WO2007137989A1 - Stator of a dc machine with cuboidal permanent magnets - Google Patents

Stator of a dc machine with cuboidal permanent magnets Download PDF

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WO2007137989A1
WO2007137989A1 PCT/EP2007/055052 EP2007055052W WO2007137989A1 WO 2007137989 A1 WO2007137989 A1 WO 2007137989A1 EP 2007055052 W EP2007055052 W EP 2007055052W WO 2007137989 A1 WO2007137989 A1 WO 2007137989A1
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stator
permanent magnets
electrical machine
pole shoes
pole
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PCT/EP2007/055052
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Inventor
Jacek Junak
Grzegorz Ombach
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Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kg
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
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    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
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    • H02K21/28—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with rotating armatures and stationary magnets with armatures rotating within the magnets

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine with a stator, which comprises a number of spaced-apart pole pieces of different polarity and a number of pole shoes associated permanent magnet, and with a cooperating with the stator and rotatable about a rotational axis runners.
  • the invention relates to a bürstenbehaf ⁇ ended DC motor.
  • rare-earth magnets are often used instead of ferrite magnets because of their better magnetic properties.
  • cup-shaped (arc SHA ped) rare-earth magnets is known. Usually, these are attached directly to a yoke of the DC motor, eg. With the help of an adhesive or clamp connection.
  • An object of the present invention is to find a solution in which permanent magnets, in particular inexpensive producible rectangular permanent magnets, can be used in a stator of an electric machine, without resulting in an increase in the engine volume.
  • an electric machine according to claim 1 An ⁇ .
  • adjacent pole pieces form under ⁇ different polarity between them a receiving opening, which is preferably completely filled by a permanent magnet.
  • a core idea of the invention is accordingly to the Permanentmag ⁇ not designated above and below a pole piece réelleord ⁇ NEN, for example in a pocket between a pole piece and a yoke of the stator or a casing of the engine.
  • the arrangement of the permanent magnets are Zvi ⁇ rule adjacent pole of different polarity.
  • the pole shoes are spatially separated from one another by permanent magnets arranged laterally on them, as well as magnetized simultaneously in accordance with their position relative to the permanent magnets.
  • ⁇ expresses the acts arranged on one side of the permanent magnet pole piece as a magnetic north pole, while being on the opposite side of the permanent magnet acts ⁇ arranged other pole piece as a magnetic south pole.
  • the arrangement of the permanent magnets in the receiving openings formed between the pole shoes is preferably carried out such that the permanent magnets of the adjacent Polschu ⁇ hen are also mechanically held. They fill the receiving openings preferably completely.
  • the permanent magnets protrude in the radial direction neither beyond the inner contour, nor beyond the outer contour of the pole pieces.
  • the overall dimensions of the stator essentially result from the dimensions of the pole shoes. Additional space for receiving permanent magnets in the radial direction is not required.
  • this solution is characterized in that due to the significantly better utilization of the existing cross-sectional area an increase in the motor volume to accommodate the permanent magnets is not required.
  • the stator has a circular inner contour for receiving the Läu ⁇ fers and a straight, preferably rectangular outer contour, wherein the receiving openings for the Permanentmag ⁇ nets are arranged in the corner regions of the stator, resulting between the inner contour and the outer contour. It is particularly advantageous if the diameter of the inner contour is almost equal to the minimum diameter of the outer contour. This is the case in particular when there is a square outer contour in cross-section and the pole shoes taper in the central regions in such a way that in these regions the pole shoe thickness is equal to zero or almost zero. The outer diameter of the rotor is then almost equal to the edge length of the outer contour of the stator.
  • the inner contour of the stator is a circular inner HaI- teelement and the outer contour of the stator associated with a rectangular cross-section outer holding element, wherein pole shoes and permanent magnets between these holding elements are fixed without wei ⁇ tere connecting elements.
  • the pole pieces and the permanent magnets are fixed in other words between the two holding elements, preferably jammed.
  • the use of an adhesive ⁇ material or additional fasteners (brackets, etc.) can be provided, but is preferably not required. This also simplifies the assembly.
  • the inner retaining element is preferably designed in the form of a ring or tire, thus has the shape of a narrow hollow cylinder.
  • the ge preferably of iron or steel ⁇ customized ring has foundeds- least a respective axially extending opening or off ⁇ in the field of the permanent magnets savings on to a magnetic short circuit between adjacent pole pieces to prevent different polarity.
  • the opening preferably extends over a mög ⁇ lichst wide axial area of the inner holder member, JE but always so that the stability and strength of the holding ⁇ elements is ensured.
  • a plurality it is also possible for a plurality to be arranged one after the other in the axial direction. the arranged openings or recesses may be provided, so that the number of remaining retaining struts increases. As a result of these openings, the magnetic short circuit in the machine according to the invention can be markedly reduced in comparison with conventional designs made from stamped sheets.
  • the outer holding element can be made of a non-magnetic Mate ⁇ rial and preferably also serves as the housing of the electric machine. Proven the Ver ⁇ has use of a plastic material. The use of a heavy and expensive metallic housing is therefore no longer necessary.
  • the electric machine is preferably a brushed DC motor.
  • the advantages of the invention appear in this case particularly strong.
  • the invention is suitable for DC motors, which are used in motor vehicles, since there the question of the smallest possible space is particularly important.
  • the permanent magnets are preferably rare-earth magnets which have improved magnetic properties compared to ferrite magnets. Due to the higher remanence greater magnetic field strengths can be achieved, so that the engine can be smaller overall dimensioned ⁇ ned.
  • pole pieces need not be made from stamped sheets. Instead, massive pole pieces made of magnetic material can be used. This significantly reduces the cost of the manufacturing process.
  • the stator can be longer than the rotor in the axial direction, whereby the stator ensures an advantageous concentration of the magnetic flux in the axial direction of the motor.
  • FIG. 1 shows a DC motor according to the invention with rotor and stator and outer housing
  • FIG 2 shows the stator of FIG 1 with inner ring
  • FIG. 5 shows the permanent magnets of FIG. 2
  • the four-pole brushed DC motor according to the invention ⁇ 1 has a rotor 2 and a stator 3, see FIG. 1, the axial length 4 of the stator 3 is small in comparison to the dimensions (in particular the "diameter") of the DC motor 1.
  • the rotor 2 rotates in the interior of the stator 3 about a rotation axis 5.
  • the rotor 2 has a Winding (not shown) powered by a DC source via brushes (both not shown) The winding is located in the axial grooves 6 located between the teeth 7 of the rotor 2.
  • the stator 3 consists essentially of eight solid pole pieces 8 of magnetic material and four parallelepipedic permanent magnets 9, which are embedded in formed between the pole pieces 8 receiving openings 11 and form a four-pole magnet assembly, see. FIGS. 2 and 4.
  • the permanent magnets 9 are radial-magnetized rare earth magnets, for example based on NeFeB or SmCo.
  • the width 12 of the pole pieces 8 corresponds approximately to the width of the rotor 2.
  • the stator 3 has a circular inner contour 13 and a square outer contour 14.
  • the inner contour 13 of the stator 3 is formed by a circular inner holding element in the form of a Rin ⁇ ges or tire made of sheet steel, see. 3, which is referred to below as the sheath ring 15.
  • the sheath ring 15 serves only for mechanical fixation of the pole shoes 8 and is made of thin sheet metal, for example with a material thickness of 0.5 mm.
  • the pointing in the direction of the rotor 2 inner contour 13 of the pole pieces 8 with the sheath ring 15 forms as narrow as possible air gap 16 between the stator 3 and the rotor 2.
  • the air gap 16 has a substantially constant width, in the present case about 1.3 mm. In other words, the distance from the inner contour 15 of the pole shoes 8 to the rotor 2 is substantially constant.
  • the outer contour 14 of the stator 3 is formed by a cross-sectionally square outer holding element in the form of a plastic housing, which is subsequently characterized as a casing frame 17 ⁇ .
  • the casing frame 17 projects beyond the rotor 2 in the axial direction.
  • the pole pieces 8 with the intermediate permanent magnets 9 thereby completely fill the space between the casing ring 15 and the casing frame 17. This also results in the characteristic shape of the pole shoes ⁇ 8, see.
  • the four stator poles formed by the pole pieces 8 are offset by 90 ° to each other. Each of the four stator poles runs over the entire width of one stator side.
  • the stator poles are each in the middle 10 of a stator un ⁇ interrupted. The radial thickness of the pole pieces 8 thus decreases from the stator corners 20 in the direction of the center of the page to zero.
  • Each stator pole is made with other Wor ⁇ th of two adjacent pole pieces 8 of the same polarity.
  • the magnetic poles are indicated by the letters N and S in FIG.
  • Each pole piece 8 is adjacent in the corner regions 20 of the stator 3 to an adjacent pole piece 8 of different polarity, but without touching it.
  • Pocket-shaped receiving openings 11 for receiving the block-shaped permanent magnets 9 are formed between these pole pieces 8 of different polarity.
  • the receiving openings 11 extend in the axial direction 18 from the one side 19 of the stator 3 to the opposite side 21 of the stator 3 and ensure a "radia ⁇ le" arrangement of the permanent magnets 9 in the corner regions 20 of the stator 3.
  • the permanent magnets fill theracöff ⁇ voltages 11 completely. 8 pole pieces and permanent magnets 9 between the holding members 15 and sheath ring 17 clamped Hüllenrah- men here without using additional fastening elements.
  • the permanent magnets 9 are perpendicular to the sleeve ring 15 with their narrow sides 22 and are thus arranged "radially" relative to the rotor 3.
  • the sleeve ring 15 has a recess 23 in each case in the area of the permanent magnets 9.
  • the recess 23 shown in FIG in the axial direction 18 and thus corresponds to the side surface of the permanent magnet 9 impinging on the casing ring 15 at this point.
  • the recesses 23 serve to avoid magnetic short circuits between the adjacent pole shoes 8 of different polarity in the region of the casing ring 15 or at least to a minimum reduzie ⁇ ren. to stabilize the shell ring 15, the recesses 23 may also include one or more ridges 23a (see Fig. 3) which are arranged in the circumferential direction in the recesses 23.
  • the radial thickness of the pole pieces 8 is significantly greater in these corner regions 20 than in the central region 10.
  • the end faces 24 of the pole shoes 8 facing each other and defining the receiving openings 11 correspond to the large one Side surfaces 25 of the permanent magnets 9 to which they anlie ⁇ gene.
  • a particularly effective magnetic flux is ensured by the permanent magnet 9 to the pole pieces 8.
  • the magnetic poles of the permanent magnets 9 are marked with the letters N and S in FIG.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

The invention relates to an electrical machine (1) with a stator (3) that comprises a number of pole shoes (8) separated from one another and a number of permanent magnets (9) correlated with the pole shoes (8), and with a rotor (2) rotatable around a rotational axis (5) and interacting with the stator (3). The invention particularly relates to a DC motor equipped with a brush system. To find a method in which permanent magnets (9), in particular economically producible cuboidal permanent magnets (9), can be used in a stator (3) of such a machine (1) without this leading to an increased motor volume, it is proposed that adjacent pole shoes (8) of differing polarities have a receptacle opening (1) between them that is preferably completely filled by a permanent magnet (9).

Description

Beschreibungdescription
MAGNETORHEOLOGICAL FLUID CLUTCHMAGNETORHEOLOGICAL FLUID CLUTCH
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, der eine Anzahl voneinander beabstandeter Polschuhe unterschiedlicher Polarität sowie eine Anzahl den Polschuhen zugeordneter Permanentmagneten umfasst, und mit einem mit dem Stator zusammenwirkenden und um eine Drehachse drehbaren Läu- fer. Insbesondere betrifft die Erfindung einen bürstenbehaf¬ teten Gleichstrommotor.The invention relates to an electrical machine with a stator, which comprises a number of spaced-apart pole pieces of different polarity and a number of pole shoes associated permanent magnet, and with a cooperating with the stator and rotatable about a rotational axis runners. In particular, the invention relates to a bürstenbehaf ¬ ended DC motor.
Als Permanentmagneten werden wegen ihrer besseren magnetischen Eigenschaften anstelle von Ferritmagneten oft Seltene- Erde-Magnete eingesetzt. Um ein möglichst geringes Motorvolu¬ men zu erhalten, ist die Verwendung schalenförmiger (arc sha- ped) Seltene-Erde-Magnete bekannt. Üblicherweise werden diese direkt an einem Joch des Gleichstrommotors befestigt, bspw. mit Hilfe einer Klebe- oder Klemmverbindung.As permanent magnets rare-earth magnets are often used instead of ferrite magnets because of their better magnetic properties. To get the lowest possible men Motorvolu ¬, the use of cup-shaped (arc SHA ped) rare-earth magnets is known. Usually, these are attached directly to a yoke of the DC motor, eg. With the help of an adhesive or clamp connection.
Für preiswerte Lösungen, bei denen das Motorvolumen keine so große Rolle spielt, kommen anstelle von schalenförmigen Sel¬ tene-Erde-Magnete oft quaderförmige (brick shaped) Seltene- Erde-Magnete zum Einsatz.For inexpensive solutions in which the motor volume does not play such a large role, instead of cup-shaped Sel ¬ earth-earth magnets often rectangular (brick shaped) rare earth magnets are used.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu finden, bei der Permanentmagnete, insbesondere preiswert herstellbare quaderförmige Permanentmagnete, in einem Stator einer elektrischen Maschine verwendet werden können, ohne dass dies zu einer Vergrößerung des Motorvolumens führt.An object of the present invention is to find a solution in which permanent magnets, in particular inexpensive producible rectangular permanent magnets, can be used in a stator of an electric machine, without resulting in an increase in the engine volume.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine nach An¬ spruch 1 gelöst. Danach bilden benachbarte Polschuhe unter¬ schiedlicher Polarität zwischen sich eine Aufnahmeöffnung aus, die vorzugsweise vollständig von einem Permanentmagnet ausgefüllt ist. Eine Kernidee der Erfindung ist es demnach, die Permanentmag¬ nete nicht oberhalb bzw. unterhalb eines Polschuhs anzuord¬ nen, beispielsweise in einer Tasche zwischen einem Polschuh und einem Joch des Stators bzw. einem Gehäuse des Motors. Stattdessen erfolgt die Anordnung der Permanentmagnete zwi¬ schen benachbarten Polschuhen unterschiedlicher Polarität. Mit anderen Worten werden die Polschuhe durch seitlich an diesen angeordnete Permanentmagnete sowohl räumlich voneinander getrennt, als auch gleichzeitig entsprechend ihrer Posi- tion zu den Permanentmagneten magnetisiert . Anders ausge¬ drückt wirkt der auf der einen Seite des Permanentmagnetes angeordnete Polschuh als magnetischer Nordpol, während der auf der gegenüberliegenden Seite des Permanentmagnetes ange¬ ordnete andere Polschuh als magnetischer Südpol wirkt. Die Anordnung der Permanentmagnete in den zwischen den Polschuhen gebildeten Aufnahmeöffnungen erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass die Permanentmagnete von den benachbarten Polschu¬ hen auch mechanisch gehalten werden. Dabei füllen sie die Aufnahmeöffnungen vorzugsweise vollständig aus. Vorzugsweise ragen die Permanentmagneten dabei in radialer Richtung weder über die Innenkontur, noch über die Außenkontur der Polschuhe hinaus. Mit anderen Worten ergeben sich die Gesamtabmessungen des Stators im Wesentlichen aus den Abmessungen der Polschuhe. Zusätzlicher Bauraum zur Aufnahme von Permanentmagneten in radialer Richtung ist nicht erforderlich. Gegenüber der herkömmlichen Verwendung blockförmiger Permanentmagnete zeichnet sich diese Lösung dadurch aus, dass aufgrund der deutlich besseren Ausnutzung der vorhandenen Querschnittsfläche eine Vergrößerung des Motorvolumens zur Unterbringung der Permanentmagnete nicht erforderlich ist.This object is achieved by an electric machine according to claim 1 An ¬ . Thereafter, adjacent pole pieces form under ¬ different polarity between them a receiving opening, which is preferably completely filled by a permanent magnet. A core idea of the invention is accordingly to the Permanentmag ¬ not designated above and below a pole piece anzuord ¬ NEN, for example in a pocket between a pole piece and a yoke of the stator or a casing of the engine. Instead, the arrangement of the permanent magnets are Zvi ¬ rule adjacent pole of different polarity. In other words, the pole shoes are spatially separated from one another by permanent magnets arranged laterally on them, as well as magnetized simultaneously in accordance with their position relative to the permanent magnets. Otherwise ¬ expresses the acts arranged on one side of the permanent magnet pole piece as a magnetic north pole, while being on the opposite side of the permanent magnet acts ¬ arranged other pole piece as a magnetic south pole. The arrangement of the permanent magnets in the receiving openings formed between the pole shoes is preferably carried out such that the permanent magnets of the adjacent Polschu ¬ hen are also mechanically held. They fill the receiving openings preferably completely. Preferably, the permanent magnets protrude in the radial direction neither beyond the inner contour, nor beyond the outer contour of the pole pieces. In other words, the overall dimensions of the stator essentially result from the dimensions of the pole shoes. Additional space for receiving permanent magnets in the radial direction is not required. Compared to the conventional use of block-shaped permanent magnets, this solution is characterized in that due to the significantly better utilization of the existing cross-sectional area an increase in the motor volume to accommodate the permanent magnets is not required.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Stator eine kreisrunde Innenkontur zur Aufnahme des Läu¬ fers sowie eine gradlinige, vorzugsweise rechteckige Außen- kontur auf, wobei die Aufnahmeöffnungen für die Permanentmag¬ nete in den Eckbereichen des Stators angeordnet sind, die sich zwischen der Innenkontur und der Außenkontur ergeben. Ganz besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Durchmesser der Innenkontur nahezu gleich dem minimalen Durchmesser der Außenkontur ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn im Querschnitt eine quadratische Außenkontur vorliegt und die Polschuhe sich in den Mittelbereichen derart verjüngen, dass in diesen Bereichen die Polschuhdicke gleich Null oder nahezu Null ist. Der Außendurchmesser des Läufers ist dann nahezu gleich der Kantenlänge der Außenkontur des Stators.According to a preferred embodiment of the invention, the stator has a circular inner contour for receiving the Läu ¬ fers and a straight, preferably rectangular outer contour, wherein the receiving openings for the Permanentmag ¬ nets are arranged in the corner regions of the stator, resulting between the inner contour and the outer contour. It is particularly advantageous if the diameter of the inner contour is almost equal to the minimum diameter of the outer contour. This is the case in particular when there is a square outer contour in cross-section and the pole shoes taper in the central regions in such a way that in these regions the pole shoe thickness is equal to zero or almost zero. The outer diameter of the rotor is then almost equal to the edge length of the outer contour of the stator.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Innenkontur des Stators ein kreisrundes inneres HaI- teelement und der Außenkontur des Stators ein im Querschnitt rechteckiges äußeres Halteelement zugeordnet, wobei Polschuhe und Permanentmagnete zwischen diesen Haltelementen ohne wei¬ tere Verbindungselemente fixiert sind. Bei dieser selbsttra¬ genden Konstruktion werden die Polschuhe und die Permanent- magnete mit anderen Worten zwischen den beiden Halteelementen fixiert, vorzugsweise verklemmt. Die Verwendung eines Kleb¬ stoffes oder zusätzlicher Verbindungselemente (Klammern etc.) kann dabei vorgesehen sein, ist vorzugsweise jedoch nicht erforderlich. Hierdurch vereinfacht sich auch die Montage.According to a further preferred embodiment of the invention, the inner contour of the stator is a circular inner HaI- teelement and the outer contour of the stator associated with a rectangular cross-section outer holding element, wherein pole shoes and permanent magnets between these holding elements are fixed without wei ¬ tere connecting elements. In this selbsttra ¬ ing construction, the pole pieces and the permanent magnets are fixed in other words between the two holding elements, preferably jammed. The use of an adhesive ¬ material or additional fasteners (brackets, etc.) can be provided, but is preferably not required. This also simplifies the assembly.
Das innere Halteelement ist vorzugsweise in Form eines Ringes oder Reifens ausgebildet, weist also die Form eines schmalen Hohlzylinders auf. Der vorzugsweise aus Eisen bzw. Stahl ge¬ fertigte Ring weist im Bereich der Permanentmagnete wenigs- tens je eine in Axialrichtung verlaufende Öffnung oder Aus¬ sparung auf, um einen magnetischen Kurzschluss zwischen den angrenzenden Polschuhen unterschiedlicher Polarität zu vermeiden. Die Öffnung verläuft vorzugsweise über einen mög¬ lichst breiten axialen Bereich des inneren Halteelements, je- doch stets so, dass die Stabilität und Festigkeit des Halte¬ elements gewährleistet bleibt. Aus Gründen der mechanischen Stabilität können auch mehrere in Axialrichtung hintereinan- der angeordnete Öffnungen oder Aussparungen vorgesehen sein, so dass sich die Anzahl der verbleibenden Haltestreben erhöht. Durch diese Öffnungen kann der magnetische Kurzschluss bei der erfindungsgemäßen Maschine im Vergleich zu herkömmli- chen Konstruktionen aus Stanzblechen deutlich verringert werden .The inner retaining element is preferably designed in the form of a ring or tire, thus has the shape of a narrow hollow cylinder. The ge preferably of iron or steel ¬ customized ring has wenigs- least a respective axially extending opening or off ¬ in the field of the permanent magnets savings on to a magnetic short circuit between adjacent pole pieces to prevent different polarity. The opening preferably extends over a mög ¬ lichst wide axial area of the inner holder member, JE but always so that the stability and strength of the holding ¬ elements is ensured. For reasons of mechanical stability, it is also possible for a plurality to be arranged one after the other in the axial direction. the arranged openings or recesses may be provided, so that the number of remaining retaining struts increases. As a result of these openings, the magnetic short circuit in the machine according to the invention can be markedly reduced in comparison with conventional designs made from stamped sheets.
Das äußere Haltelement kann aus einem nichtmagnetischem Mate¬ rial hergestellt werden und dient vorzugsweise zugleich als Gehäuse der elektrischen Maschine. Bewährt hat sich die Ver¬ wendung eines Kunststoffmaterials. Die Verwendung eines schweren und teuren metallischen Gehäuses ist somit nicht mehr erforderlich.The outer holding element can be made of a non-magnetic Mate ¬ rial and preferably also serves as the housing of the electric machine. Proven the Ver ¬ has use of a plastic material. The use of a heavy and expensive metallic housing is therefore no longer necessary.
Bei der elektrischen Maschine handelt es sich vorzugsweise um einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor. Die Vorteile der Erfindung treten in diesem Fall besonders stark zum Vorschein. Insbesondere ist die Erfindung für Gleichstrommotoren geeignet, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, da dort der Frage eines möglichst geringen Bauraumes eine besonders wichtige Bedeutung zukommt.The electric machine is preferably a brushed DC motor. The advantages of the invention appear in this case particularly strong. In particular, the invention is suitable for DC motors, which are used in motor vehicles, since there the question of the smallest possible space is particularly important.
Bei den Permanentmagneten handelt es sich vorzugsweise um Seltene-Erde-Magnete, die im Vergleich zu Ferritmagneten ver- besserte magnetische Eigenschaften aufweisen. Aufgrund der höheren Remanenz können größere magnetische Feldstärken erreicht werden, so dass der Motor insgesamt kleiner dimensio¬ niert werden kann. Unter dem Begriff Seltene-Erde-Magnete werden dabei Magneten aus seltenen Erde-Magnetwerkstoffen, wie beispielsweise kunststoffgebundene Werkstoffe, verstan¬ den .The permanent magnets are preferably rare-earth magnets which have improved magnetic properties compared to ferrite magnets. Due to the higher remanence greater magnetic field strengths can be achieved, so that the engine can be smaller overall dimensioned ¬ ned. The term rare-earth magnets while magnets from rare earth magnetic materials, such as plastic-bonded materials, Verstan ¬ the.
Mit der Erfindung wird auf konstruktiv einfache Art und Weise erreicht, dass anstelle von bogenförmigen Permanentmagneten preiswertere blockförmige Permanentmagnete verwendet werden können . Mit der Erfindung wird darüber hinaus erreicht, dass bei gleichbleibendem Motordurchmesser eine höhere Motorleistung erzielt werden kann. Dies wird aufgrund einer „radialen" Anordnung der Permanentmagneten in den Eckbereichen möglich, so dass der Durchmesser des Läufers nahezu gleichgroß wie der Außendurchmesser des Motors sein kann. Gegenüber herkömmlichen Motorkonstruktionen können mit Hilfe der vorliegenden Erfindung anders ausgedrückt also deutlich größere Läufer verwendet werden. Dies bedeutet zugleich, dass auch mehr Platz für die Läuferwicklung vorhanden ist. Bei gleicher Motorleistung wird daher bis zu 40 Prozent weniger Magnetmate¬ rial benötigt, was ebenfalls zu verringerten Gesamtkosten beiträgt. Darüber hinaus muss das Motorgehäuse nicht zum Mag- netfluss beitragen und damit auch nicht aus magnetischem Ma- terial gefertigt sein, so dass auch hier Kosten eingespart werden können. Zugleich kann dadurch das Gewicht des Gehäuses und damit das Gesamtgewicht des Motors deutlich verringert werden .With the invention is achieved in a structurally simple manner that instead of arcuate permanent magnets cheaper block-shaped permanent magnets can be used. With the invention is also achieved that with a constant engine diameter higher engine power can be achieved. This is possible because of a "radial" arrangement of the permanent magnets in the corner areas, so that the diameter of the rotor can be almost the same size as the outer diameter of the motor.Thus, in comparison with conventional motor designs, significantly larger travelers can be used with the aid of the present invention also means that more space is available for the rotor winding. With the same engine power is less magnetic Mate required to ¬ rial to 40 percent, which also contributes to reduced overall costs. In addition, the motor housing must not contribute to the Mag-netfluss and thus not In this case, the weight of the housing and thus the total weight of the engine can be significantly reduced.
Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen Konstruktionen ist es, dass die Polschuhe nicht aus Stanzblechen gefertigt sein müssen. Stattdessen können massive Polschuhe aus magnetischem Material verwendet werden. Hierdurch verringern sich die Kosten des Herstellungsprozesses deutlich. Zugleich kann dadurch der Stator in Axialrichtung länger als der Läufer sein, wodurch der Stator eine vorteilhafte Konzentration des magnetischen Flusses in Axialrichtung des Motors sicherstellt.Another advantage over conventional designs is that the pole pieces need not be made from stamped sheets. Instead, massive pole pieces made of magnetic material can be used. This significantly reduces the cost of the manufacturing process. At the same time thereby the stator can be longer than the rotor in the axial direction, whereby the stator ensures an advantageous concentration of the magnetic flux in the axial direction of the motor.
Aufgrund der besonderen konstruktiven Ausgestaltung können zudem die Bürsten des bürstenbehafteten Gleichstrommotors länger sein, als bei herkömmlichen Motoren, da in radialer Richtung mehr Platz für die Bürsten vorhanden ist. Durch die neuartige Anordnung der Permanentmagneten verringern sich ge- genüber herkömmlichen Lösungen darüber hinaus die magnetischen Streuverluste. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei¬ spieles beschrieben, das mit Hilfe von Zeichnungen näher erläutert wird. Hierbei zeigen in vereinfachten schematischen Darstellungen :Due to the special structural design also the brushes of the brushed DC motor can be longer than in conventional motors, as in the radial direction more space for the brush is available. The novel arrangement of the permanent magnets also reduces the magnetic leakage losses compared to conventional solutions. The invention will be described below with reference to a Ausführungsbei ¬ game, which will be explained in more detail with the aid of drawings. Here are shown in simplified schematic representations:
FIG 1 einen erfindungsgemäßen Gleichstrommotor mit Läufer und Stator sowie Außengehäuse,1 shows a DC motor according to the invention with rotor and stator and outer housing,
FIG 2 den Stator aus FIG 1 mit Innenring,2 shows the stator of FIG 1 with inner ring,
FIG 3 den Innenring aus FIG 2,3 shows the inner ring of FIG 2,
FIG 4 die Polschuhe aus FIG 2, und4 shows the pole pieces of FIG 2, and
FIG 5 die Permanentmagneten aus FIG 2.5 shows the permanent magnets of FIG. 2
Der erfindungsgemäße vierpolige bürstenbehaftete Gleichstrom¬ motor 1 weist einen Läufer 2 und einen Stator 3 auf, vgl. FIG 1. Dabei ist die axiale Länge 4 des Stators 3 klein im Ver- gleich zu den Abmessungen (insbesondere dem „Durchmesser") des Gleichstrommotors 1. Der Läufer 2 rotiert im Inneren des Stators 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 6, die zwischen den Zähnen 7 des Läufers 2 angeordnet sind.The four-pole brushed DC motor according to the invention ¬ 1 has a rotor 2 and a stator 3, see FIG. 1, the axial length 4 of the stator 3 is small in comparison to the dimensions (in particular the "diameter") of the DC motor 1. The rotor 2 rotates in the interior of the stator 3 about a rotation axis 5. The rotor 2 has a Winding (not shown) powered by a DC source via brushes (both not shown) The winding is located in the axial grooves 6 located between the teeth 7 of the rotor 2.
Der Stator 3 besteht im wesentlichen aus acht massiven Polschuhen 8 aus magnetischem Material und vier quaderförmigen Permanentmagneten 9, die in zwischen den Polschuhen 8 ausgebildeten Aufnahmeöffnungen 11 eingebettet sind und eine vierpolige Magnetanordnung bilden, vgl. FIG 2 und 4. Bei den Permanentmagneten 9 handelt es sich um in Radialrichtung magne- tisierte Seltene-Erde-Magnete, beispielsweise auf NeFeB- oder SmCo-Basis. Die Breite 12 der Polschuhe 8 entspricht etwa der Breite des Läufers 2. Der Stator 3 weist eine kreisrunde Innenkontur 13 sowie eine quadratische Außenkontur 14 auf. Der Durchmesser der Innenkontur 13 entspricht dabei in etwa dem Außendurchmesser des Läufers 2. Die Innenkontur 13 des Stators 3 wird gebildet durch ein kreisrundes inneres Halteelement in Form eines Rin¬ ges oder Reifens aus Stahlblech, vgl. FIG 3, der nachfolgend als Hüllenring 15 bezeichnet wird. Der Hüllenring 15 dient lediglich der mechanischen Fixierung der Polschuhe 8 und ist aus dünnem Blech gefertigt, beispielsweise mit einer Materi- alstärke von 0,5 mm. Die in Richtung Läufer 2 weisende Innenkontur 13 der Polschuhe 8 mit dem Hüllenring 15 bildet einen möglichst schmalen Luftspalt 16 zwischen dem Stator 3 und dem Läufer 2 aus. Der Luftspalt 16 weist eine im Wesentlichen konstante Breite auf, im vorliegenden Fall etwa 1,3 mm. Mit anderen Worten ist der Abstand von der Innenkontur 15 der Polschuhe 8 zu dem Läufer 2 im Wesentlichen konstant.The stator 3 consists essentially of eight solid pole pieces 8 of magnetic material and four parallelepipedic permanent magnets 9, which are embedded in formed between the pole pieces 8 receiving openings 11 and form a four-pole magnet assembly, see. FIGS. 2 and 4. The permanent magnets 9 are radial-magnetized rare earth magnets, for example based on NeFeB or SmCo. The width 12 of the pole pieces 8 corresponds approximately to the width of the rotor 2. The stator 3 has a circular inner contour 13 and a square outer contour 14. The inner contour 13 of the stator 3 is formed by a circular inner holding element in the form of a Rin ¬ ges or tire made of sheet steel, see. 3, which is referred to below as the sheath ring 15. The sheath ring 15 serves only for mechanical fixation of the pole shoes 8 and is made of thin sheet metal, for example with a material thickness of 0.5 mm. The pointing in the direction of the rotor 2 inner contour 13 of the pole pieces 8 with the sheath ring 15 forms as narrow as possible air gap 16 between the stator 3 and the rotor 2. The air gap 16 has a substantially constant width, in the present case about 1.3 mm. In other words, the distance from the inner contour 15 of the pole shoes 8 to the rotor 2 is substantially constant.
Die Außenkontur 14 des Stators 3 wird gebildet durch ein im Querschnitt quadratisches äußeres Halteelement in Form eines Kunststoffgehäuses, das nachfolgend als Hüllenrahmen 17 be¬ zeichnet wird. Der Hüllenrahmen 17 ragt in axialer Richtung über den Läufer 2 hinaus. Die Polschuhe 8 mit den zwischenliegenden Permanentmagneten 9 füllen dabei den Raum zwischen dem Hüllenring 15 und dem Hüllenrahmen 17 vollständig aus. Dadurch ergibt sich auch die charakteristische Form der Pol¬ schuhe 8, vgl. FIG 4.The outer contour 14 of the stator 3 is formed by a cross-sectionally square outer holding element in the form of a plastic housing, which is subsequently characterized as a casing frame 17 ¬ . The casing frame 17 projects beyond the rotor 2 in the axial direction. The pole pieces 8 with the intermediate permanent magnets 9 thereby completely fill the space between the casing ring 15 and the casing frame 17. This also results in the characteristic shape of the pole shoes ¬ 8, see. FIG. 4
Die vier durch die Polschuhe 8 gebildeten Statorpole sind um 90° zueinander versetzt. Jeder der vier Statorpole verläuft dabei über die gesamte Breite einer Statorseite. Dabei sind die Statorpole jeweils in der Mitte 10 einer Statorseite un¬ terbrochen. Die radiale Dicke der Polschuhe 8 nimmt also von den Statorecken 20 in Richtung Seitenmitte bis auf Null ab. Dort liegt im montierten Zustand der eigentlich der Innenkon- tur 13 zugeordnete Hüllenring 15 direkt an dem HüllenrahmenThe four stator poles formed by the pole pieces 8 are offset by 90 ° to each other. Each of the four stator poles runs over the entire width of one stator side. The stator poles are each in the middle 10 of a stator un ¬ interrupted. The radial thickness of the pole pieces 8 thus decreases from the stator corners 20 in the direction of the center of the page to zero. There, in the assembled state, the casing ring 15 actually assigned to the inner contour 13 lies directly against the casing frame
17 des Stators 3 an. Jeder Statorpol besteht mit anderen Wor¬ ten aus zwei benachbarten Polschuhen 8 gleicher Polarität. Zur besseren Verdeutlichung sind in FIG 4 die magnetischen Pole mit den Buchstaben N und S angegeben. Jeder Polschuh 8 grenzt in den Eckbereichen 20 des Stators 3 an einen benachbarten Polschuh 8 unterschiedlicher Polarität, ohne diesen jedoch zu berühren. Zwischen diesen Polschuhen 8 unterschiedlicher Polarität sind taschenförmige Aufnahmeöffnungen 11 zur Aufnahme der blockförmigen Permanentmagnete 9 ausgebildet. Die Aufnahmeöffnungen 11 verlaufen dabei in axialer Richtung 18 von der einen Seite 19 des Stators 3 zu der gegenüberlie- genden Seite 21 des Stators 3 und gewährleisten eine „radia¬ le" Anordnung der Permanentmagnete 9 in den Eckbereichen 20 des Stators 3. Die Permanentmagnete 9 füllen die Aufnahmeöff¬ nungen 11 vollständig aus. Polschuhe 8 und Permanentmagnete 9 sind zwischen den Halteelementen Hüllenring 15 und Hüllenrah- men 17 hier ohne Verwendung zusätzlicher Befestigungselemente verklemmt .17 of the stator 3 on. Each stator pole is made with other Wor ¬ th of two adjacent pole pieces 8 of the same polarity. For better clarity, the magnetic poles are indicated by the letters N and S in FIG. Each pole piece 8 is adjacent in the corner regions 20 of the stator 3 to an adjacent pole piece 8 of different polarity, but without touching it. Pocket-shaped receiving openings 11 for receiving the block-shaped permanent magnets 9 are formed between these pole pieces 8 of different polarity. The receiving openings 11 extend in the axial direction 18 from the one side 19 of the stator 3 to the opposite side 21 of the stator 3 and ensure a "radia ¬ le" arrangement of the permanent magnets 9 in the corner regions 20 of the stator 3. The permanent magnets fill the Aufnahmeöff ¬ voltages 11 completely. 8 pole pieces and permanent magnets 9 between the holding members 15 and sheath ring 17 clamped Hüllenrah- men here without using additional fastening elements.
Die Permanentmagnete 9 stehen mit ihren Schmalseiten 22 senkrecht auf dem Hüllenring 15 und sind damit bezogen auf den Läufer 3 „radial" angeordnet. Der Hüllenring 15 weist jeweils im Bereich der Permanentmagnete 9 eine Aussparung 23 auf. Die in Figur 2 dargestellte Aussparung 23 verläuft schlitzförmig in Axialrichtung 18 und korrespondiert damit zu der an dieser Stelle auf den Hüllenring 15 auftreffenden Seitenfläche des Permanentmagneten 9. Die Aussparungen 23 dienen dazu, im Bereich des Hüllenrings 15 magnetische Kurzschlüsse zwischen den hier angrenzenden Polschuhen 8 unterschiedlicher Polarität zu vermeiden oder zumindest auf ein Minimum zu reduzie¬ ren. Zur Stabilisierung des Hüllenringes 15 können die Aus- sparungen 23 auch einen oder mehrere Stege 23a (siehe Fig. 3) aufweisen, die in Umfangsrichtung in den Aussparungen 23 angeordnet sind.The permanent magnets 9 are perpendicular to the sleeve ring 15 with their narrow sides 22 and are thus arranged "radially" relative to the rotor 3. The sleeve ring 15 has a recess 23 in each case in the area of the permanent magnets 9. The recess 23 shown in FIG in the axial direction 18 and thus corresponds to the side surface of the permanent magnet 9 impinging on the casing ring 15 at this point. The recesses 23 serve to avoid magnetic short circuits between the adjacent pole shoes 8 of different polarity in the region of the casing ring 15 or at least to a minimum reduzie ¬ ren. to stabilize the shell ring 15, the recesses 23 may also include one or more ridges 23a (see Fig. 3) which are arranged in the circumferential direction in the recesses 23.
Die radiale Dicke der Polschuhe 8 ist in diesen Eckbereichen 20 deutlich größer als in dem Mittelbereich 10. Die aufeinander zu weisenden und die Aufnahmeöffnungen 11 definierenden Endflächen 24 der Polschuhe 8 entsprechen dabei den großen Seitenflächen 25 der Permanentmagnete 9, an denen sie anlie¬ gen. Damit wird ein besonders effektiver Magnetfluss von den Permanentmagneten 9 zu den Polschuhen 8 sichergestellt. Zur besseren Verdeutlichung sind in FIG 5 die magnetischen Pole der Permanentmagneten 9 mit den Buchstaben N und S gekennzeichnet . The radial thickness of the pole pieces 8 is significantly greater in these corner regions 20 than in the central region 10. The end faces 24 of the pole shoes 8 facing each other and defining the receiving openings 11 correspond to the large one Side surfaces 25 of the permanent magnets 9 to which they anlie ¬ gene. Thus, a particularly effective magnetic flux is ensured by the permanent magnet 9 to the pole pieces 8. For better clarity, the magnetic poles of the permanent magnets 9 are marked with the letters N and S in FIG.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrische Maschine (1) mit einem Stator (3), der eine Anzahl voneinander beabstandeter Polschuhe (8) sowie eine An- zahl den Polschuhen (8) zugeordnete Permanentmagnete (9) um- fasst, und mit einem mit dem Stator (3) zusammenwirkenden und um eine Drehachse (5) drehbaren Läufer (2), dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Polschuhe (8) unterschiedlicher Polarität, in Umfangsrichtung zwischen sich, Aufnahmeöffnun- gen (11) ausbilden, in denen Permanentmagnete (9) angeordnet sind.1. Electrical machine (1) with a stator (3), which comprises a number of spaced apart pole shoes (8) and a number of pole shoes (8) associated permanent magnets (9), and with a with the stator (3 ) interacting and about a rotational axis (5) rotatable rotor (2), characterized in that adjacent pole pieces (8) of different polarity, in the circumferential direction between them, Aufnahmeöffnun- conditions (11) form, in which permanent magnets (9) are arranged.
2. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) im wesentlichen durch die PoI- schuhe (8) gebildete Konturen aufweist, nämlich eine kreis¬ runde Innenkontur (13) sowie eine geradlinige Außenkontur (14), wobei die Aufnahmeöffnungen (11) in sich zwischen der Innenkontur (13) und der Außenkontur (14) ergebenden Eckbereichen (20) des Stators (2) angeordnet sind.2. Electrical machine (1) according to claim 1, characterized in that the stator (3) substantially by the PoI- shoes (8) formed contours, namely a circular ¬ round inner contour (13) and a rectilinear outer contour (14) , wherein the receiving openings (11) in between the inner contour (13) and the outer contour (14) resulting corner regions (20) of the stator (2) are arranged.
3. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkontur (13) des Stators (3) ein kreisrundes inneres Halteelement (15) und der Außenkontur3. Electrical machine (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the inner contour (13) of the stator (3) has a circular inner holding element (15) and the outer contour
(14) des Stators (3) ein im Querschnitt rechteckiges äußeres Halteelement (17) zugeordnet ist, wobei Polschuhe (8) und(14) of the stator (3) is associated with a cross-sectionally rectangular outer holding element (17), wherein pole shoes (8) and
Permanentmagnete (9) zwischen den Halteelementen (15, 17) fixiert sind.Permanent magnets (9) between the holding elements (15, 17) are fixed.
4. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass das innere Halteelement (15) im Bereich der4. Electrical machine (1) according to claim 3, characterized in that the inner holding element (15) in the region of
Permanentmagnete (9) eine Anzahl von in Axialrichtung (18) verlaufender Aussparungen (23) aufweist.Permanent magnets (9) has a number of in the axial direction (18) extending recesses (23).
5. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Halteelement (17) aus einem5. Electrical machine (1) according to claim 3 or 4, characterized in that the outer holding element (17) consists of a
Kunststoffmaterial besteht. Plastic material exists.
6. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor ist. 6. Electrical machine (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that it is a brushed DC motor.
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