WO2010020222A2 - Elektromotor - Google Patents

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WO2010020222A2
WO2010020222A2 PCT/DE2009/001150 DE2009001150W WO2010020222A2 WO 2010020222 A2 WO2010020222 A2 WO 2010020222A2 DE 2009001150 W DE2009001150 W DE 2009001150W WO 2010020222 A2 WO2010020222 A2 WO 2010020222A2
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Helmut Sesselmann
Holger Schrepel
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Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kg, Würzburg
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
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    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
    • H02K23/04—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having permanent magnet excitation

Definitions

  • the invention relates to an electric motor according to the preamble of claim 1.
  • Electric motors consist essentially of a stator and a rotatably mounted relative to the stator rotor.
  • Rotor and stator each comprise a magnetic source whose magnetic fields are switched so that the rotor experiences a torque.
  • one of the two magnetic sources is designed to generate a static magnetic field
  • the other magnetic source typically the magnetic source of the rotor
  • a commutator also called a commutator is switched with the rotation of the rotor.
  • both permanent magnets and electromagnets are used as magnetic sources. The latter also allow, for example, a design of electric motors as so-called all-electric motors.
  • the magnetic sources are part of a magnetic circuit, which in an electric motor also includes a magnetic yoke, often referred to as an iron circle, consisting of ferromagnetic flux conducting pieces and working air gaps.
  • the working air gaps represent the actual seat of the magnetic energy. Even if these working air gaps are very small, the required flooding demand for this part of the magnetic circuit because of the low permeability of the air very high.
  • the magnetic source which is also referred to as the exciter source
  • the magnetic source generates a finite number of magnetic field lines, which are self-contained and which use or are guided by the predetermined ferromagnetic flux conducting pieces of the iron or magnetic circuit.
  • the ferromagnetic flux guides of the stator are typically closed pole tubes or pole pots made of soft iron whose cross-section is the same at each point of the circumference. This is based on the state of the art in that due to the non-linear relationship between flux density and field strength, in principle, the magnetic resistance changes with changes in the cross section in the flux guide.
  • Field line density in the flow path bundling material typically iron, but not evenly distributed.
  • the cross section of the iron is not optimally utilized in some places, whereas the iron is driven into saturation elsewhere. Saturation is used when the flux density at certain points of the ferromagnetic flow path is too high. For example, the magnetic resistance increases disproportionately and engine losses increase when the flux density exceeds 1.5 Tesla.
  • this previously described loss region is present at exposed points of the magnetic circuit, which leads to a restriction of the motor power of such electric motors, or is the cross section of the other in other places Flow path or of the flow path forming material for guiding or guiding the magnetic flux oversized, which leads to a higher weight than necessary such electric motors.
  • the magnetic circuit of an electric motor at least by adjusting the cross section of the flow path of at least the stator side of the magnetic circuit to the in normal operation of the electric motor locally in the magnetic circuit occurring or expected magnetic flux by adjusting the To optimize cross-sectional dimensions of a material forming at least part of the flow path or the magnetic circuit, in order to increase the engine power and at the same time to minimize the engine weight.
  • a local adaptation of the cross section of the flow path can be done for example by local adaptation of the cross section of the ferromagnetic circuit.
  • at least one occurrence of local saturation at exposed sites avoided the ferromagnetic circle and thus the engine losses are reduced while saving weight. This increases the engine power and the weight of the magnetic yoke, for example, is reduced.
  • the advantages achieved by the invention lighter weight with higher engine power is of particular importance for example in applications in self-sufficient vehicles, i. in vehicles which draw their energy required for driving from a self-entrained energy source, for example from a battery or a fuel tank.
  • a self-entrained energy source for example from a battery or a fuel tank.
  • the electrical energy for the e.g. used for actuators electric motors for example, direct or indirect actuators for windows, doors, seats, mirrors, lights, suspension functions and the like, usually generated by a generator directly from the drive.
  • a lower weight with simultaneously higher engine power or higher engine efficiency of the electric motors used here means a lower overall mass of the vehicle to be accelerated, a smaller space requirement and a lower power consumption, which in turn allows a smaller or less powerful design of the electrical system and thus a further weight saving.
  • the invention also enables, inter alia, e.g. to comply with the requirement in the motor vehicle sector for lower energy consumption.
  • a local adaptation of the cross-sectional dimensions is provided at least in relation to a rotation angle about the axis of rotation of the rotor of the electric motor.
  • An electric motor or its magnetic circuit according to the invention may have, for example, at least one magnetic source designed as a permanent magnet with a radial change of the inner and outer diameter of the permanent magnet about the axis of rotation and / or at least one magnetic return as a pole tube or pole pot a Polrohr- or Poltopfquerites having different about the axis of rotation radial dimensions.
  • the magnetic circuit on the stator side comprises at least one magnetic source and a material for guiding or guiding the magnetic flux, wherein at least in the stator-side part of the magnetic circuit, the cross-sectional dimensions of the material of the magnetic source and / or the material for guiding or directing the magnetic flux to the maximum in the material under normal operation of the electric motor occurring locally and / or maximally locally leading or conductive and necessary for proper operation of the electric motor, magnetic flow adjusted are.
  • the cross-sectional dimensions of the material of the magnetic source and / or the material for guiding or directing the magnetic flux are locally adapted to the locally occurring or expected maximum magnetic flux in this material at least in the stator-side part of the magnetic circuit in that the flux density in the material neither reaches a local saturation nor that the flux density is locally so low that an oversizing of the material is present and thus preferably at least the material for guiding or Conduction of the magnetic flux is mechanically stable enough.
  • this part of the invention is at least realized when the stator-side part of the magnetic circuit by adapting the cross-sectional dimensions of the material used to generate and / or leadership of the magnetic field lines to the locally occurring in this material or is adapted to the expected flow.
  • this material which is e.g. around the material of a permanent magnet and / or an iron core of an electromagnet and / or around the material of a magnetic return, e.g. can act to ferromagnetic flux guides, the flux path of the magnetic field lines is bundled.
  • prior art electric motors e.g. the material of the permanent magnets used and the material of the pole wells used in the radial direction to the axis of rotation of the rotor constant dimensions, i.
  • the cross-sectional dimensions of the material of a permanent magnet forming a magnetic source of the stator are preferably locally adapted to the magnetic flux which occurs maximally locally or to be expected in this permanent magnet when the device is in operation.
  • Such a thickening of the permanent magnet leads to a flux increase.
  • the permanent magnet is preferably the thickest at the magnetic poles of the stator and has on both sides of the poles preferably continuous tapers to the region of the neutral zone, ie to the commutation of Rotor part. Armature turns up.
  • the greatest efficiency with respect to the torque is achieved where the field lines without curvature pass through the motor winding vertically, because the sine of 90 °, corresponding to the exit and entry angles of the field lines in this case, assumes its maximum value 1 (FIG. 3).
  • the magnetic source e.g. a permanent magnet, slimmed down.
  • it is provided to reduce the thickness of the magnet starting from the poles at these ends pointing towards the area to be cemented, or to increase them starting at these points at the poles.
  • Another advantageous embodiment of the invention provides that the cross-sectional dimensions of the material of an iron core of a magnetic source of the stator forming electromagnet are locally adapted to the maximum locally occurring or expected in this iron core magnetic flux.
  • it can be in the inventive Electric motor to act with a DC or AC electric motor.
  • An additional advantageous embodiment of the invention provides that the cross-sectional dimensions of a material forming the material of the stator for guiding or guiding the magnetic flux magnetic return are adapted locally to the maximum locally in this magnetic inference expected to leading or conductive magnetic flux. Accordingly, it is particularly preferred for at least the iron cross section of the magnetic return path at each point of the electric motor, at least at each circumferential position, to be adapted to the locally present magnetic flux. Preferably, this local adaptation of the cross-sectional dimensions has a continuous course.
  • a pole tube with a matched wall thickness is used as the magnetic inference.
  • drawn pile tubes instead of pole wells, the cost of producing tubes with adapted wall thickness for different local magnetic flux strengths technically and economically manageable in contrast to conventional manner produced in the context of multi-stage deep drawing Poltöpfen.
  • the material of the stator for guiding or guiding the magnetic flux which is designed as a magnetic yoke in the form of a pole pot or pole tube, is preferably thickest in the region of the neutral zone or in the commutation region between the poles of the magnetic source and thinnest at the poles. Vorzügiller the material of the stator for guiding or guiding the magnetic flux at the poles is so thin or thick enough that it is still mechanically stable.
  • the cross-sectional dimensions of the material of the stator for guiding or guiding the magnetic flux are adapted such that in the material adapted in its cross-sectional dimensions, the same flux density occurs everywhere or is to be expected.
  • the same magnetic flux per cross-sectional area element occurs within the material in each cross-section.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the geometry of at least one stator-side part of the magnetic circuit forming magnetic source is adapted to a preferred direction of rotation of the rotor of the electric motor. This is inventively therefore provided because a caused by the armature current anchor transverse field superimposed on the stationary main field and leads to a FeId distortion by a rotation angle in a direction opposite to the preferred direction of rotation of the rotor of the electric motor.
  • Electric motor is adjusted against its direction of rotation.
  • This adaptation of the position of the gap can be done for example by a rotation of the magnetic source about the axis of rotation of the rotor of the electric motor. Additionally or alternatively, the adjustment of the position of the gap can also be effected by an asymmetrical extension or shortening of the ends of the magnetic source, which are preferably formed by tapering.
  • the adaptation of the position of the gap by twisting the e.g. As a permanent magnet designed magnetic source of the stator or by asymmetric lengthening and shortening their ends preferably takes place until the maximum motor power is achieved in the preferred direction of rotation.
  • the position of the poles in the case of an adapted position of the gap preferably corresponds to the position of the poles in the case of an unmatched position of the gap.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a cross section through an electric motor according to the invention, to illustrate an optimization of the cross-sectional dimensions of the stator-side material for guiding or guiding the magnetic flux.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a cross section through an electric motor according to the invention, to illustrate an optimization of the Querterrorismsabmes- sungen the material of the stator-side magnetic source.
  • 3 is a schematic representation of a cross section through an electric motor according to the invention, to illustrate an optimization of efficient areas of the magnetic circuit and the neutral zone or
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a cross section through an electric motor according to the invention, in order to clarify a shift of the neutral zone through the armature transverse field.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a cross section through an electric motor according to the invention, in order to clarify an adaptation of the geometry of the material of the stator-side magnetic source to a preferred direction of rotation.
  • the electric motors 01 shown in FIGS. 1 to 5 have a stator 02 and a rotor 03 rotatably mounted with respect to the stator 02 about a rotation axis extending perpendicular to the image plane.
  • the rotor 03 consists of a coil also referred to as a motor or rotor or armature winding with an armature 04 made of iron. For the sake of clarity, the coil is not shown in FIGS. 1 to 5. If the coil with armature 04 flows through electrical current, it forms a rotor-side magnetic source.
  • the stator 02 has a stator-side magnetic source 05, for example a permanent magnet 05, and a material 06 formed as a magnetic yoke 06 for guiding or guiding the magnetic source of the
  • Rotor 03 and the magnetic source 05 of the stator 02 gebil- the magnetic flux.
  • the stator-side magnetic source 05 has two poles 08, a north pole marked with N and a south pole marked S.
  • the magnetic source of the rotor 03 generates a magnetic flux 07 represented by field lines 07, the flux path of which is bundled by the armature 04 and by the magnetic return 06 or by the material 06 for guiding or guiding the magnetic flux 07.
  • the magnetic see flow 07 forms a magnetic circuit 09.
  • the magnetic circuit 09 of an electric motor is at least adapted to the intended operation of the electric motor, at least by adapting the cross section of the flux path at least of the stator-side part of the magnetic circuit locally occurring or expected magnetic flux 07 in the magnetic circuit 09 by adapting the cross-sectional dimensions of at least part of the flux path or the magnetic circuit 09 forming material, such as the material of the magnetic source 05 of the stator 02 or the material 06 of the stator 02, In particular, to optimize the material of the magnetic yoke 06, for guiding or guiding the magnetic flux 07.
  • a local adaptation of the cross section of the flow path for example, as shown in Fig. 1 by local adaptation of the cross section of the material 06 of the stator 02 for guiding or guiding the magnetic flux 07 take place.
  • this material 06 forms the so-called magnetic return 06.
  • This forms at least part of the iron circuit, also referred to as a ferromagnetic circuit.
  • An implementation of the invention now takes place for example by, by local adaptation of the cross section of the flow path and thus the flow cross-section, ie by local adaptation, for example, the thickness of the iron at each point of the iron circuit or the magnetic yoke 06 to the local in the normal operation of the electric motor 01 maximum expected or local maximum occurring magnetic flux 07 are not allowed to high and lossy flux densities.
  • This adaptation can e.g. can be achieved by starting from a prior art electric motor in areas of high field line concentration, ie high flux density in the magnetic circuit 09 bundled in the iron circle of the iron cross-section of e.g. formed by flux conducting magnetic yoke 06 to a present for local or operation under normal conditions to a locally maximum flow 07 necessary measure, according to a required area or a required cross-section, is increased to the flow density on a with only To reduce low loss or low loss measure and thus to reduce the iron losses or losses in the magnetic yoke 06.
  • the iron cross-section of the magnetic yoke 06 can be reduced to a level which is sufficient for the flux 07 occurring locally or during normal operation.
  • a measure is not undershot below which, for example, by a pole tube or a Poltopf formed magnetic yoke 06 is no longer mechanically stable.
  • the adjustment of the cross-sectional dimensions of the material 06 used to guide or direct the magnetic flux is preferably carried out in such a way that between points with a largest cross-sectional dimension and points with a smallest cross-sectional dimension, such as between points with the largest and smallest thickness in the radial direction with respect to the axis of rotation of the rotor 03, a continuous transition of the cross-sectional dimensions takes place.
  • This continuous transition preferably takes place over the circumference, as shown in Figs. 1-5. via a rotation angle about the axis of rotation of the rotor 03 of the electric motor 01 around.
  • the iron cross-section of the magnetic yoke 06 at each point of the electric motor 01, at least at each circumferential position, is adapted to the local magnetic flux 07, e.g. in each local cross section, i. in a cross section through the magnetic yoke 06 perpendicular to the representation of e.g. In Fig. 1 at normal operation, the same flux density occurs.
  • a pole tube 06 is used with a suitable wall thickness as the magnetic yoke 06.
  • the use of preferably drawn pole tubes 06 instead of pole cups usually provided according to the state of the art means that the outlay for producing magnetic return terminals 06 with preferably continuously adapted wall thickness for a locally different magnetic flux 07 is technically and economically justifiable.
  • a change in the Poltopfdicke is not provided and the losses, as well as the high weight of the pole wells were so far inevitably accepted.
  • the geometry of a magnetic source 05 of the stator 02 forming permanent magnet 05 for example, its thickness or its dimensions in a given perpendicular to the axis of rotation of the rotor 03 of the electric motor 01 radial Direction, as shown for example in Fig. 2 and 3, to be enlarged in those areas in which many field lines 07 vertical through the motor winding or quasi vertically enforce and where the generated field lines 07 of the magnetic source 05 of the stator 02 not directly in the area the neutral zone 10, ie in the commutation region 10 of the rotor or armature windings are (FIG. 3).
  • Such a thickening of the permanent magnet leads to an increase in flux and is most efficient if, for example, it is embodied as shown in FIGS. 2 and 3, namely in such a way that the permanent magnet 05 is thickest at the magnetic poles 08 of the stator 02 and on both sides the pole 08 has tapers 11 to the region of the neutral zone 10, ie to the commutation region 10 of the rotor or armature windings out.
  • the thickness of the permanent magnet 05, starting from the poles 08 toward the region of the neutral zone 10 is reduced with a continuous transition between the thickest and the thinnest point (FIG. 3).
  • the continuous tapers 11 of the permanent magnet 05 on both sides of the poles 08 are justified by the fact that at the same time a high field line density in the region of the neutral zone 10 disturbs the commutation process.
  • the magnetic source 05 for example a permanent magnet 05, can be slimmed down at these points.
  • permanent magnets 05 for example, high-energy magnets can be used.
  • the efficiency in terms of motor power increases with increasing magnetic energy product or the higher remanence values when using high-energy magnets for permanent magnets 05 used as magnetic source 05.
  • the geometry of the magnetic source 05 of the stator 02 or the magnet geometry is proposed to adapt to a preferred direction of rotation.
  • a preferred direction of rotation For example, in an electric motor 01 for a power window of a motor vehicle that would be the direction of rotation which causes a lifting of a side window, since the lifting takes place against gravity and requires a higher engine power than the lowering of the side window.
  • An adaptable to a preferred direction of rotation enabling reason is caused by the armature current anchor transverse field 12, which overlaps with the stationary main field and leads to a field distortion. In FIGS. 4 and 5, this is illustrated by the neutral zone 10 or the commutation region 10 being designated 10 'by the action of the armature transverse field 12.
  • the adaptation of the position of the gaps 14 by turning the permanent magnets 05 or by asymmetrically extending and shortening their ends 15 preferably takes place until the maximum motor power is achieved in the preferred direction of rotation (FIG. 5).
  • the position of the poles 08 in the case of an adapted position of the gaps 14 (FIG. 5) preferably corresponds to the position of the poles 08 in the case of an unmatched position of the gaps 14 (FIG. 4).
  • Advantages of the invention result inter alia from a high degree of functionality as a mechatronic system solution, e.g. when used in actuators e.g. in the automotive field, e.g. in an electric window.
  • This high functionality is achieved for example by a particularly compact design with high engine performance and low weight.
  • Further advantages are an increase in performance, an improvement in efficiency, a weight and material savings, a space or volume savings and a quality improvement, in particular by an acoustic improvement, i. by a lower noise, e.g. due to the smaller dimensions.
  • the invention is in particular in the field of production of electric motors, preferably of DC electric motors, as provided for example for electric actuators in motor vehicles, industrially applicable. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
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Abstract

Es wird ein Elektromotor (01) mit einem magnetischen Kreis (09) beschrieben, wobei zumindest ein Teil des magnetischen Kreises (09) ein eine Flussbahn magnetischer Feldlinien (07) bündelndes Material umfasst. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der magnetische Kreis (09) zumindest durch Anpassung des Querschnitts der Flussbahn zumindest des Stator-seitigen Teils des magnetischen Kreises (09) an den bei bestimmungsgemäßem Betrieb des Elektromotors (01) in diesem Teil des magnetischen Kreises (09) lokal maximal auftretenden magnetischen Fluss (07) durch Anpassung der lokalen Querschnittsabmessungen eines zumindest einen Teil der Stator-seitigen Flussbahn bündelnden und/oder eines zumindest einen Teil des Stator-seitigen magnetischen Kreises (09) bildenden Materials (05, 06) optimiert ist.

Description

Elektromotor
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Elektromotoren bestehen im Wesentlichen aus einem Stator sowie einem gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor. Rotor und Stator umfassen jeweils eine magnetische Quelle, deren magnetische Felder so geschaltet sind, dass der Rotor ein Drehmoment erfährt .
Bei einem Gleichstrommotor ist eine der beiden magnetischen Quellen, typischerweise die magnetische Quelle des Stators, so ausgebildet, dass sie ein statisches Magnetfeld erzeugt, wohingegen die andere magnetische Quelle, typischerweise die magnetische Quelle des Rotors, mittels eines auch als Stromwender oder Kollektor genannten Kommutators synchron mit der Drehung des Rotors umgeschaltet wird. Zur Erzeugung des statischen Magnetfelds kommen sowohl Permanentmagnete, als auch Elektromagnete als magnetische Quellen zum Einsatz . Letztere erlauben beispielsweise auch eine Ausgestaltung von Elektromotoren als so genannte Allstrommotoren.
Die magnetischen Quellen sind Teil eines magnetischen Kreises, welcher in einem Elektromotor auch einen oft als Eisen- kreis bezeichneten magnetischen Rückschluss aus ferromagneti- schen Flussleitstücken, sowie Arbeitsluftspalte umfasst.
Die Arbeitsluftspalte stellen den eigentlichen Sitz der magnetischen Energie dar. Auch wenn diese Arbeitsluftspalte sehr klein sind, ist der erforderliche Durchflutungsbedarf für diesen Teil des magnetischen Kreises wegen der geringen Permeabilität der Luft sehr hoch.
Um eine hohe Luftspaltinduktion für leistungsstarke Elektro- motoren zu erhalten, ist es notwendig bei Elektromagneten die Durchflutung hoch zu wählen, oder bei permanent erregten Elektromotoren eine hohe Remanenz der Permanentmagnete sicherzustellen .
Hierzu ist es erforderlich, den von der auch als Erregerquelle bezeichneten magnetischen Quelle erzeugten Fluss weitgehend verlustlos zum Arbeitsluftspalt zu transportieren, um dort eine maximale Luftspaltinduktion zu erzeugen.
Die magnetische Quelle generiert eine endliche Anzahl an magnetischen Feldlinien, die in sich geschlossen sind und welche die vorgegebenen ferromagnetischen Flussleitstücke des Eisenkreises bzw. des magnetischen Rückschlusses benutzen bzw. von diesen geführt bzw. geleitet werden.
Die ferromagnetischen Flussleitstücke des Stators sind typischerweise geschlossene Polrohre oder Poltöpfe aus Weicheisen deren Querschnitt an jeder Steile des Umfanges gleich ist. Dies ist nach dem Stand der Technik dadurch begründet, dass sich wegen des nicht linearen Zusammenhanges zwischen Flussdichte und Feldstärke grundsätzlich der magnetische Widerstand bei Querschnittsveränderungen im Flussleitstück verändert .
Innerhalb der Flussbahn des magnetischen Kreises ist die
Feldliniendichte im die Flussbahn bündelnden Material, typischerweise Eisen, aber nicht gleichmäßig verteilt. Z.B. wird der Querschnitt des Eisens an einigen Stellen nicht optimal ausgenutzt, wohingegen das Eisen an anderen Stellen in die Sättigung getrieben wird. Von Sättigung wird gesprochen, wenn die Flussdichte an bestimmten Stellen der ferromagnetischen Flussbahn zu hoch ist. So wächst beispielsweise der magnetische Widerstand überproportional an und die Motorverluste steigen, wenn die Fluss- dichte 1,5 Tesla übersteigt.
Bei den in Elektromotoren nach dem Stand der Technik eingesetzten Poltöpfen und magnetischen Quellen, wie etwa Permanentmagnete, ist an exponierten Stellen des magnetischen Kreises dieser zuvor beschriebene Verlustbereich vorhanden, was zu einer Einschränkung der Motorleistung solcher Elektromotoren führt, beziehungsweise ist an anderen Stellen der Querschnitt der Flussbahn bzw. des die Flussbahn bildenden Materials zur Führung bzw. Leitung des magnetischen Flusses überdimensioniert, was zu einem höheren Gewicht als nötig solcher Elektromotoren führt.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann es deshalb angesehen werden, die Motorleistung eines Elektromotors zu steigern und/oder das Motorgewicht zu verringern.
Erfindungsgemäß ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, den magnetischen Kreis eines Elektromotors zumindest durch Anpassung des Querschnitts der Flussbahn zumindest des Stator- seitigen Teils des magnetischen Kreises an den in bestimmungsgemäßem Betrieb des Elektromotors lokal im magnetischen Kreis auftretenden bzw. zu erwartenden magnetischen Fluss durch Anpassung der Querschnittsabmessungen eines zumindest einen Teil der Flussbahn bzw. des magnetischen Kreises bil- denden Materials zu optimieren, um die Motorleistung zu steigern und um gleichzeitig das Motorgewicht zu minimieren.
Eine lokale Anpassung des Querschnitts der Flussbahn kann beispielsweise durch lokale Anpassung des Querschnitts des ferromagnetischen Kreises erfolgen. Dadurch kann zumindest ein Auftreten von lokaler Sättigung an exponierten Stellen des ferromagnetisehen Kreises vermieden und damit die Motorverluste bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung gesenkt werden. Damit steigt die Motorleistung und das Gewicht z.B. des magnetischen Rückschlusses wird verringert.
Den mit der Erfindung erzielten Vorteilen geringeres Gewicht bei höherer Motorleistung kommt eine besondere Bedeutung zu beispielsweise bei Anwendungen in autarken Fahrzeugen, d.h. in Fahrzeugen die ihre zum Antrieb benötigte Energie aus ei- ner selbst mitgeführten Energiequelle, beispielsweise aus einer Batterie oder einem Brennstofftank schöpfen. Z.B. bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, unabhängig davon, ob es sich um Land-, See- oder Luftfahrzeuge handelt, wird auch die elektrische Energie für die z.B. für Stellantriebe verwende- ten Elektromotoren, beispielsweise für direkte oder indirekte Stellantriebe für Fenster, Türen, Sitze, Spiegel, Leuchten, Fahrwerksfunktionen und dergleichen, meist mittels eines Generators direkt vom Fahrantrieb erzeugt. Ein geringeres Gewicht bei gleichzeitig höherer Motorleistung bzw. höherem Motorwirkungsgrad der verwendeten Elektromotoren bedeutet hierbei eine geringere zu beschleunigende Gesamtmasse des Fahrzeugs, einen geringeren Bauraumbedarf sowie einen geringeren Strombedarf, was wiederum eine kleinere bzw. leistungsschwächere Auslegung des elektrischen Bordnetzes und damit eine weitere Gewichtseinsparung erlaubt. Somit ermöglicht die Erfindung unter anderem auch z.B. der Erfüllung der im Kraftfahrzeugbereich verbreiteten Forderung nach einem geringeren Energieverbrauch nachzukommen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine lokale Anpassung der Querschnittsabmessungen zumindest in Bezug auf einen Drehwinkel um die Drehachse des Rotors des Elektromotors vorgesehen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Anpassung der Querschnittsabmessungen zumindest in einer senkrecht zur Drehachse des Rotors des Elektromotors gegebenen radialen Richtung vorgesehen, so dass abhängig vom lokalen magnetischen Fluss das Material lokal unterschiedliche radiale Abmessungen aufweist. Ein erfindungsgemäßer Elektromotor bzw. dessen magnetischer Kreis kann Stator- seitig z.B. mindestens eine z.B. als Permanentmagnet ausgeführte magnetische Quelle mit radialer Veränderung des Innen- und Außendurchmessers des Permanentmagneten um die Drehachse und/oder mindestens einen z.B. als Polrohr oder Poltopf aus- geführten magnetischen Rückschluss mit einem Polrohr- bzw. Poltopfquerschnitt mit um die Drehachse unterschiedlichen radialen Abmessungen aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der magnetische Kreis Stator-seitig zumindest eine magnetische Quelle sowie ein Material zur Führung bzw. Leitung des magnetischen Flusses umfasst, wobei zumindest im Stator- seitigen Teil des magnetischen Kreises die Querschnittsabmessungen des Materials der magnetischen Quelle und/oder des Materials zur Führung bzw. Leitung des magnetischen Flusses an den in dem Material bei bestimmungsgemäßem Betrieb des Elektromotors maximal lokal auftretenden und/oder maximal lokal zu führenden bzw. zu leitenden und für einen bestimmungsgemäßen Betrieb des Elektromotors erforderlichen, magne- tischen Fluss angepasst sind.
Erfindungsgemäß werden so zumindest im Stator-seitigen Teil des magnetischen Kreises die Querschnittsabmessungen des Materials der magnetischen Quelle und/oder des Materials zur Führung bzw. Leitung des magnetischen Flusses lokal an den in diesem Material lokal bestimmungsgemäß auftretenden bzw. zu erwartenden maximalen magnetischen Fluss derart angepasst, dass die Flussdichte in dem Material weder eine lokale Sättigung erreicht, noch dass die Flussdichte lokal derart gering ist, dass eine Überdimensionierung des Materials vorliegt und so dass vorzugsweise zumindest das Material zur Führung oder Leitung des magnetischen Flusses mechanisch ausreichend stabil ist.
Es ist ersichtlich, dass dieser Teil der Erfindung zumindest dann verwirklicht ist, wenn der Stator-seitige Teil des magnetischen Kreises durch Anpassung der Querschnittsabmessungen des zur Erzeugung und/oder Führung bzw. Leitung der magnetischen Feldlinien verwendeten Materials an den in diesem Material lokal auftretenden bzw. zu erwartenden Fluss angepasst ist. In diesem Material, bei dem es sich z.B. um das Material eines Permanentmagneten und/oder eines Eisenkerns eines Elektromagneten und/oder um das Material eines magnetischen Rückschlusses, z.B. um ferromagnetische Flussleitstücke handeln kann, wird die Flussbahn der magnetischen Feldlinien gebündelt. Bei Elektromotoren nach dem Stand der Technik weist z.B. das Material der verwendeten Permanentmagneten und das Material der verwendeten Poltöpfe in radialer Richtung zur Drehachse des Rotors konstante Abmessungen, d.h. Querschnittsabmessungen auf. Dadurch kommt es bei Elektromotoren nach dem Stand der Technik an manchen Stellen zu einer lokalen Sättigung, wohingegen an anderen Stellen eine lokale Überdimensionierung dieses Materials bezogen auf die lokale Flussdichte innerhalb des Materials vorliegt. Die lokale Sättigung schränkt die Motorleistung bzw. den Motorwirkungsgrad ein, wohingegen die lokale Überdimensionierung ein höheres als notwendiges Motorgewicht zur Folge hat. Durch die Erfindung wird demgegenüber ein Elektromotor mit höherer Motorleistung, geringeren Verlusten im Magnetfeld und damit höherem Motorwirkungsgrad bei geringerem Gewicht als beim Stand der Technik geschaffen.
Vorzugsweise sind die Querschnittsabmessungen des Materials eines eine magnetische Quelle des Stators bildenden Permanentmagneten lokal an den in diesem Permanentmagnet bei be- Stimmungsgemäßem Betrieb maximal lokal auftretenden bzw. zu erwartenden magnetischen Fluss angepasst. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, die Geometrie des Permanentmagneten, z.B. dessen Dicke in radialer Richtung, im Vergleich zu einem Elektromotor nach dem Stand der Technik in den Bereichen zu vergrößern, wo viele Feldlinien die Motorwicklung senkrecht oder quasi senkrecht durchsetzen und wo sich die generierten Feldlinien der magnetischen Quelle nicht unmittelbar im Bereich der neutralen Zone, also im Kommutierungsbereich der Rotor- bzw. Ankerwindungen befinden. Eine derart erzeugte Verdickung des Permanentmagneten führt zu einer Flusserhö- hung.
Der Permanentmagnet ist dabei vorzugsweise an den magnetischen Polen des Stators am dicksten und weist beidseitig der Pole vorzugsweise kontinuierliche Verjüngungen zum Bereich der neutralen Zone, also zum Kommutierungsbereich der Rotorbzw. Ankerwindungen hin auf. Die größte Effizienz in Bezug auf das Drehmoment wird dort erreicht, wo die Feldlinien ohne Krümmung die Motorwicklung senkrecht durchsetzen, weil der Sinus von 90°, entsprechend dem Austritts- und Eintrittswin- kel der Feldlinien in diesem Fall, seinen Maximalwert 1 annimmt (Fig. 3) . Gleichzeitig stört aber eine hohe Feldliniendichte im Bereich der neutralen Zone den Kommutierungspro- zess, d.h. an diesen Stellen kann die magnetische Quelle, z.B. ein Permanentmagnet, abgespeckt werden. Vorzugsweise ist daher gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, die Dicke des Magneten ausgehend von den Polen an diesen zu den zum Kummutierungsbereich hinweisenden Enden hin zu verringern bzw. ausgehend von diesen Stellen an den Polen zu vergrößern.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Querschnittsabmessungen des Materials eines Eisenkerns eines eine magnetische Quelle des Stators bildenden Elektromagnets lokal an den in diesem Eisenkern maximal lokal auftretenden bzw. zu erwartenden magnetischen Fluss angepasst sind. Damit kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor um einen mit Gleich- oder Wechselstrom betriebenen Elektromotor handeln.
Eine zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Querschnittsabmessungen eines das Material des Stators zur Führung bzw. Leitung des magnetischen Flusses bildenden magnetischen Rückschlusses lokal an den in diesem magnetischen Rückschluss maximal lokal zu erwartenden zu führenden bzw. zu leitenden magnetischen Fluss angepasst sind. Besonders bevorzugt ist demnach zumindest der Eisenquerschnitt des magnetischen Rückschlusses an jeder Stelle des Elektromotors, zumindest an jeder Umfangsposition, an den lokal vorliegenden magnetischen Fluss angepasst. Vorzugsweise weist diese lokale Anpassung der Querschnittsabmessungen ei- nen kontinuierlichen Verlauf auf.
Vorzugsweise wird als magnetischer Rückschluss ein Polrohr mit angepasster Wandstärke verwendet. Durch die Verwendung von z.B. gezogenen Polrohren, anstelle von Poltöpfen ist der Aufwand zur Herstellung von Rohren mit angepasster Wandstärke für unterschiedliche lokale magnetische Flussstärken technisch und ökonomisch überschaubar im Gegensatz zu herkömmlicher Weise im Rahmen von mehrstufigen Tiefziehprozessen hergestellten Poltöpfen.
Als magnetischer Rückschluss kann auch ein Poltopf mit angepasster Wandstärke verwendet werden.
Das z.B. als magnetischer Rückschluss in Form eines Poltopfs oder Polrohrs ausgeführte Material des Stators zur Führung bzw. Leitung des magnetischen Flusses ist vorzugsweise im Bereich der neutralen Zone bzw. im Kommutierungsbereich zwischen den Polen der magnetischen Quelle am dicksten und an den Polen am dünnsten. Vorzügsweise ist das Material des Stators zur Führung bzw. Leitung des magnetischen Flusses an den Polen so dünn bzw. noch dick genug, dass es mechanisch noch stabil ist.
Vorzugsweise sind die Querschnittsabmessungen des Materials des Stators zur Führung bzw. Leitung des magnetischen Flusses derart angepasst, dass in dem in seinen Querschnittsabmessungen angepassten Material überall dieselbe Flussdichte auftritt bzw. zu erwarten ist. Hierdurch tritt innerhalb des Materials in jedem Querschnitt derselbe magnetische Fluss je Querschnittsflächenelement hindurch .
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Geometrie zumindest einer einen Stator-seitigen Teil des magnetischen Kreises bildenden magnetischen Quelle an eine bevorzugte Drehrichtung des Rotors des Elektromotors angepasst ist. Dies ist erfindungsgemäß deshalb vorgesehen, weil sich ein durch den Ankerstrom hervorgerufenes Ankerquerfeld mit dem stationären Hauptfeld überlagert und zu einer FeId- Verzerrung um einen Drehwinkel in einer Drehrichtung entgegen der bevorzugten Drehrichtung des Rotors des Elektromotors führt. Zur weiteren Wirkungsgradverbesserung und damit Gewichtseinsparung bei gleichzeitiger Leistungssteigerung ist demnach vorgesehen, die Geometrie der magnetischen Quelle bzw. die Magnetgeometrie derart einer bevorzugten Drehrichtung anzupassen, dass die Lage von zwischen beidseits der Pole der magnetischen Quelle angeordneten Enden der magnetischen Quelle liegenden Lücken an eine Verschiebung bzw. Verdrehung der neutralen Zone bzw. des Kommutierungsbereichs durch das Ankerquerfeld um die Drehachse des Rotors des
Elektromotors entgegen dessen Drehrichtung angepasst ist.
Diese Anpassung der Lage der Lücke kann beispielsweise durch eine Verdrehung der magnetischen Quelle um die Drehachse des Rotors des Elektromotors erfolgen. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann die Anpassung der Lage der Lücke auch durch eine asymmetrische Verlängerung bzw. Verkürzung der vorzugsweise durch Verjüngungen gebildeten Enden der magnetischen Quelle erfolgen.
Die Anpassung der Lage der Lücke durch Verdrehen der z.B. als Permanentmagnet ausgeführten magnetischen Quelle des Stators bzw. durch asymmetrisches Verlängern und Verkürzen deren Enden erfolgt vorzugsweise soweit, bis in der bevorzugten Dreh- richtung die maximale Motorleistung erzielt wird. Vorzugsweise entspricht dabei die Lage der Pole bei angepasster Lage der Lücke der Lage der Pole bei nicht angepasster Lage der Lücke. Dabei erfolgt von Vorteil die Anpassung der Querschnittsabmessung der an die Lücke reichenden Enden der Ver- längerung bzw. Verkürzung lokal an den bei bestimmungsgemäßem Betrieb maximal auftretenden magnetischen Fluss.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteran- Sprüchen oder deren Unterkombinationen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor, zur Verdeutlichung einer Optimierung der Querschnittsabmessungen des Stator-seitigen Materials zur Führung bzw. Leitung des magnetischen Flusses.
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor, zur Verdeutlichung einer Optimierung der Querschnittsabmes- sungen des Materials der Stator-seitigen magnetischen Quelle. Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor, zur Verdeutlichung einer Optimierung effizienter Bereiche des magnetischen Kreises und der neutralen Zone bzw.
Kommutierungszone .
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor, zur Ver- deutlichung einer Verschiebung der neutralen Zone durch das Ankerquerfeld.
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor, zur Ver- deutlichung einer Anpassung der Geometrie des Materials der Stator-seitigen magnetischen Quelle an eine bevorzugte Drehrichtung.
Die in der Figur gleichen Bezugsziffern bezeichnen gleiche oder gleich wirkende Elemente.
Die in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Elektromotoren 01 weisen einen Stator 02 und einen gegenüber dem Stator 02 um eine senkrecht zur Bildebene verlaufende Drehachse drehbar gela- gerten Rotor 03 auf. Der Rotor 03 besteht aus einer auch als Motor- oder Rotor- bzw. Ankerwicklung bezeichneten Spule mit einem Anker 04 aus Eisen. Der Übersichtlichkeit halber ist die Spule in den Fig. 1 bis 5 nicht dargestellt. Wird die Spule mit Anker 04 von elektrischem Strom durchflössen bildet sie eine rotorseitige magnetische Quelle.
Der Stator 02 weist eine Stator-seitige magnetische Quelle 05 auf, beispielsweise einen Permanentmagneten 05, sowie ein als magnetischer Rückschluss 06 ausgebildetes Material 06 zur Führung bzw. Leitung des durch die magnetische Quelle des
Rotors 03 und die magnetische Quelle 05 des Stators 02 gebil- deten magnetischen Flusses. Die Stator-seitige magnetische Quelle 05 weist zwei Pole 08 auf, einen mit N gekennzeichneten Nordpol und einen mit S gekennzeichneten Südpol.
Die magnetische Quelle des Rotors 03 erzeugt einen durch Feldlinien 07 dargestellten magnetischen Fluss 07, dessen Flussbahn durch den Anker 04 und durch den magnetischen Rück- schluss 06 bzw. durch das Material 06 zur Führung bzw. Leitung des magnetischen Flusses 07 gebündelt wird. Der magneti- sehe Fluss 07 bildet einen magnetischen Kreis 09.
Um bei einem Elektromotor 01 die Motorleistung zu steigern und das Motorgewicht zu verringern ist erfindungsgemäß vorgesehen, den magnetischen Kreis 09 eines Elektromotors zumin- dest durch Anpassung des Querschnitts der Flussbahn zumindest des Stator-seitigen Teils des magnetischen Kreises 09 an den in bestimmungsgemäßem Betrieb des Elektromotors lokal im magnetischen Kreis 09 auftretenden bzw. zu erwartenden magnetischen Fluss 07 durch Anpassung der Querschnittsabmessungen eines zumindest einen Teil der Flussbahn bzw. des magnetischen Kreises 09 bildenden Materials, beispielsweise des Materials der magnetischen Quelle 05 des Stators 02 oder des Materials 06 des Stators 02, insbesondere das Material des magnetischen Rückschlusses 06, zur Führung bzw. Leitung des magnetischen Flusses 07, zu optimieren.
Eine lokale Anpassung des Querschnitts der Flussbahn kann beispielsweise wie in Fig. 1 dargestellt durch lokale Anpassung des Querschnitts des Materials 06 des Stators 02 zur Führung bzw. Leitung des magnetischen Flusses 07 erfolgen.
Diese Material 06 bildet zumindest bei einer durch einen Permanentmagneten 05 als statische magnetische Quelle 05 erzeugten Permanenterregung den so genannten magnetischen Rück- schluss 06. Dieser bildet zumindest einen Teil des auch als ferromagnetischer Kreis bezeichneten Eisenkreises. Eine Verwirklichung der Erfindung erfolgt nunmehr beispielsweise da- durch, indem durch lokale Anpassung des Querschnitts der Flussbahn und damit des Flussquerschnittes, d.h. durch lokale Anpassung z.B. der Dicke des Eisens an jeder Stelle des Eisenkreises bzw. des magnetischen Rückschlusses 06 an den im bestimmungsgemäßen Betrieb des Elektromotors 01 lokal maximal zu erwartenden bzw. lokal maximal auftretenden magnetischen Fluss 07 keine zu hohen und verlustbehafteten Flussdichten zugelassen werden. Dadurch kann zumindest ein Auftreten von lokaler Sättigung an exponierten Stellen des ferromagneti- sehen Kreises vermeiden und damit die Motorverluste bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung gesenkt werden. Damit steigt die Motorleistung und gleichzeitig wird das Gewicht z.B. des magnetischen Rückschlusses 06 verringert.
Diese Anpassung kann z.B. dadurch erreicht werden, indem ausgehend von einem Elektromotor nach dem Stand der Technik im Bereichen hoher Feldlinienkonzentration, also hoher Flussdichte im im Eisenkreis gebündelten magnetischen Kreis 09 der Eisenquerschnitt des z.B. durch Flussleitstücke gebildeten magnetischen Rückschlusses 06 auf ein für den lokal vorliegenden bzw. bei bestimmungsgemäßem Betrieb auf ein für den lokal maximal auftretenden Fluss 07 notwendiges Maß, entsprechend auf eine erforderliche Fläche bzw. einen erforderlichen Querschnitt, vergrößert wird, um die Flussdichte auf ein mit nur geringen Verlusten behaftetes bzw. verlustarmes Maß zu senken und damit die Eisenverluste bzw. die Verluste im magnetischen Rückschluss 06 zu verringern.
Weiterhin kann ausgehend von einem Elektromotor nach dem Stand der Technik an bestimmten Stellen, an denen eine geringe Feldlinienkonzentration vorliegt, der Eisenquerschnitt des magnetischen Rückschlusses 06 auf ein Maß verringert werden, welches ausreichend für den lokal vorliegenden bzw. bei bestimmungsgemäßem Betrieb auftretenden Fluss 07 ist. Vorzugs- weise wird dabei jedoch ein Maß nicht unterschritten, unterhalb dessen der beispielsweise durch ein Polrohr oder einen Poltopf gebildete magnetische Rückschluss 06 nicht mehr mechanisch stabil ist.
Wichtig ist hervorzuheben, dass die Anpassung der Quer- Schnittsabmessungen des zur Führung bzw. Leitung des magnetischen Flusses verwendeten Materials 06 vorzugsweise derart ausgeführt ist, dass zwischen Stellen mit einer größten Querschnittsabmessung und Stellen mit einer kleinsten Querschnittsabmessung, etwa zwischen Stellen mit größter und kleinster Dicke in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse des Rotors 03, ein kontinuierlicher Übergang der Querschnittsabmessungen stattfindet. Dieser kontinuierliche Übergang findet vorzugsweise wie in den Fig. 1 bis 5 dargestellt über den Umfang, d.h. über einen Drehwinkel um die Drehachse des Rotors 03 des Elektromotors 01 herum statt.
Dabei ist denkbar, dass der Eisenquerschnitt des magnetischen Rückschlusses 06 an jeder Stelle des Elektromotors 01, zumindest an jeder Umfangsposition, an den lokal vorliegenden mag- netischen Fluss 07 angepasst ist, z.B. indem in jedem lokalen Querschnitt, d.h. in einem Querschnitt durch den magnetischen Rückschluss 06 senkrecht zur Darstellung z.B. in Fig. 1 bei bestimmungsgemäßem Betrieb dieselbe Flussdichte auftritt.
Vorzugsweise wird als magnetischer Rückschluss 06 ein Polrohr 06 mit angepasster Wandstärke verwendet. Durch die Verwendung von vorzugsweise gezogenen Polrohren 06, anstelle von nach dem Stand der Technik üblicherweise vorgesehenen Poltöpfen, ist der Aufwand zur Herstellung von magnetischen Rückschlüs- sen 06 mit vorzugsweise kontinuierlich angepasster Wandstärke für einen lokal unterschiedlichen magnetischen Fluss 07 technisch und ökonomisch vertretbar. Demgegenüber ist bei gezogenen Poltöpfen nach dem Stand der Technik eine Veränderung der Poltopfdicke nicht vorgesehen und die Verluste, sowie das hohe Gewicht der Poltöpfe wurden bisher notgedrungen in Kauf genommen . Wiederum ausgehend von einem Elektromotor nach dem Stand der Technik kann alternativ oder zusätzlich die Geometrie eines die magnetische Quelle 05 des Stators 02 bildenden Permanent- magneten 05, beispielsweise dessen Dicke bzw. dessen Abmessungen in einer senkrecht zur Drehachse des Rotors 03 des Elektromotors 01 gegebenen radialen Richtung, wie z.B. in Fig. 2 und 3 dargestellt, in denjenigen Bereichen vergrößert sein, in denen viele Feldlinien 07 die Motorwicklung senk- recht oder quasi senkrecht durchsetzen und wo sich die generierten Feldlinien 07 der magnetischen Quelle 05 des Stators 02 nicht unmittelbar im Bereich der neutralen Zone 10, also im Kommutierungsbereich 10 der Rotor- bzw. Ankerwindungen befinden (Fig. 3) . Eine solche Verdickung des Permanentmagne- ten führt zu einer Flusserhöhung und ist am effizientesten, wenn sie z.B. wie in Fig. 2 und 3 dargestellt ausgeführt ist, nämlich so, dass der Permanentmagnet 05 an den magnetischen Polen 08 des Stators 02 am dicksten ist und beidseitig der Pole 08 Verjüngungen 11 zum Bereich der neutralen Zone 10, also zum Kommutierungsbereich 10 der Rotor- bzw. Ankerwindungen hin aufweist. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, die Dicke des Permanentmagneten 05 ausgehend von den Polen 08 zum Bereich der neutralen Zone 10 hin mit einem kontinuierlichen Übergang zwischen dickster und dünnster Stelle zu verringern (Fig. 3) .
Die Dickenvergrößerung des Permanentmagneten 05 im Bereich der Pole 08 ist dadurch begründet, dass die größte Effizienz in Bezug auf das Drehmoment dort erreicht wird, wo die FeId- linien ohne Krümmung die Motorwicklung senkrecht durchsetzen, weil der Sinus von 90°, entsprechend dem Austritts- und Eintrittswinkel der Feldlinien in diesem Fall, an diesen Stellen seinen Maximalwert von sin(90°)=l annimmt. Auch als Effizienzbereiche 13 bezeichnete Bereiche 13, in denen Stellen liegen, in denen eine große Effizienz in Bezug auf das Drehmoment erreicht wird, sind in Fig. 3 hervorgehoben. Die kontinuierlichen Verjüngungen 11 des Permanentmagneten 05 beidseits der Pole 08 sind dadurch begründet, dass gleichzeitig eine hohe Feldliniendichte im Bereich der neutralen Zone 10 den Kommutierungsprozess stört. An diesen Stellen kann somit ausgehend von einem Elektromotor nach dem Stand der Technik die magnetische Quelle 05, z.B. ein Permanentmagnet 05, abgespeckt werden.
Als Permanentmagnete 05 können beispielsweise Hochenergiemagnete zum Einsatz kommen. Die Effizienz in Bezug auf die Motorleistung erhöht sich mit steigendem magnetischem Energieprodukt bzw. der höheren Remanenzwerte bei Einsatz von Hochenergiemagneten für als magnetische Quelle 05 verwendete Per- manentmagnete 05.
Zusätzlich wird vorgeschlagen, die Geometrie der magnetischen Quelle 05 des Stators 02 bzw. die Magnetgeometrie wie in Fig. 5 schematisch dargestellt einer bevorzugten Drehrichtung an- zupassen. Beispielsweise bei einem Elektromotor 01 für einen elektrischen Fensterheber eines Kraftfahrzeugs wäre das die Drehrichtung, welche ein Heben einer Seitenscheibe bewirkt, da das Heben entgegen der Schwerkraft erfolgt und eine höhere Motorleistung erfordert, als das Senken der Seitenscheibe. Ein eine Anpassung an eine bevorzugte Drehrichtung ermöglichender Grund ist ein durch den Ankerstrom hervorgerufenes Ankerquerfeld 12, welches sich mit dem stationären Hauptfeld überlagert und zu einer Feldverzerrung führt. In den Fig. 4 und 5 ist dies dadurch dargestellt, indem die neutrale Zone 10 bzw. der Kommutierungsbereich 10 unter Einwirkung des Ankerquerfeldes 12 mit 10' bezeichnet ist. Daher ist vorzugsweise vorgesehen, z.B. die Permanentmagnete 05 der magnetischen Quelle 05 des Stators 02 ausgehend von Fig. 4 entgegengesetzt zur durch den Pfeil P angedeuteten Ankerdrehrichtung entweder zu verschieben, oder die beidseitig der Pole 08 angeordneten, durch die Verjüngungen 11 gebildeten Enden 15 der Permanentmagnete 05 asymmetrisch zu verlängern bzw. zu verkürzen, so dass die Lage der zwischen den Polen 08 des Permanentmagneten 05 bzw. der zwischen den Enden 15 der magnetischen Quelle 05 liegenden Lücken 14 entsprechend der Ver- Schiebung bzw. Verdrehung der neutralen Zone 10 bzw. des Kommutierungsbereichs 10 durch das Ankerquerfeld 12 um die Drehachse des Rotors 03 entgegen dessen Drehrichtung angepasst wird. Die Anpassung der Lage der Lücken 14 durch Verdrehen der Permanentmagnete 05 bzw. durch asymmetrisches Verlängern und Verkürzen deren Enden 15 erfolgt vorzugsweise soweit, bis in der bevorzugten Drehrichtung die maximale Motorleistung erzielt wird (Fig. 5) . Vorzugsweise entspricht die Lage der Pole 08 bei angepasster Lage der Lücken 14 (Fig. 5) der Lage der Pole 08 bei nicht angepasster Lage der Lücken 14 (Fig. 4) .
Vorteile der Erfindung ergeben sich unter anderem durch eine hohe Funktionalität als mechatronische Systemlösung, z.B. bei einem Einsatz in Aktuatoren bzw. Stellantrieben z.B. im Kraftfahrzeugbereich, z.B. in einem elektrischen Fensterheber. Diese hohe Funktionalität wird beispielsweise durch eine besonders kompakte Bauform bei gleichzeitig hoher Motorleistung und geringem Gewicht erreicht. Weitere Vorteile sind eine Leistungssteigerung, eine Wirkungsgradverbesserung, eine Gewichts- und Materialeinsparung, eine Bauraum- bzw. Volumeneinsparung sowie einer Qualitätsverbesserung, insbesondere durch eine Akustikverbesserung, d.h. durch eine geringere Geräuschentwicklung, z.B. aufgrund der kleineren Abmessungen.
Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Herstellung von Elektromotoren, vorzugsweise von Gleichstrom-Elektromotoren, wie sie z.B. für elektrische Stellantriebe in Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, gewerblich anwendbar. Bezugszeichenliste
01 Elektromotor
02 Stator
03 Rotor
04 Anker
05 magnetische Quelle
06 Material zur Führung bzw. Leitung des magnetischen
Flusses
07 magnetischer Fluss
08 Pol
09 Magnetischer Kreis
10 neutrale Zone
11 Verjüngung
12 Ankerquerfeld
13 Effizienzbereich
14 Lücke
N Nordpol
S Südpol
P Drehrichtung des Rotors

Claims

Patentansprüche
1. Elektromotor (Ol) mit einem magnetischen Kreis (09), wobei zumindest ein Teil des magnetischen Kreises (09) ein eine Flussbahn magnetischer Feldlinien (07) bündelndes Material umfasst, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der magnetische Kreis (09) zumindest durch Anpassung des Querschnitts der Flussbahn zumindest des Stator-seitigen
Teils des magnetischen Kreises (09) an den bei bestimmungsgemäßem Betrieb des Elektromotors (01) in diesem Teil des magnetischen Kreises (09) lokal maximal auftretenden magnetischen Fluss (07) durch Anpassung der lokalen Querschnittsab- messungen eines zumindest einen Teil der Stator-seitigen
Flussbahn bündelnden und/oder eines zumindest einen Teil des Stator-seitigen magnetischen Kreises (09) bildenden Materials (05, 06) optimiert ist.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t durch eine lokale Anpassung der Querschnittsabmessungen zumindest in Bezug auf einen Drehwinkel um die Drehachse des Rotors
(03) des Elektromotors (01) .
3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Anpassung der Querschnittsabmessungen zumindest in einer senkrecht zur Drehachse des Rotors (03) des Elektromotors (01) gegebenen radialen Richtung, so dass abhängig vom loka- len magnetischen Fluss (07) das Material (05, 06) lokal unterschiedliche radiale Abmessungen aufweist.
4. Elektromotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der magnetische Kreis (09) Stator-seitig zumindest eine magnetische Quelle (05) sowie ein Material (06) zur Führung des magnetischen Flusses (07) umfasst, wobei zumindest im Stator-seitigen Teil des magnetischen Kreises (09) die Quer- schnittsabmessungen des Materials der magnetischen Quelle
(05) und/oder des Materials (06) zur Führung des magnetischen Flusses (07) an den in dem Material (05, 06) bei bestimmungsgemäßem Betrieb maximal lokal auftretenden und/oder maximal lokal zu führenden magnetischen Fluss (07) angepasst sind.
5. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die Querschnittsabmessungen des Materials eines eine magnetische Quelle (05) des Stators (02) bildenden Permanent- magneten (05) lokal an den in diesem Permanentmagnet (05) bei bestimmungsgemäßem Betrieb maximal lokal auftretenden magnetischen Fluss (07) angepasst sind.
6. Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass der Permanentmagnet (05) an den magnetischen Polen (08) des Stators (02) am dicksten ist und beidseitig der Pole (08) Verjüngungen (11) zum Kommutierungsbereich (10) der Ankerwindungen hin aufweist.
7. Elektromotor nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die Querschnittsabmessungen des Materials eines Eisenkerns eines eine magnetische Quelle (05) des Stators (02) bildenden Elektromagnets lokal an den in diesem Eisenkern maximal lokal auftretenden magnetischen Fluss (07) angepasst sind.
8. Elektromotor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die Querschnittsabmessungen eines das Material (06) des Stators (02) zur Führung des magnetischen Flusses (07) bildenden magnetischen Rückschlusses (06) lokal an den in diesem magnetischen Rückschluss (06) maximal lokal zu führenden mag- netischen Fluss (07) angepasst sind.
9. Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass als magnetischer Rückschluss (06) ein Polrohr mit ange- passter Wandstärke verwendet wird.
10. Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass als magnetischer Rückschluss (06) ein Poltopf mit ange- passter Wandstärke verwendet wird.
11. Elektromotor nach Anspruch 4, 8, 9, oder 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass das Material (06) des Stators (02) zur Führung des mag- netischen Flusses im Bereich der neutralen Zone (10) zwischen den Polen (08) der magnetischen Quelle (14) am dicksten und an den Polen (08) am dünnsten ist.
12. Elektromotor nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass das Material (06) des Stators (02) zur Führung des magnetischen Flusses (07) an den Polen (08) noch dick genug ist, um mechanisch noch stabil zu sein.
13. Elektromotor nach einem der Ansprüche 4 oder 8 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die Querschnittsabmessungen des Materials (06) des Stators (02) zur Führung des magnetischen Flusses (07) derart angepasst sind, dass in dem Material (06) überall dieselbe Flussdichte auftritt.
14. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die Lage von zwischen beidseits der Pole (08) der magnetischen Quelle (05) angeordneten Enden (15) der magnetischen Quelle (05) liegenden Lücken (14) an eine Verschiebung bzw. Verdrehung der neutralen Zone (10) bzw. des Kommutierungsbereichs (10) durch das Ankerquerfeld (12) angepasst ist.
15. Elektromotor nach Anspruch 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die Anpassung der Lage der Lücke (14) durch eine Verdrehung der magnetischen Quelle (05) um die Drehachse des Rotors (03) des Elektromotors (01) erfolgt.
16. Elektromotor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t dass die Anpassung der Lage der Lücke (14) durch eine asymmetrische Verlängerung bzw. Verkürzung der Enden (15) der magnetischen Quelle (05) erfolgt, insbesondere unter lokaler Anpassung der Querschnittsabmessungen der an die Lücke (14) reichenden Enden (15) der Verlängerung bzw. Verkürzung an den lokal bei bestimmungsgemäßem Betrieb maximal auftretenden magnetischen Fluss (07) .
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