WO2004040741A1

WO2004040741A1 - Stator einer permanentmagnetisch erregten elektrischen maschine

Info

Publication number: WO2004040741A1
Application number: PCT/DE2003/002239
Authority: WO
Inventors: Volker Bosch
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2004-05-13
Also published as: DE10248673A1

Abstract

Es wird ein Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Gleichstrommotor, angegeben, der ein mindestens zwei Statorpole (32) tragendes lamelliertes Joch (34) und mindestes zwei jeweils einem Statorpol (32) zugeordnete Permanentmagnete (33) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes aufweist. Zur Realisierung von hochtourigen Maschinen mit genuteten Ankern (11) unter Verwendung von preiswerten, elektrisch leitfähigen Magnetmaterialien ohne Reduzierung des Wirkungsgrads ist jeder Statorpol (32) von einem einstückig an das Joch (34) angeformten Polschuh (40) gebildet und die mindestens zwei Permanentmagnete (33) im Joch (34) von der den Läufer (31) begrenzenden Polschuhfläche (401) entfernt eingebettet.

Description

STATOR EINER PERMANENTMAGNETISCH ERREGTEN ELEKTRISCHE

MACHINE

Die Erfindung geht aus von einem Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Gleichstrommotor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei permanentmagnetische erregten Gleichstrommotoren werden, wenn sie für hohe Drehzahlen ausgelegt und wie üblich als Statorpole schalenförmige Permanentmagnete eingesetzt werden, ausschließlich Magnetmaterialien mit einem sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand verwendet, wie beispielsweise Ferrit oder kunststoffgebundene Seltene-Erden-Magnetwerkstoffe (NdFeB oder SmCo), um die durch Wirbelströme im Magnetmaterial hervorgerufenen Verluste zu reduzieren damit den Wirkungsgrad zu verbessern.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Gleichstrommotor, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß für die Permanentmagnete des Erregersystems Magnetmaterial mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit verwendet werden kann, wodurch ohne Verschlechterung des Wirkungsgrads des Motors preiswerte Permanentmagnete eingesetzt und damit die Fertigungskosten für den Stator gesenkt werden können. Durch die Ausbildung der den Luftspalt zum Läufer oder Rotor begrenzenden, mit dem lamellierten Joch einstückigen Polschuhe und die Einbettung der Permanentmagnete in das lamellierten Joch mit Abstand vom Luftspalt wird das Auftreten von Wirbelströmen im Magnetmaterial, wie sie bei der unmittelbaren Begrenzung des Luftspalts durch die Permanetmagnete infoige der durch die Ankernutung hervorgerufenen, ungleichmäßigen Verteilung der Luftspaltflußdichte auftreten, verhindert. Durch die einstückige Ausbildung der Polschuhe mit dem Statorjoch und die Herstellung des Statorjochs einschließlich der ausgeformten Polschuhe aus gestanzten Blechen kann die radiale Dicke der Polschuhe an jeder Stelle an die Erfordernisse des magnetischen Kreises angepaßt werden, d. h. in der Mitte des Polschuhs deutlich verringert werden, was zu einer Gewichtsersparnis führt.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Stators möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Joch in mindestens zwei jeweils einen Polschuh aufweisende, aneinanderstoßende Jochabschnitte unterteilt, und die Jochabschnitte sind an ihren Stoßstellen unter Zwischenlage je eines Permanentmagneten miteinander verbunden. Durch diese Maßnahme läßt sich eine rationelle Fertigung erzielen und eine einfache Einbettung der Permanentmagnete in das Joch bei der Montage erreichen, insbesondere dann, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die beiden Jochabschnitte punk sym etrisch zur Statorachse ausgeführt sind, so daß sie mit dem gleichen Stanzwerkzeug hergestellt werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Verbindung zwischen den Jochabschnitten über die Permanentmagnete hinweg mittels in Achsrichtung sich erstreckenden Klammern hergestellt, die vorzugsweise aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise amagnetischem Stahl, gefertigt sind. Die Verwendung von magnetisch leitfähigem Material, z.B. magnetischem Stahl, für die Klammern ist möglich, wenn der daraus resultierende Verlust an magnetischem Fluß durch eine entsprechend vergrößerte Querschnittsfläche der Permanentmagnete kompensiert werden kann.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten

Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 einen Querschnitt von Stator und Rotor eines Gleichstrommotors nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen Querschnitt von Stator und Rotor eines

Gleichstrommotors nach der Erfindung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei einem in Fig. 1 im Querschnitt schematisch skizzierten, als Innenläufermotor konzipierten, bekannten Gleichstrommotor im Leistungsbereich von mehreren hundert Watt sind die Statorpole 12 von den Permanentmagneten 13 selbst gebildet, die in Form von schalenförmigen Ferritmagneten auf der Innenseite des kreisringförmigen Jochs 14 angeordnet sind und unmittelbar den Luftspalt 15 zum Rotor oder Läufer oder Anker 11 begrenzen. Das Joch 14 besteht aus einem gerollten Blechstreifen, dessen Enden miteinander verstemmt sind. Der vom Stator 10 umschlossene Rotor, Läufer oder Anker 11 ist genutet und trägt eine in den axialen Nuten 16 mit Nutschlitz 19 einliegende Ankerwicklung. Von den über den Umfang des Läufers 11 mit konstanter Nutteilung gegeneinander versetzten Axialnuten 16 sind in Fig. 1 nur zwei Axialnuten 16 mit einem dazwischenliegenden Zahn 18 dargestellt. Der Rotor, Läufer oder Anker 11 sitzt drehfest auf einer Welle 17, die in einem in Fig. 1 nicht dargestellten, den Stator 10 aufnehmenden Gehäuse drehend gelagert ist.

Bei einem solchen Gleichstrommotor ist die räumliche Verteilung des im Luftspalt erzeugten Magnetfelds aufgrund der Nutung des Ankers nicht konstant, da sich über einem Ankerzahn 18 eine größere magnetische Flußdichte einstellt als über einen Nutschlitz 19. Rotiert der Anker, so "sehen" die am Luftspalt angeordneten Permanentmagnete 13 ein sich änderndes Magnetfeld. Ist das Magnetmaterial elektrisch leitfähig, so werden aufgrund dieser Wechselanteile im Luftspaltfeld Wirbelströme im Magnetmaterial erzeugt, die Verluste zur Folge haben und den Wirkungsgrad des Motors stark reduzieren. Diese Verluste steigen mit der Drehzahl des Motors. Abhilfe schafft hier die Verwendung von Magnetmaterialien mit einer sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand, z.B. Ferrit oder kunststoffgebundene Seltene-Erden-Magnetwerkstoffe.

Der in Fig. 2 schematisch skizzierte erfindungsgemäße Gleichstrommotor für eine elektrische Handwerkzeugmaschine als Ausführungsbeispiel für eine allgemeine elektrische Maschine ist als sog. Innenläufermotor ausgeführt und weist einen in einem nicht dargestellten Motorgehäuse festgelegten Stator 30, sowie einen vom Stator 30 unter Belassung eines Luftspalts 35 umschlossenen Läufer oder Rotor 31 auf, der drehfest auf einer im Motorgehäuse drehend gelagerten Rotorwelle 37 sitzt. Der durch sog. Stanzpaketieren aus einer Vielzahl von in Achsrichtung aneinander festgelegten, ausgestanzten Blechlamellen hergestellte Rotor 31 ist mit einer Mehrzahl von über den Umfang um gleiche Nutteilung versetzten Axialnuten 36 mit Nutschlitzen 39 versehen, die durch Zähne 38 voneinander getrennt sind. In den Axialnuten 36 liegt üblicherweise eine Läufer-, Rotor- oder Ankerwicklung ein, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Der Stator 30 weist ein Joch 34 mit daran angeordneten Statorpolen 32 zur Erzeugung eines Magnetfelds im Luftspalt 35 auf. Der als Ausführungsbeispiel beschriebene Gleichstrommotor ist zweipolig aufgeführt, so daß insgesamt zwei Statorpole 32 vorhanden sind, die um 180° elektrisch - und bei der zweipoligen Ausführung damit auch um 180° räumlich - gegeneinander versetzt sind. Zur

Erzeugung des magnetischen Feldes ist jedem Statorpol 32 ein Permanentmagnet 33 zugeordnet.

Das Joch 34 ist ebenso wie der Rotor 31 lamelliert und ist aus einer Vielzahl von axial aneinanderliegenden Blechlamellen zusammengesetzt, wobei die

Jochlamellen durch Stanzen hergestellt und durch sog. Stanzpaketieren zu einem Blechpaket zusammengefügt sind. Das Joch 34 ist in zwei punktsymmetrisch zur Statorachse angeordnete Jochabschnitte 341 , 342 unterteilt, die an ihren Stoßstellen unter Zwischenlage je eines Permanentmagneten 33 miteinander verbunden sind. Jeder Jochabschnitt 341 bzw. 342 ist mit einem Statorpol 32 ausgestattet, der von einem einstückig an das Joch angeformten Polschuh 40 gebildet ist. Jeder Polschuh 40 begrenzt mit einer freien, konkaven Polschuhfläche 401 den Luftspalt 35. Da die Jochabschnitte 341 , 342 lameliiert sind, sind die einstückig ausgeformten Polschuhe 40 ebenfalls lamelliert und werden beim Stanzen der einzelnen Jochlamellen gleich mit ausgeformt.

Die Permanentmagnete 33 weisen Quaderform auf. An den Stoßstellen der beiden Jochabschnitte 341 , 342 sind ebene Stoßflächen 341a, 341b, 342a, 342b ausgebildet, die an voneinander abgekehrten Quaderflächen anliegen, wobei die die Anlagefläche bildende, parallelen Quaderflächen sich in Richtung der

Statorachse erstrecken. Die Stoßflächen 341a, 341b bzw. die Stoßflächen 342a, 342b sind in den Jochabschnitten 341 bzw. 342 so plaziert, daß die eine Stoßfläche 341a bzw. 342a im Endbereich des Polschuhs 40 auf dessen vom Luftspalt 35 abgekehrten Rückseite und die andere Stoßfläche 341 b bzw. 342b an dem vom Polschuh 40 angewandten Ende des Jochabschnitts 341 bzw. 342 liegt. Jeder Permanentmagnet 33 besteht aus Magnetmaterial, das elektrisch leitend ist z.B. aus gesinterten Seltene-Erd-Werkstoffen (NdFeB oder SmCo), die zu geringen Gestehungskosten erhältlich sind. Die beiden Permanentmagnete 33 sind rechtwinklig zu ihren Anlageflächen für die Jochabschnitte 341 , 342 magnetisiert und so angeordnet, daß beispielsweise sich am Polschuh 40 des Jochabschnitts 341 ein magnetischer Südpol und am Polschuh 40 des

Jochabschnitts 342 ein magnetischer Nordpol ausbildet. Die Anordnung der quaderförmigen Permanentmagnete 33 ist dabei konstruktiv so getroffen, daß von den beiden schmalen Quaderflächen, die sich quer zu der Statorachse und den Stoßflächen 341 a,b und 342a, b erstrecken, die untere Quaderfläche 331 , die der Polschuhfläche 401 des jeweiligen Polschuhs 40 am nächsten liegt, einen möglichst großen Abstand von der Polschuhfläche 401 und damit vom Rotor 31 einhält. Dies deshalb, damit sich das Magnetfeld des jeweiligen Permanentmagneten 33 möglichst vollständig über Polschuh 40 und Rotor 31 schließt. Die beiden Jochabschnitte 341 , 342 sind an ihren Stoßstellen mit dazwischenliegenden Permanentmagneten 33 durch jeweils eine axial sich erstreckende, den Permanentmagneten 33 überspannende Klammer 41 miteinander fest verbunden. Die beiden Klammern 41 sind aus nichtmagnetischem Material, z.B. amagnetischem Stahl, hergestellt. In Einzelfällen ist auch die Verwendung von magnetischem Stahl möglich, wenn die Möglichkeit besteht, den dadurch entstehenden Verlust an magnetischem Fluß durch eine entsprechend vergrößerte Querschnittsfläche der Permanentmagnete 33 zu kompensieren.

Die Erfindung ist nicht auf die zweipolige Ausführung des beschriebenen Gleichstrommotors beschränkt. Bei einer n-poligen Ausführung des Motors sind unter Zwischenlage jeweils eines Permanentmagneten 33 n Jochabschnitte aneinandergefügt, an denen in gleicher weise Polschuhe 40 ausgebildet sind, die um 180° elektrisch gegeneinander versetzt sind, räumlich also um 360 n.

Claims

Ansprüche

1. Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen

Gleichstrommotor, mit einem mindestens zwei Statorpoie (32) tragenden, lamellierten Joch (34) und mindestens zwei Permanentmagneten (33) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes zwischen den Statorpolen (32), von denen jeweils einer einem Statorpol (32) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Statorpol (32) von einem einstückig an das Joch

(34) angeformten Polschuh (40) gebildet ist, der mit einer freien, konkaven Polschuhfläche (401) einen Luftspalt (35) zu einem Rotor (31) hin begrenzt, und daß die mindestens zwei Permanentmagnete (33) im Joch (34) eingebettet sind.

2. Stator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (34) in mindestens zwei jeweils einen Polschuh (40) aufweisende, aneinanderstoßende Jochabschnitte (341 , 342) unterteilt ist und daß die Jochabschnitte (341 , 342) an ihren Stoßstellen unter Zwischenlage je eines Permanentmagneten (33) fest miteinander verbunden sind.

3. Stator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Jochabschnitte (341 , 342) punktsymmetrisch zur Statorachse ausgebildet sind.

4. Stator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die

Permanentmagnete (33) Quaderform und die Jochabschnitte (341 , 342) ebene Stoßflächen (341a, 341 b, 342a, 342b) aufweisen, die an voneinander abgekehrten, zur Statorachse parallelen Quaderfiächen anliegen.

5. Stator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der ebenen Stoßflächen (341a bzw. 342a) eines jeden Jochabschnitts (341, 342) im Endbereich des Polschuhs (40) auf dessen von der konkaven Polschuhfläche (401) abgekehrten Rückseite und die andere der ebenen Stoßflächen (341 b bzw. 342b) an dem davon abgewandten Ende des Jochabschnitts (341, 342) ausgebildet ist.

6. Stator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (33) quer zu den ebenen Stoßflächen (341a, 341 b, 342a, 342b) der Jochabschnitte (341 , 342) magnetisiert sind.

7. Stator nach einem der Ansprüche 2 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der beiden Jochabschnitte (341, 342) durch in Achsrichtung sich erstreckende Klammern (41) vorgenommen ist, von denen sich jeweils eine Klammer (41) über jeweils einen Permanentmagneten (33) hinweg erstreckt.

8. Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammern (41) aus magnetisch nicht oder schlecht leitendem Material bestehen.

9. Stator nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Dicke der Polschuhe (40) zur Polschuhmitte hin reduziert und in Polschuhmitte minimal ist.

10. Stator nach einem der Ansprüche 4 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (33) so angeordnet sind, daß von den sich quer zu den

Stoßflächen (341a, 341 b, 342a, 342b) erstreckenden Quaderflächen eines jeden Permanentmagneten (33) die der Polschuhfläche (401) des gleichen Polschuhs(40) naheliegende Quaderfläche (331) einen größtmöglichen Abstand von der Polschuhfläche (401) aufweist.