Beschreibung
Elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem
Ständer und einem Läufer. Insbesondere betrifft die Erfindung einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor, bei dem der Ständer Permanentmagneten aufweist.
Als Permanentmagnete werden wegen ihrer besseren magnetischen Eigenschaften anstelle von Ferritmagneten oft Seltenerdenmagnete eingesetzt. Um ein möglichst geringes Motorvolumen zu erhalten, ist die Verwendung schalenförmiger (arc shaped) Seltenerdenmagnete bekannt. Üblicherweise werden diese direkt an dem Joch des Gleichstrommotors befestigt, beispielsweise mit Hilfe einer Klebe- oder Klemmverbindung.
Für preiswerte Lösungen, bei denen das Motorvolumen keine so große Rolle spielt, kommen anstelle von schalenförmigen SeI- tenerdenmagnete oft quaderförmige (brick shaped) Seltenerden¬ magnete zum Einsatz. Die Verwendung quaderförmiger Seltenerdenmagnete hat jedoch einen negativen Einfluss auf die Ver¬ teilung des magnetischen Flusses in dem Motor, d.h. führt zu einer Erhöhung des magnetischen Streuflusses und damit zu ei- nem verringerten Motordrehmoment.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lösung zu finden, bei der quaderförmige Magnete in dem Ständer einer elektrischen Maschine verwendet werden können, ohne dass dies zu einer Verschlechterung der Leistung führt.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit einem Läufer und einem Ständer nach Anspruch 1 gelöst. Danach ist es vorgesehen, dass der Ständer eine Anzahl in Taschen einge- betteter, quaderförmiger Permanentmagnete aufweist, deren a- xiale Länge größer ist als die axiale Länge des Ständers.
Eine Kernidee der Erfindung ist es, in Taschen eingebettete, quaderförmige Permanentmagneten zu verwenden, die axial über den Ständer hinausragen. Mit anderen Worten weisen die Permanentmagnete einen Überhang auf. Dieser Überhang führt zu ei- ner Verringerung des magnetischen Streuflusses in axialer
Richtung. Durch die Optimierung des Flussweges können bei der Verwendung preiswerter quaderförmiger Permanentmagnete die gleichen Leistungen erreicht werden, wie mit schalenförmigen Magneten gleichen Volumens. Das bedeutet, dass auch bei hohen geforderten Drehmomenten nicht auf die teure Schalenform zurückgegriffen werden muss.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der elektrischen Maschine um einen bürstenbehaf¬ teten Gleichstrommotor. Die Vorteile der Erfindung treten in diesem Fall besonders stark zum Vorschein. Insbesondere ist die Erfindung für Gleichstrommotoren geeignet, die eine im
Vergleich zu ihrem Durchmesser kurze Ständerlänge aufweisen.
Ganz besonders vorteilhaft ist der Einsatz erfindungsgemäßer Gleichstrommotoren in Kraftfahrzeugen, da dort der Frage ei- nes möglichst geringen Bauraumes eine besonders wichtige Be¬ deutung zukommt .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ragen die Permanentmagnete beidseitig über den Ständer hinaus. Um eine besonders günstige Verteilung des magneti¬ schen Flusses zu erreichen, wird vorzugsweise eine symmetri¬ sche Anordnung gewählt, d.h. der Überhang ist auf beiden Seiten des Ständers gleich groß.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Ständer eine der Anzahl der Permanentmagnete entsprechenden Anzahl Polschuhe auf, die über jeweils zwei
Stege mit einem Joch verbunden sind und zwischen sich und dem Joch die Taschen zur Aufnahme der Permanentmagneten ausbilden. Die Dicke der Stege ist vorzugsweise derart gering, dass die mechanische Festigkeit der Konstruktion gerade noch ge- währleistet ist. Damit können die magnetischen Streuverluste minimiert werden. Polschuhe und Joch sind mit anderen Worten einstückig ausgebildet.
Die Taschen verlaufen dabei vorzugsweise in axialer Richtung von der einen Seite des Ständers zu der gegenüberliegenden Seite des Ständers und liegen symmetrisch zu den jeweiligen Polschuhen. Dadurch wird auf konstruktiv einfache Art und Weise eine Aufnahme für die Permanentmagneten gebildet, die zugleich einen günstigen Verlauf des magnetischen Flusses er- möglicht .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet die in Richtung Läufer weisende Innenkontur der Polschuhe einen im wesentlichen konstanten Luftspalt zwischen dem Ständer und dem Läufer aus. Dies wird durch die besondere Form der Polschuhe erreicht.
Der größere Abstand der Ränder der quaderförmigen Permanentmagnete zu dem Läufer wird durch die Form der Polschuhe aus- geglichen, d.h. in diesen Bereichen ist die Dicke der Polschuhe deutlich größer als in dem Mittelbereich der Polschuhe.
Der Abstand von den quaderförmigen Permanentmagneten zu dem Läufer ist im Mittenbereich der Polschuhe, d.h. im Bereich der Permanentmagnetenmitte, am geringsten. Die Dicke der Polschuhe ist mit anderen Worten in der Mitte der Permanent¬ magneten am geringsten. Vorzugsweise ist die Dicke der Pol¬ schuhe in der Mitte der Permanentmagneten derart gering, dass die mechanische Festigkeit der Konstruktion gerade noch ge¬ währleistet ist. Durch die Verringerung der Dicke der Pol¬ schuhe in dem Mittelbereich erfolgt eine Verringerung des
magnetisches Streuflusses, welcher von der Wicklungen des Läufers kommend durch die Polschuhe verläuft.
Ein großer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführung des Ständers ist es, dass sie im Vergleich zu einem ähnlichen De¬ sign mit bogenförmigen Permanentmagneten nicht zu einer maßgeblichen Vergrößerung des Motordurchmessers führt. Zugleich gewährleistet diese Ausführung eine gleichmäßigere Verteilung der Entmagnetisierungskräfte über die Magnete, d.h. im Ver- gleich zu Anordnungen mit schalenförmigen Magneten können mit der Erfindung Permanentmagnete mit schlechteren Materialei¬ genschaften, insbesondere mit geringeren Werten der Koerzi- tivfeidstärke HcJ, zum Einsatz kommen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Ständer aus einem Blechpaket. Dieses umfasst eine Anzahl geschichteter gestanzter Bleche. Die Ständerbleche werden untereinander beispielsweise durch Verschweißung oder Klammern bzw. Zuganker zusammengehalten, die in Kanälen des Ständerblechpaketes verlaufen. Die Form der einzelnen
Ständerbleche ist derart gewählt, dass sich im montierten Zu¬ stand die oben beschriebenen über Stege mit dem Joch verbundenen Polschuhe und damit die Taschen zur Aufnahme der Perma¬ nentmagnete ergeben.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen der Läufer und der Ständer im wesentlichen die gleiche Länge auf. Sind Läufer und Ständer als Blechpakete aus gestanzten Blechen gefertigt, kann die Herstellung beson- ders effektiv und materialsparend durchgeführt werden. Dar¬ über hinaus ergeben sich dadurch aus elektrischer bzw. magnetischer Sicht Vorteile.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin- düng handelt es sich bei den Permanentmagneten um Seltenerdenmagneten, die im Vergleich zu Ferritmagneten verbesserte magnetische Eigenschaften aufweisen. Aufgrund der höheren Re-
manenz können größere magnetische Feldstärken erreicht werden, so dass der Motor insgesamt kleiner dimensioniert werden kann. Unter Seltenerdenmagneten werden dabei Magneten aus Seltenerden-Magnetwerkstoffen, wie beispielsweise kunststoff- gebundene Werkstoffe, verstanden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie¬ len beschrieben, die mit Hilfe von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in vereinfachten schematischen Darstellungen:
FIG 1 einen erfindungsgemäßen Gleichstrommotor mit Ständer und Läufer in einer Frontansicht,
FIG 2 einen Teil des Jochs des Gleichstrommotors aus FIG 1 mit einem Polschuh in einer Seitenansicht,
FIG 3 den Ständer des Gleichstrommotors aus FIG 1 mit eingebetteten Permanentmagneten in einer perspekti- vischen Ansicht, und
FIG 4 den Ständer aus FIG 3 in einer weiteren perspektivischen Ansicht.
Der erfindungsgemäße bürstenbehaftete Gleichstrommotor 1 weist einen Läufer 2 und einen Ständer 3 der gleichen axialen Länge 4 auf. Dabei ist die Länge 4 klein im Vergleich zu dem Durchmesser des Gleichstrommotors 1. Der Läufer 2 rotiert im Inneren des Ständers 3 um eine Rotationsachse 5. Der Läufer 2 weist eine Wicklung auf (nicht dargestellt), die von einer Gleichstromquelle über Bürsten (beides nicht dargestellt) versorgt wird. Die Wicklung befindet sich in den Axialnuten 27, die zwischen den Zähnen 26 des Läufers 2 angeordnet sind.
Der Ständer 3 besteht im wesentlichen aus einem Blechpaket mit einer Vielzahl gestanzter Bleche (im einzelnen nicht abgebildet), die untereinander durch Zuganker (ebenfalls nicht
abgebildet) zusammengehalten werden. Die Form der einzelnen Ständerbleche ist derart gewählt, dass sich im montierten (geschichteten) Zustand das nachfolgend beschriebene Ständer¬ design ergibt .
Der Ständer 3 weist vier quaderförmiger Permanentmagneten 6 auf, die in Taschen 7 des Ständers 3 eingebettet sind und ei¬ ne vierpolige Magnetanordnung bilden. Die vier Ständerpole sind dabei um 90° zueinander versetzt. Bei den Permanentmag- neten 6 handelt es sich um in Radialrichtung magnetisierte Seltenerdenmagnete, beispielsweise auf NeFeB- oder SmCo- Basis .
Erfindungsgemäß ist die axiale Länge 8 der Permanentmagnete 6 größer als die axiale Länge 4 des Ständers 3. Das bedeutet, dass die Permanentmagneten 6 in axialer Richtung 9 einen Ü- berhang 11 aufweisen. Dabei ragen die Permanentmagnete 6 beidseitig über den Ständer 3 hinaus. Der Überhang 11 ist auf beiden Seiten 14, 15 des Ständers 3 gleich groß und beträgt jeweils etwa 5 Prozent der Gesamtlänge eines Permanentmagne¬ ten 6.
Der Ständer 3 weist vier Polschuhe 12 auf, die über jeweils zwei Stege 13 mit dem Joch 16 verbunden sind und zwischen sich und dem Joch 16 die Taschen 7 zur Aufnahme der Permanentmagneten 6 ausbilden. Die Dicke der Stege 13 ist dabei derart gering, dass die mechanische Festigkeit der Konstruk¬ tion gerade noch gewährleistet ist. Um im wesentlichen qua¬ derförmige Taschen 7 zu erhalten, verläuft das Joch 16 in diesen Abschnitten des Ständers 3 geradlinig.
Die Taschen 7 verlaufen dabei in axialer Richtung 9 von der einen Seite 14 des Ständers 3 zu der gegenüberliegenden Seite 15 des Ständers 3 und liegen symmetrisch zu den jeweiligen Polschuhen 12. Das bedeutet, dass die Taschenmitte 17 und so¬ mit auch die Mitte 18 des in der Tasche 7 gehaltenen Perma-
nentmagneten 6 der Mitte 19 des jeweiligen Polschuhs 12 zugeordnet ist .
Die in Richtung Läufer 2 weisende Innenkontur 21 der Polschu- he 12 bildet einen möglichst schmalen Luftspalt 22 zwischen dem Ständer 3 und dem Läufer 2 aus. Der Luftspalt 22 weist eine im wesentlichen konstante Breite auf, im vorliegenden Fall etwa 1,3 mm. Mit anderen Worten ist der Abstand von der Innenkontur 21 der Polschuhe 12 zu dem Läufer 2 im wesentli- chen konstant.
Die radiale Dicke 24 der Polschuhe 12 ist in der Mitte 17, 18, 19 am geringsten. Somit ist in diesem Bereich auch der Abstand von den quaderförmigen Permanentmagneten 6 zu dem Läufer 2 minimal. Die radiale Dicke 24 der Polschuhe 12 in der Mitte 17, 18, 19 ist dabei derart gering, dass die mecha¬ nische Festigkeit der Konstruktion gerade noch gewährleistet ist.
Der größere Abstand der Ränder 23 der quaderförmigen Permanentmagnete 6 zu dem Läufer 2 wird durch die Form der Pol¬ schuhe 12 ausgeglichen. Die radiale Dicke 25 der Polschuhe 12 ist in diesen Bereichen deutlich größer als in dem Mittelbereich der Polschuhe 12, so dass der Abstand zu dem Läufer 2 mit Eisenmaterial überbrückt ist. Damit wird ein ungestörter Magnetfluss und damit höhere Motordrehmomente gewährleistet. Von dem Mittelbereich zu den Randbereichen der Polschuhe 12 verändert sich dabei die radiale Dicke und damit der Abstand der Permanentmagneten 6 zu dem Läufer 2 kontinuierlich.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel bietet für preiswerte quaderförmige, eingebettete Seltenerden-Permanentmagnete eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhte Motorleistung bei verhältnismäßig geringer Baugröße des Gleichstrommo- tors 1, indem die Permanentmagnete 6 einen axialen Überhang 11 aufweisen und zugleich die radiale Dicke 23 im Mittelbe¬ reich 19 der Polschuhe 12 reduziert ist. Sowohl der Überhang
11 der Permanentmagnete 6 als auch die spezielle Form der Polschuhe 12 gewährleisten eine Verringerung der magnetischen Streuverluste und sichern in Kombination eine deutlich verbesserte Motorleistung.