sein. Vorteilhaft an diesen Ausführungsformen ist, dass nur eine ge- ringstmögliche konstruktive Änderung, zum Beispiel herkömmlicher mechanischer Turbolader notwendig ist, so dass hierdurch, insbesondere in der Großserie, große Kosten- und Wettbewerbsvorteile realisierbar sind.
Neben den oben genannten Varianten, die die äußere Umfassung des Stators fokussieren, kann der Stator auch nochmals zum Rotor hin mit einer Abschirmung versehen sein. Diese dient dem Schutz des Stators, insbesondere dem Korrosionsschutz. Die Abschirmung kann vorzugsweise in Form eines dünnen Rohres oder eines Schlauches gegeben sein, wobei diese Abschir- mung vorzugsweise aus elektrisch und magnetisch nicht leitendem Material ausgeführt ist.
Insgesamt ist also die hohlzylindrische Ausführung des Stators vorteilhaft, aber nicht unbedingt zwin- gend .
Der Rotor kann auf unterschiedliche Weisen ausgeführt sein. Vorzugsweise weist der Rotor eine Rotorwelle auf, wobei diese Rotorwelle einfach oder mehrfach ü- ber Ihre Länge gelagert ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Rotorwelle im We- sentlichen einseitig gelagert und kragt auf der anderen Seite im Wesentlichen frei aus . Hierdurch wird die Notwendigkeit von einer weiteren Lagerstelle sowie gegebenenfalls von Streben zwischen Rotor und Stator, welche den Durchflusswiderstand weiter erhöhen könnten, entfallen. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Rotormagnet innen bereichsweise hohl ist, zum Aufstecken auf eine gemeinsame, mit einem Medienförderrad oder mit einer Medienförder- Schnecke verbundenen Welle. Auf diese Weise kann eine noch bessere Integration der Rotorwelle bzw. Antriebsachse mit dem Rotormagneten und sogar einem medienfördernden Teil (Medienförderrad oder Medienförderschnecke) erfolgen. Bei der Integration des Rotor- magneten in die Rotorwelle bzw. das Medienförder- rad/Medienförderschnecke, ist es vorteilhaft, dass die an den Rotormagneten angrenzenden Bauteile aus einem magnetisch nicht oder sehr schlecht leitfähigen Material sind, vorzugsweise aus verstärktem oder un- verstärktem Kunststoff, sowie nicht magnetisch leitfähigem Metall.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Lagerung der Rotorwelle ungeschmiert ist oder durch das zu fördernde Medium selbst geschmiert wird (dies ist beispielsweise bei mediengeschmierte Lager vorteilhaft) . Insgesamt kommen für die Förderung mit dem erfindungsgemäßen Elektromotor praktisch beliebige Medien in Betracht, nämlich sämtliche Gase (insbesondere Luft) sowie flüssige Medien (insbesondere wässrige, explosive, flüchtige, sterile oder hoch-reine Medien) .
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Medien- spaltmotors liegt darin, dass das axiale Zentrum des
Stators und das axiale Zentrum des Rotors in axialer Richtung verschoben sein können und zwar um ein Zehntel bis zu einem 1,5 fachen , vorzugsweise ein Zehntel bis ein Fünftel der größten axialen Ausdehnung des Rotormagneten. Der erfindungsgemäße Elektromotor ist insbesondere geeignet zur Verwendung in einem e- lektrisch unterstützten Turbolader mit frei auskragendem Elektromotor, zum Transport von explosiven Gasen, Stäuben, Dämpfen, verklebenden Stoffen, Pasten, Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl; verderblichen Gü- tern, wie Lebensmittel; in Lüftungseinrichtungen, in Pumpen, insbesondere Pumpen für aggressive Medien, wie zum Beispiel Salzwasser, chemische Lösungen (insbesondere im dentalchirurgischen Bereich) ; in desinfizierbaren bzw. sterilisierbaren Pumpen, Spaltrohr- pumpen (Medientransport in axialer Richtung) , Dosierpumpen, Mikropumpen, Einwegpumpen, mehrstufigen Pump- systemen,- zur Verwendung in Turbinen, Generatoren, Förderschnecken für zum Beispiel körnige Medien, Flüssigkeiten oder Pasten; in Gas-, Wasser- und Dampfturbinen; in Vorrichtungen zur Medienflussmes- sung über eine Generatorspannung.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Rotormagnet eine Remanenz zwischen 0,3 Tesla und 0,8 Tesla , vorzugsweise größer 0,8 Tesla, besonders vorzugsweise größer 1,2 Tesla . Die Flussdichte im Medienspalt beträgt hierbei zwischen 0,05 Tesla und 0,5 Tesla, vorzugsweise mehr als 0,5 Tesla
Der vorliegende Motor hebt sich somit grundsätzlich von bisherigen Entwicklungen ab. Wichtig ist hier zum einen, dass eine beabsichtigte Leitung von Fluid bzw. sogar eine Förderung von Fluid durch den Spalt zwischen Rotor und Stator gezielt erfolgt, und dies über den gesamten Medienspalt hin prinzipiell möglich ist. Eine andere Besonderheit ist, wie durch die Flächenverhältnisse bzw. Durchmesserverhältnisse klargestellt, dass der Medienspalt/Luftspalt zwischen Rotor und Stator relativ groß ausgeführt ist. Dies ist eine Abkehr von üblichen Elektromotoren, bei denen ein hoher magnetischer Fluss bei geringer magnetischer Höhe im Vordergrund steht bzw. eine hohe Leistungsdichte und daher eine kleinbauende Anordnung.
Für den vorliegenden Elektromotor ist festzustellen, dass der Innen- und Außendurchmesser des Stators proportional zum vergrößerten Luftspalt zunehmen. Hierdurch ergibt sich auch eine Zunahme der Wickelfläche, infolgedessen somit auch ein vermehrter Einsatz von hochwertigem Kupferdraht . Bedingt durch das erhöhte
Verhältnis von Kupferdraht zu Leistung reduziert sich der spezifische Widerstand der Statorwicklung.
Um den Entmagnetisierungsfaktor möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, dass der Magnet aus Vollmaterial besteht, beispielsweise in Form eines VoIl- zylinders. Dieser Vollzylinder kann zu Lagerungszwecken mit einer möglichst kleinbauenden Bohrung versehen sein. Eine Aufspaltung des Rotormagneten in Seg- mente ist somit nicht unbedingt vorteilhaft, allerdings auch nicht ausgeschlossen, die einteilige Ausführung des Rotormagneten scheint jedoch hier die günstigste zu sein.
Um den magnetischen Fluss innerhalb des Medienspaltes/Rotorspaltes nicht negativ zu beeinflussen, sollte in dem überdimensionierten Spalt kein bzw. lediglich nur schwach magnetisch leitfähiges Material installiert werden. Ebenso sollte das in dem Spalt be- findliche Medium keine bzw. nur schwache magnetische Eigenschaften aufweisen. Der relativ große Medien- spalt/Rotorspalt ermöglicht bei Bedarf eine vollständige Isolation des Stators gegenüber dem Rotor. Eine Wellenabdichtung der rotierenden Welle gegen den Stator entfällt somit günstigerweise. Somit entsteht ein leckagesicherer Medienbeschleuniger.
Der Motor ist als Synchronmotor auszulegen. Hierdurch ist also elektrisch (anders als beim asynchronen Motor mit Schlupf) die Drehzahl genau bestimmbar und somit auch gleichzeitig eine Durchflusskontrolle, Dosierkontrolle bzw. Durchflussmessung bei bekannter Fördermenge pro Rotorumdrehung möglich.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in zumindest einem Querschnitt das Verhältnis der Querschnittfläche des Stators zur Querschnitts- fläche des Rotormagneten (formelmäßig ausgedrückt VQS = AStator /ARotormagnet) zwischen 2 und 100 , vorzugsweise zwischen 10 und 50. Hier sind jeweils "Nettoquer- schnittsflächen" der elektrisch wirksamen Bestandteile des Stators bzw. Rotormagneten anzugeben. Isolierende Bestandteile bzw. nicht elektrisch/magnetisch wirksame Bestandteile werden hier nicht eingerechnet. So wird bei dem Stator ein Metallgrundkörper (einschließlich beispielsweise Kupferwicklungen) in den Querschnitt mit einberechnet, ein umgebender isolierender Kunststoff allerdings nicht. Entsprechend werden bei dem Rotormagneten auch nur die tatsächlich magnetisch wirksamen Flächen eingerechnet, auch wenn der Rotor aus verschiedenen Teilen besteht (dann sind die Einzelflächen entsprechend zu addieren, so dass sich eine Gesamtfläche des Rotormagneten ermitteln lässt) . Der genannte Querschnitt liegt vorzugsweise senkrecht zur Achse des Rotors .
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen
Figuren Ia bis Id: Ansichten eines Turboladers, bei dem der erfindungsgemäße Elektromotor Anwendung findet,
Figuren 2a und 2b: Schaubild des magnetischen Flusses bzw. Querschnittsansichten eines erfindungsgemäßen Elektromotors,
Figuren 3 bis 6: Ansichten bzw. Schnitte weiterer
Anwendungsbeispiele für den erfindungsgemäßen Elektromotor;
Figur 7 : die Verteilung des magnetischen Feldes in Rotor, Stator und Luftspalt;
Figuren 8a bis 8d: Verläufe von Spannung, Strom,
Drehmoment sowie Leistungsverlus- ten über die Zeitachse;
Figuren 9a und 9b Ansichten bzw. Schnitte einer weiteren Ausführungsform einer Anwendung eines erfindungsgemäßen Elektromotors;
Figur 10a eine Erläuterung der Proportionen und Anordnung von Rotormagnet, Stator und einem Verdichterrad;
Figur 10b eine Ausführungsform eines Ver- dichterrades mit geneigtem Rotor und geneigtem Stator;
Figur 11 eine Erläuterung geometrischer Verhältnisse an erfindungsgemäßen
Elektromotoren .
Im Folgenden soll ein Anwendungsbeispiel der Erfindung zunächst anhand der Fign. Ia bis Id gezeigt wer- den.
Fign. Ia bis Id zeigen einen Turbolader 1, der mit einem Turbinengehäuse 5 an einen Verbrennungskraftmotor ankoppelbar ist. Durch den in Fig. Ia gezeigten Abgasfächer wird nach der Verbrennung das Abgas gesammelt und zum Antrieb eines Turbinenrades 2 genutzt. Das Turbinenrad 2 ist vom Turbinengehäuse 5 umgeben und ist im Wesentlichen einem herkömmlichen mechanischen Turbolader entnommen. An das Turbinenge- häuse 5 schließt sich ein Lagergehäuse 7 und sodann ein Verdichtergehäuse 6 an. In diesem Verdichtergehäuse 6 ist ein Verdichterrad angebracht, das durch eine Medien-Durchlassöffnung (4e) in Form einer Einlassöffnung zugeführte Luft (diese Einlassluftöffnung ist insbesondere in Fig. Ic gut zu sehen) mittels eines Verdichterrades 3 verdichtet und auf hier nicht dargsteilte Weise zu dem Brennraum des Verbrennungs- kraftmotors führt. Das Verdichterrad 3 zeigt in Fig. Ia linksseitig einen Fortsatz, an dem ein Rotor 4a eines Elektromotors gegeben ist. Der Rotor 4a ist zentral in der Einlassluftöffnung 4e angebracht.
Um den Rotor 4a herum ist ein Stator 4b vorgesehen, der im Wesentlichen eine hohlzylindrische Form auf- weist und als Teil der Innenwand des Verdichtergehäuses im Bereich der Einlassluftöffnung dargestellt ist. Vorliegend ist der Stator 4b sogar als Einsatz in eine entsprechende Öffnung vorgesehen, so dass dieser sehr leicht montierbar ist. Vorliegend ist in Fig. Ia also der Rotorspalt zwischen Rotor 4a und Stator 4b die Einlassluftöffnung 4e für das Verdichterrad. Hierbei ist auch gemäß Fig. Ia die Einlass- luftöffnung 4e frei von Streben zwischen Rotor und Stator. Der kleinste Innendurchmesser des Stators (siehe "ds" in Fig. Id) ist 1,5-mal größer als der größte Außendurchmesser dR des Rotors.
Der Rotor 4a des Elektromotors 4 weist einen Rotormagneten 4c auf, der von einer Armierung umgeben ist (siehe z.B. Fig. Id) . Hierbei ist die Armierung im Wesentlichen "becherförmig" ausgeführt, wobei der Boden des Bechers zum Verdichterrad hin fast vollständig geschlossen ist (abgesehen von einer zentrischen Montagebohrung) .
Das Verdichterrad kann (muss aber nicht) aus einem nichtmagnetischem Material sein, hier bei einer Ausführung beispielsweise aus einem Kunststoff ist die Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes des E- lektromotors minimiert. Der Rotormagnet 4c wiederum ist bereichsweise hohl zum Aufstecken auf eine gemeinsame Welle mit dem Verdichterrad. Hier ist in Fig. Id eine Bohrung 4c des Rotormagneten entsprechend zu sehen. Außerdem ist zu sehen, dass in der Abfolge Rotor (bestehend aus Rotormagnet 4c und Ar- mierung 4d) , Verdichterrad 3, Welle 8, Turbinenrad 2 eine Abfolge von Elementen gezeigt ist, die eine thermische Belastung des Elektromotors minimieren. Die Welle 8 ist hierbei in der vorliegenden Ausführungsform so ausgeführt, dass Turbinenrad 2, Verdich- terrad 3 sowie Rotor 4a fest (drehfest) miteinander verbunden sind, also durch keine Drehkupplung bzw. Freilauf trennbar sind.
Allerdings ist es prinzipiell möglich, eine solche Kupplung im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzusehen, falls beispielsweise die Drehzahl des Turbinenrades 2 sehr hoch ist, hierdurch würde allerdings der konstruktive Aufwand auch wiederum erhöht.
Die Sollspannung des Elektromotors 4 in Fig. Ia beträgt vorliegend 12 V, es sind allerdings auch andere Spannungen (beispielsweise 48 V für Hybridfahrzeuge) möglich.
Der Elektromotor ist sowohl im Motorbetrieb (zur Beschleunigung und Vermeidung eines "Turbolochs11 als auch im Generatorbetrieb (zur Rückgewinnung von Energie) betreibbar. Erreicht der Ladedruck (im Turbinengehäuse) einen bestimmten Sollwert, wird unter Ver- wendung eines rückspeisefähigen Umrichters zusätzliche elektrische Energie erzeugt. Idealerweise kann durch dieser energetische Umwandlung der Bremsenergie im Generatorbetrieb auf ein Wastegate/Druckdose zum Abblasen eines überschüssigen Abgasdrucks wie sie in Fig. Ib Ziffer 9 dargestellt ist, verzichtet werden.
Der erfindungsgemäße Turbolader findet Anwendung in einem erfindungsgemäßen Antriebssystem für Kraftfahrzeuge, das einen mit dem Turbolader verbundenen Verbrennungskraftmotor sowie einen Speicher für e- lektrische Energie enthält. Der Elektromotor des Turboladers 1 ist hierbei mit dem Speicher für elektrische Energie verbunden zur Entnahme elektrischer E- nergie in einem Motorbetrieb des Turboladers 1 und zur Einspeisung elektrischer Energie in einen Generatorbetrieb des Turboladers. In einer besonders bevor- zugten Ausführungsform ist der Elektromotor des Turboladers mit einem elektrischen Speicher verbunden, wobei dieser elektrische Speicher zusätzlich mit einem elektromotorischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs verbindbar ist. Dies kann ein "Nabenmotor" eines
Kraftfahrzeugs sein oder ein anderer Elektromotor, der im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs (beispielsweise im Bereich des Getriebes) vorgesehen ist. Dieser Anschluss des elektrischen Turboladers an ein "Hybrid" -Fahrzeug ist besonders energieeffizient.
Zur effizienten Steuerung des Antriebssystems bzw. des Turboladers ist eine Steuerelektronik zur Ermittlung der Drehzahl von Turbinenrad 2 oder Verdichter- rad 3, Ist-Werten von turbinengehäuseseitigen und verdichtergehäuseseitigen Druckverhältnissen sowie weiteren für den Verbrennungskraftmotor drehmomentrelevanten Werten vorgesehen.
Figur 2a zeigt eine Feldliniendarstellung des magnetischen Flusses zwischen Rotor 4a und Stator 4b.
Figur 2b zeigt nochmals die geometrischen Verhältnisse des erfindungsgemäßen Elektromotors. Zu sehen ist hier ein vollzylindrischer Rotormagnet, der einen größten Außendurchmesser d^ aufweist. Um diesen Rotormagneten 4c herum ist eine Armierung 4d angebracht. Auf dieser Armierung wiederum ist ein Medien- förderrad 10a angebracht. Um das Medienförderrad 10a herum ist eine Mediendurchlassöffnung 4e gegeben, diese wird radial nach außen von einer Abschirmung 11 umgeben. Um die Abschirmung 11 herum, ist dann der eigentliche Stator 4b gegeben, dessen Außendurchmesser mit ds angegeben wird.
Bei dem beispielhaften Elektromotor beträgt die Rema- nenz 1,28 Tesla, die Energiedichte 315 kJ/m3 , der Rotormagnet besteht aus NdFeB.
Gezeigt ist also hier ein Elektromotor 4 zur Förde- rung von Medien, wobei dieser einen Stator 4b, einen Rotor 4a mit einem Rotormagneten 4c sowie zwischen Stator und Rotor eine Medien-Durchlassöffnung 4e aufweist. Der kleinste Innendurchmesser ds des Stators beträgt hierbei 1,5- bis 8 -mal, vorzugsweise 2- bis 4 -mal, soviel wie der größte Außendurchmesser des Rotormagneten selbst (dRM) , im vorliegenden Falle beträgt ds = 2 x dRM.
Der Rotormagnet ist vorzugsweise zum Schutz vor Me- dien bzw. Beschädigungen mit einer Armierung umgeben, bzw. zum Schutz vor Zentrifugalkraft bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten. Diese kann becherförmig ausgeführt sein. Der Stator ist vorzugsweise als Einsatz in eine korrespondierende Öffnung eines umgebenden Gehäuses ausgeführt. Nach Innen hin, das heißt zur
Mediendurchlassöffnung hin, ist vorzugsweise eine Abschirmung 11 vorgesehen, die den Stator vor Korrosion schützt und die Flusseigenschaften verbessert.
Diese ist vorzugsweise in Form eines Rohres vorgesehen, wobei das Rohr aus einem elektrisch und magnetisch nicht bzw. schlecht leitendem Kunststoff, z.B. Glasfaser, alternatniv z.B. aus Glas, Epoxidharzverguß oder Gummi, ist. Besonders vorzugsweise weist der Rotor eine Rotorwelle auf, wobei diese Rotorwelle einfach oder mehrfach über ihre Länge gelagert ist. Die Rotorwelle ist hierbei besonders vorzugsweise einseitig gelagert und auf diese Weise "auskragend" .
Hierdurch wird der Strömungswiderstand durch den Rotor weiter vermindert. Der Rotormagnet ist Vorzugs- weise auf eine gemeinsame Welle mit einem Medienför- derrad oder einer Medienförderschnecke aufgesteckt bzw. innen integriert und somit gleich zentriert. Um den Rotormagneten herum können dann wiederum ein Me- dienförderrad bzw. eine Medienförderschnecke angebracht werden, (diese haben Ausnehmungen für die Aufnahme des Rotormagneten) , so dass eine größtmögliche Integration der Bauteile möglich wird.
Figur 3 zeigt eine Anwendung eines Elektromotors, der ein Medienförderrad 10a aus einem Kunststoffmaterial aufweist. Auf der Stirnseite dieses Medienförderrades 10a ist ein Rotormagnet 4c angebracht. Lagerstellen 12 lagern eine Rotorwelle 8, die in dem Medienförder- rad 10a eingeschraubt ist. Ein Stator 4b ist in einer Innenwand eines Gehäuses 6 untergebracht. Der Strom eines Mediums 13 wird links eingeleitet und durch das Medienförderrad 10a nach rechts hin befördert. Vorteilhaft ist im vorliegenden Fall wiederum eine große Spaltbreite, nicht nur radial um die Achse 14, sondern auch axial in Richtung der Achse 14. Dies kommt auch dadurch, dass das axiale Zentrum des Stators AZS und das axiale Zentrum des Rotors AZR in axialer Richtung verschoben sind, und zwar um ein Zehntel bis zum 1,5 fachen der größten axialen Ausdehnung GAAR des Rotormagneten.
Figur 4 zeigt eine der Figur 3 im Wesentlichen entsprechende Darstellung, wobei hier zusätzlich eine Abschirmung 11 vorgesehen ist, welche den Stator 4b gegen das Medium 13 schützt.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpe bzw. eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers, bei dem drei Flügelräder 10a auf einer Rotorwelle 8 gelagert sind. Hierbei sind die Lager 12 links sowie rechtsseitig der drei Medienför- derräder 10a angebracht. Der Stator 4b ist in axialer Richtung bezüglich der Achse 14 zentriert um den Rotormagneten 4c angebracht. Die Medienförderräder wei- sen einen inneren Hohlraum auf, der die Rotorwelle 8 bzw. den darin befindlichen Rotormagneten 4c aufnimmt. Auf diese Weise ist eine besonders einfache und sicher gelagerte Vorrichtung geben, durch entsprechende Stege wird einerseits der Halt der Rotor- welle 8 gewährleistet, außerdem wird durch die relativ geringen Stegquerschnitte ein ausreichender Durchfluss von Medien 13 erreicht.
Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das Figur 5 recht ähnlich ist. Allerdings wird hier statt der drei einzelnen Förderräder 10a eine Medienförderschnecke 10b vorgesehen, die besonders gut zu der Abschirmung 11 hin Medien abdichtet.
Figur 7 zeigt eine Darstellung der Verteilung des magnetischen Feldes im Bereich Stator 4b, Rotor 4a bzw. Rotormagnet 4c sowie Medienspalt/Einlassöffnung 4e. Die in dem Stator gezeigten Kammern sind hohle Einschlüsse der umgebenden Blecheinlage, diese sind mit Kupferdraht umwickelt.
In der Figur 7 ist zu erkennen, das die Feldlinien an den Polübergängen kurzgeschlossen werden ohne den Stator zu durchfluten. Da das magnetische Feld von Permanentmagneten verlustfrei zur Verfügung gestellt wird, hat dies keinen negativen Einfluß auf den Wirkungsgrad des Motors
Figuren 8a bis 8d zeigen Verläufe von Spannung, Strom, Drehmoment sowie Leistungsverluste über die Zeitachse . Die Figuren zeigen keine besonderen Charakteristika, aber trotz des großen Luftspaltes sind die Kennlinien Synchronmotor typisch.
Figuren 9a und 9b zeigen eine weitere Ausführungsform einer Anwendung für einen erfindungsgemäßen Elektromotor.
Hierbei ist eine Möglichkeit gezeigt, Rohre bzw. Leitungen durch den Rotorspalt zu führen. Diese Rohre dienen zur Durchleitung von Medien (z.B. Flüssigkeiten, Pasten, Granulaten oder Gasen) und eignen sich somit für Lackieranlagen oder zur Strahlbehandlung (z.B. Sandstrahlen, Glasperlenstrahlen etc.) von Werkstücken. Durch verschiedene Rohre können verschiedenartige Medien geleitet werden (z.B. verschiedene Farben) .
Zu Beachten ist, dass diese Rohre nicht bzw. nur schwache magnetische Eigenschaften besitzen sollten. Elektrischer Strom kann durch diese Leitungen geführt werden, beeinflusst jedoch den magnetischen Fluss und somit die Leistung (Drehmoment/Drehzahl/Rundlauf) des Motors und ist daher entsprechend bei der Auslegung der Gesamtanordnung zu berücksichtigen.
Figur 9a zeigt eine Draufsicht, in der Rohre 15 (3 Stück, beispielsweise Lackierrohre) parallel zu einer Mittelachse 10 angeordnet sind. Zentral in der Mittelachse 10 sind Rotor 4a bzw. Rotormagnet 4c angeordnet. Getrennt durch ein Rohr bzw. eine Abschirmung/Armierung 11 ist der Stator 4b angebracht.
Figur 9b zeigt einen Querschnitt gemäß B-B. Hierin ist zu sehen, wie durch das Rohr 15 Medium im Bild von links nach rechts fließt und auf eine Schleuderscheibe 16 trifft, wodurch eine Dispergierung des Mediums erfolgt und anschließend eine Lackierung, beispielsweise eines Fahrzeugs. Die Schleuderscheibe 16 ist mit dem Rotor 4a verbunden, der einen Rotormagneten 4c aufweist. Der Rotormagnet 4c ist gemeinsam mit dem Rotor 4a auf Lagern Ll und L2 gelagert, der Antrieb erfolgt über den außerhalb der Armierung/Abschirmung liegenden Stator 4b.
Fig. 10a zeigt eine schematische Darstellung von Verdichterrad 3, Stator 4b sowie Rotor 4a zur Veranschaulichung geometrischer Verhältnisse. Gezeigt ist das Verdichterrad, das auf einer Achse 10 einseitig oder beidseitig gelagert ist und in einer Luftein- lassströmungsrichtung LES beströmt wird. Die einfließende Luftströmung wird beschleunigt durch das Verdichterrad 3, das eine Förderstruktur F aufweist. Die Vorderkante der Förderstruktur wird durch VF, die Hinterkante der Förderstruktur durch HF gekennzeichnet. Die Vorderkante des Rotormagneten 4c wird mit VR gekennzeichnet, die Hinterkante des Rotormagneten 4c mit HR. Die Vorderkante des Stators wird mit VS, die Hinterkante des Stators mit HS gekennzeichnet (der Stator ist vorliegenden rotationssymmetrisch, es wurde allerdings hier aus Übersichtlichkeitsgründen der obige Statorschnitt gezeigt) . Das Verdichterrad 3 hat also eine Förderstruktur F in Form von Schaufeln, wobei die Vorderkanten VF der Förderstruktur in Luft- einlassströmungsrichtung stromabwärts bezüglich einer magnetisch wirksamen Vorderkante des Rotormagneten 4c und einer magnetisch wirksamen Vorderkante VS des Stators liegen. Das Verdichterrad mit seiner Hinterkante HF liegt dagegen in Lufteinlassströmungsrich- tung stromaufwärts bezüglich der Hinterkante HR des Rotormagneten 4c sowie der Hinterkante des Stators 4b .
Es sind hier allerdings auch andere Anordnungen möglich, bei denen Rotormagnet bzw. Stator lediglich ü- ber eine Kante des Verdichterrades hinausragen, auch ist es möglich, dass der Rotormagnet vollständig innerhalb des Verdichterrades liegt und also seitlich von Kanten der Förderstruktur eingeschlossen wird.
Fig. 10b zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Stator 4b (dieser ist rotationssymmetrisch bezüglich der Achse 10) bezüglich der Achse 10 geneigt ist. Der Stator hat hier also im Wesentlichen hohlke- gelstumpfförmige Form. Entsprechendes gilt auch für den Rotor 4a bzw. den entsprechenden Rotormagneten, auch dieser ist mit seinen Abschnitten geneigt bezüglich der Achse 10 (also nicht parallel/ko-linear, sondern würde diese in Verlängerung schneiden) .
Das in Fig. 10b gezeigte Verdichterrad ist beidseitig gelagert (siehe angedeutete Lagerstellen Ll und L2) . Allerdings können auch die 'Ausführungsformen der weiteren Figuren prinzipiell beidseitig gelagert sein (auch wenn dies u.U. baulichen Mehraufwand bedeutet) .
Für die Fig. 10b gilt, dass der Rotormagnet 4c bezogen auf die Achse 10 des Verdichterrades 3 radial außerhalb der Nabe des Verdichterrades angeordnet ist. Das Verdichterrad ist hierbei so ausgeführt, dass Luft sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb des Rotormagneten führbar ist. Hierbei ist das Verdichterrad auch so ausgeführt, dass mindestens 70% der zugeführten Luftmasse (bzw. des zugeführten Luftmassenstroms) radial außerhalb des Rotormagneten ge- führt werden. Fig. 11 zeigt nochmals einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stator 4b und Rotor 4a. Zu sehen ist hier ein Rotormagnet 4c, der aus einzelnen Segmenten (vier über den Umfang verteilt) besteht. Al- ternativ hierzu ist natürlich auch ein z.B. zylindrischer Einzelmagnet vorstellbar. Um diesen Rotormagneten 4c herum ist eine Armierung 4d angebracht. Auf dieser Armierung wiederum ist eine Förderstruktur F (hier im Schnitt, deshalb schraffiert) gezeigt. Um die Förderstruktur herum ist eine Luftdurchführung bzw. Mediendurchlassöffnung 4e gegeben, diese wird radial nach außen von einer Abschirmung 11 (diese ist aus Kunststoff und magnetisch/elektrisch isolierend) umgeben. Um die Abschirmung 11 herum ist der elekt- risch wirksame Teil des Stators 4b gegeben.
In dem in Fig. 11 gezeigten Querschnitt beträgt die Querschnittsfläche der Mediendurchlassöffnung bzw. des Luftdurchtrittes bzw. der Einlassöffnung 4e zur Querschnittsfläche der vier Segmente des Rotormagneten (definiert als VQE = AEinlass6ffnung/ARotor (Rotorwelle inkl. Schaufelräder) ) 4:1.
Die Einlassöffnung 4e ist hierbei definiert als tat- sächlich durchströmbare Öffnung, also der Flächeninhalt innerhalb der Armierung 11, jedoch abzüglich der Flächen der schraffierten Förderstruktur sowie der Nabe des Rotors (die Nabe umfasst die Armierung 4d sowie alles darin Befindliche) . Gemeint ist hier also die "Nettoquerschnittsflache" der Einlassöffnung. Der Querschnitt verläuft in der Fig. 11 sichtbar durch den elektrisch und magnetisch wirksamen Abschnitt des Stators 4b. In diesem Querschnitt beträgt das Verhältnis der Querschnittsfläche des Stators zur Quer- schnittsfläche des Rotormagneten (definiert als VQS =
Astator /ARotormagnet / 13 : 1 . Als Querschnittsfläche des Stators wird hier lediglich der elektrisch bzw. magnetisch wirksame Teil (also Kernmetall + Kupferdraht, allerdings abzüglich Kupferdrahtlackierung sowie möglicher "Hohlflächen") verstanden. Entsprechend verhält es sich bei dem Rotormagneten, hier sind nur die Querschnitte der reinen Rotormagnetsegmente in diesem Querschnitt heranzuziehen.
Die oben genannten Verhältnisse für die Beziehung des kleinsten Innendurchmessers des Stators zum größten Außendurchmesser des Rotors können in Ergänzung zu dem 1,5- bis 8-fachen) auch in anderen Intervallen liegen, nämlich 1,1- bis 1,49-mal, vorzugsweise 1,25- bis 1,49-mal. Entsprechend kann allerdings am anderen Ende der Skala auch der kleinste Innendurchmesser des Stators 8,01- bis 15-mal, vorzugsweise 8,01- bis 12- mal so groß sein wie der größte Außendurchmesser des Rotors.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromotor zur Förderung von Medien, wobei dieser einen Stator (4b) , einen Rotor (4a) mit einem Rotormagneten (4c) sowie zwischen Stator und Rotor eine Mediendurchlassöffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem
Querschnitt des Elektromotors das Verhältnis der Querschnittsfläche der Einlassöffnung (4e) zur Querschnittsfläche des Rotormagneten (4c) zwischen 0,5 und 100, vorzugsweise zwischen 0,8 und 50, besonders vorzugsweise zwischen 2 und 20 liegt .
2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet eine Remanenz zwischen 0,3 und 0,8 Tesla, vorzugsweise größer 0,8 Tesla, besonders vorzugsweise größer 1,2
Tesla aufweist.
3. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluss- dichte im Rotorspalt zwischen 0,05 und 0,5 Tes- Ia, vorzugsweise mehr als 0,5 Tesla beträgt.
4. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet einteilig ist.
5. Elektromotor nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, vorzugsweise als Vollzylinder und/oder mit einer zentralen Bohrung zur Befestigung versehen.
6. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Innendurchmesser des Stators 8,01- bis
15-mal, vorzugsweise 8,01- bis 12-mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors.
7. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Innen- durchmesser des Stators 1,1- bis 1,49-mal, vorzugsweise 1,25- bis 1,49-mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotors .
8. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumin- dest einem Querschnitt das Verhältnis der Querschnittsfläche des Stators (4b) zur Querschnittsfläche des Rotormagneten (4c) (VQ3 = Astator/ARotormagnet) zwischen 2 und 100, vorzugsweise zwischen 10 und 50 liegt.
9. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt auch durch magnetisch oder elektrisch wirksame Abschnitte des Stators verläuft.
10. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt senkrecht zur Achse des Rotors liegt.
11. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Innendurchmesser (ds) des Stators 1,5- bis 8 -mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser (diw) des Rotormagneten.
12. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dies ein Permanentmagnetsynchronmotor ist .
13. Elektromotor nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet (4c) eine Remanenz > 0,8 Tesla und/oder eine hohe Energiedichte > 100kJ/m3 aufweist.
14. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor- magnet aus Seltene-Erde-Materialien besteht, insbesondere aus NdFeB oder SmCo .
15. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet (4c) von einer Armierung (4d) umgeben ist.
16. Elektromotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung (4d) des Rotormagneten zylinderförmig ausgeführt ist.
17. Elektromotor nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator
(4b) als Teil einer Innenwand eines umgebenden Gehäuses (6) ausgeführt ist.
18. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4b) als Einsatz in eine korrespondierende Öffnung eines umgebenden Gehäuses (6) einsetzbar ist.
19. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Me- dien-Durchlassöffnung (4e) frei von Streben zwischen Rotor und Stator ist.
20. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4b) im Wesentlichen eine hohlzylindrische Form aufweist.
21. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet (4c) zur Integration in eine Welle vorbereitet ist zur Integration auf eine gemeinsame Welle (8) mit einem Medienförderrad oder einer Medienförderschnecke.
22. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet (4c) partiell oder auch komplett in ein Medienförderrad (10a) oder eine Medienförder- Schnecke (10b) integriert ist.
23. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medienförderrad (10a) oder die Medienförderschnecke (10b) aus einem magnetisch nicht oder schlecht leitfähigen Material sind, vorzugsweise aus einem verstärkten oder unverstärkten Kunststoff.
24. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4b) zum Inneren hin mit einer Abschirmung (11) versehen ist.
25. Elektromotor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (11) die Form eines Rohres oder eines Schlauches aufweist.
26. Elektromotor nach einem der Ansprüche 24 oder
25, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (11) aus elektrisch und magnetisch nicht leitendem Material ist.
27. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4a) eine Rotorwelle aufweist, wobei diese Rotorwelle einfach oder mehrfach über ihre Länge gelagert ist.
28. Elektromotor nach Anspruch 17, dass die Rotorwelle (8) im Wesentlichen einseitig gelagert ist und auf der anderen Seite im Wesentlichen frei auskragt .
29. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4a) und/oder der Rotormagnet (4c) in eine von dem Elektromotor anzutreibende Achse integriert sind.
30. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung der Rotorwelle (8) ungeschmiert ist oder fördermediengeschmiert ist.
31. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das axiale Zentrum des Stators (AZS) und das axiale Zentrum des Rotors (AZR) in axialer Richtung verschoben sein können, und zwar um ein Zehntel bis ein
Fünftel der größten axialen Ausdehnung (GAAR) des Rotormagneten.
32. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in einem elektrisch un- terstützten Turbolader mit frei auskragendem
Elektrorotor, zum Transport von explosiven Gasen, Stäuben, Dämpfen, verklebenden Stoffen, Pasten, Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl; verderblichen Gütern, wie Lebensmittel; in Lüftungseinrichtungen, in Pumpen, insbesondere Pumpen für aggressive Medien, wie zum Beispiel Salzwasser, chemische Lösungen (insbesondere im dentalchirurgischen Bereich) ; in desinfizierbaren bzw. sterilisierbaren Pumpen, Spaltrohrpumpen (Medientransport in axialer Richtung) , Dosierpumpen, Mikropumpen, Einwegpumpen, mehrstu- figen Pumpsystemen; zur Verwendung in Turbinen,
Generatoren, Förderschnecken für zum Beispiel körnige Medien, Flüssigkeiten oder Pasten; in Gas-, Wasser- und Dampfturbinen; in Vorrichtungen zur Medienflussmessung über eine Generator- Spannung.
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