WO2012150114A2 - Elektromotor - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to electric motors, in particular electric motors, whose stator poles are arranged in a follower pole arrangement.
  • Electric motors are known from the prior art in many variants.
  • One group of electric motors is the brush-commutated DC motors, in which stator poles are formed by permanent magnets to rotatably provide a rotor provided with a rotor winding around the stator rotor (in the case of external rotor motors) or in the stator assembly (in the case of internal rotor motors).
  • the magnetic flux generated by the permanent magnets usually enters the armature almost completely via the rotor teeth of the rotor and penetrates the armature the rotor arranged rotor winding. Much of this magnetic flux passes through the armature to the follower poles of the stator assembly.
  • a non-negligible proportion of the magnetic flux generated by the permanent magnet occurs at the end faces of the rotor in the axial direction and is thus not interlinked with the rotor coils of the rotor winding, which are assigned to the follower poles facing rotor teeth. This portion of the magnetic flux is called stray flux, does not generate torque and therefore reduces efficiency.
  • stator arrangement with stator poles comprising permanent magnet stator poles and follower poles in a follower pole arrangement
  • a rotor with an armature of magnetically conductive material characterized in that a ratio between the axial length of the armature of the rotor and a diameter of the armature of the rotor is between 1 and 2.
  • One idea for the design of an electric motor with an optimized degree of efficiency is to reduce the proportion of leakage flux in the entire coupled into the armature magnetic flux and on the other hand, a maximum efficiency in terms of flux linkage between rotor and stator with respect to the resistance of the rotor winding to reach the runner.
  • the maximum flux linkage is added achieved minimal electrical resistance through a square or circular coil cross-section. Since the coil sides in the direction of a circumferential direction in the rotor are smaller than the axial length of the rotor, this results in optimal axial lengths of the rotor, which are smaller than the rotor diameter.
  • stator assembly may be formed unevenpolig.
  • the runner may be formed with four or six rotor teeth.
  • the number of rotor teeth may be 10 or more.
  • the electric motor may correspond to a brush-commutated DC motor.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view through a four-pole follower pole motor with internal rotor
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view along an axis-parallel plane through the follower pole motor of Figure 1;
  • Figure 3 is a diagram showing the progress of the efficiency, depending on a length-diameter ratio of a rotor of a four-pole electric motor with follower pole arrangement.
  • Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of an electric motor 1, which is designed as a brush-commutated DC motor.
  • the electric motor 1 has a magnetically conductive pole housing 2 as a stator arrangement, in which four stator poles are formed.
  • the pole housing 2 is made of a magnetically conductive material and has a substantially cylindrical shape with an inner recess in which a rotor 6 (inner rotor) is arranged.
  • Other embodiments may also provide a stator assembly with outwardly facing stator poles, about which an external rotor can be arranged.
  • the pole housing 2 has two mutually opposite permanent magnet stator poles P, which are formed with permanent magnets 3.
  • the permanent magnet stator poles face each other with respect to the center axis A and the permanent magnets 3 have the same magnetic polarity in the direction of the center axis A.
  • the magnetic poles of the permanent magnets 3 directed towards the center axis A may correspond to a magnetic north pole.
  • the pole housing 2 further comprises two mutually opposite follower poles 4, which are not formed with permanent magnets.
  • the follower poles 4 can be formed with a pole piece and be defined by a magnetically conductive region of the pole housing 2.
  • the pole piece forms a contour that the
  • Movement path of the pole housing 2 facing surface substantially corresponds.
  • the follower poles 4 are magnetically connected via the magnetically conductive pole housing 2 to the magnetic poles of the permanent magnets 3 of the permanent magnet stator poles (P) facing the magnetic poles facing the rotor 6.
  • the pole shoes of the follower poles 4 have a surface directed towards the rotor 6, which is magnetically coupled thereto effectively by its proximity to the armature of the rotor 6.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional representation through the electric motor 1 of FIG. 1, in which the cross-sectional plane runs parallel to the center axis A.
  • FIG. 2 shows, in particular, the end faces S of the rotor through which, as described at the outset, a portion of the magnetic flux coupled in by the permanent magnets can leak unused as leakage flux.
  • the magnitude of the leakage flux or the proportion of leakage flux in the total flux provided by the permanent magnets 3 is a scattering flux factor W s , which determines the overall efficiency W of the electric motor 1.
  • the proportion of the leakage flux to the total of the permanent magnet 3 in the armature of the rotor 6 coupled magnetic flux depends on the length of the rotor 6, in particular of the length I of the armature.
  • Another aspect that determines the efficiency of the electric motor 1 is the flux linkage with respect to the ohmic resistance of the rotor winding. This is optimal in the case of a square or circular coil cross-section, since the largest possible area enclosed by the armature coils 9 of the armature winding is achieved with a low ohmic resistance. If, in the case of the armature of the electric motor 1, the coil geometry deviates from the square coil cross section in the direction of rectangular coil cross sections, the overall efficiency of the electric motor 1 is likewise reduced by a flux linkage factor W F.
  • the width of the rotor coil of the Diameter d of the rotor 6 depends (inner diameter in external rotors), the optimum efficiency in terms of flux linkage is at a length-diameter ratio l / d of the rotor between 0.3 and 0.8.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen rotatorischen Elektromotor (1) umfassend: eine Statoranordnung (2) mit Statorpolen, die Permanentmagnet-Statorpole (P) und Folgepole in einer Folgepolanordnung umfassen; und einen Läufer (6) mit einem Anker aus magnetisch leitfähigem Material, wobei ein Verhältnis zwischen der axialen Länge (l) des Ankers des Läufers (6) und einem Durchmesser (d) des Ankers des Läufers zwischen 1 und 2 liegt.

Description

Beschreibung
Elektromotor
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Elektromotoren, insbesondere Elektromotoren, deren Statorpole in einer Folgepolanordnung angeordnet sind.
Stand der Technik
Elektromotoren sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Varianten bekannt. Eine Gruppe von Elektromotoren stellen die bürstenkommutierten Gleichstrommotoren dar, bei denen Statorpole durch Permanentmagnete ausgebildet sind, um einen mit einer Läuferwicklung versehenen Läufer drehbar um die (bei Außenläufermotoren) oder in der (bei Innenläufermotoren) Statoranordnung vorzusehen.
Die Statorpole der Statoranordnung können nur zum Teil mit Permanentmagneten ausgebildet sein. Insbesondere kann bei einer Folgepolanordnung nur jeder zweite Statorpol in Umfangsrichtung mit einem Permanentmagneten versehen sein. Die übrigen, dazwischenliegenden Statorpole können durch einen magnetisch leitfähigen Polschuh ohne Permanentmagneten gebildet werden. Der Polschuh steht dann z. B. über ein Polgehäuse der Statoranordnung mit den Magnetpolen der Permanentmagneten in magnetisch leitender Verbindung, die den Magnetpolen gegenüberliegen, die in Richtung des Läufers ausgerichtet sind.
Bei Statoranordnungen mit Statorpolen in einer Folgepolanordnung tritt der von den Permanentmagneten erzeugte magnetische Fluss in der Regel fast vollständig über die Läuferzähne des Läufers in den Anker ein und durchdringt die auf dem Läufer angeordnete Läuferwicklung. Ein Großteil dieses magnetischen Flusses gelangt über den Anker zu den Folgepolen der Statoranordnung. Ein nicht zu vernachlässigender Anteil des von dem Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flusses tritt jedoch an den Stirnflächen des Läufers in axialer Richtung aus und wird so nicht mit den Läuferspulen der Läuferwicklung verkettet, die den den Folgepolen zugewandten Läuferzähnen zugeordnet sind. Dieser Anteil des magnetischen Flusses wird Streufluss genannt, bildet kein Drehmoment und reduziert daher den Wirkungsgrad.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, bei dem trotz des aufgrund der Folgepolanordnung hervorgerufenen Streuflusses an Stirnseiten des Läufers ein relativ hoher Wrkungsgrad des Elektromotors erreicht werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch den Elektromotor gemäß Anspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein rotatorischer Elektromotor vorgesehen. Der Elektromotor umfasst:
- eine Statoranordnung mit Statorpolen, die Permanentmagnet-Statorpole und Folgepole in einer Folgepolanordnung umfassen; und
- einen Läufer mit einem Anker aus magnetisch leitfähigem Material, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der axialen Länge des Ankers des Läufers und einem Durchmesser des Ankers des Läufers zwischen 1 und 2 liegt.
Eine Idee für die Gestaltung eines Elektromotors mit einem optimierten Wrkungsgrad besteht darin, zum einen den Anteil des Streuflusses an dem gesamten in den Anker eingekoppelten magnetischen Fluss zu reduzieren und zum anderen eine größtmögliche Effizienz hinsichtlich der Flussverkettung zwischen Läufer und Statorpol bezüglich des ohmschen Widerstands der Läuferwicklung des Läufers zu erreichen. Insbesondere wird die maximale Flussverkettung bei minimalem elektrischen Widerstand durch einen quadratischen bzw. kreisförmigen Spulenquerschnitt erreicht. Da die Spulenseiten in Richtung einer Umfangs- richtung im Läufer kleiner sind als die axiale Länge des Läufers, ergeben sich so optimale axiale Längen des Läufers, die kleiner sind als der Läuferdurchmesser. Mit größer werdender Polpaarzahl des Läufers und somit kleinerem Wckelschritt wird das für die maximale Flussverkettung optimale Längen-Durchmesser- Verhältnis des Läufers noch kleiner. Wie oben beschrieben, ist bei Folgepolmotoren der Streufluss über die Stirnseiten des Läufers nicht vernachlässigbar und vergrößert sich hin zu kleinen Längen-Durchmesser-Verhältnissen, was zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades führt. Aus diesem Grund führt eine Verkleinerung des Längen-Durchmesser-Verhältnisses insbesondere bei Motordesigns mit größerer Polpaarzahl im Läufer zu einem verschlechterten Wrkungsgrad hinsichtlich des genutzten magnetischen Flusses. Es wurde festgestellt, dass für verschiedenartige Folgepolmotoren das Optimum des Längen-Durchmesser-Verhältnisses des Läufers stets zwischen 1 und 2 liegt. Das heißt, der Wrkungsgrad des Elektromotors kann optimiert werden, da eine hohe Flussverkettung mit geringem ohmschen Widerstand der Läuferspulen bei gleichzeitig geringem Streufluss erreicht wird.
Weiterhin kann die Statoranordnung vierpolig ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Läufer mit vier oder sechs Läuferzähnen ausgebildet sein. Alternativ kann die Anzahl der Läuferzähne 10 oder mehr betragen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Elektromotor einem bürsten- kommutierten Gleichstrommotor entsprechen. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen vierpoligen Folgepolmotor mit Innenläufer; Figur 2 eine schematische Querschnittsdarstellung entlang einer achsparallelen Ebene durch den Folgepolmotor der Figur 1 ; und
Figur 3 ein Diagramm zur Darstellung der Verläufe des Wirkungsgrads, abhängig von einem Längen-Durchmesser-Verhältnis eines Läufers eines vierpoligen Elektromotors mit Folgepolanordnung.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Elektromotors 1 , der als bürstenkommutierter Gleichstrommotor ausgebildet ist. Der Elektromotor 1 weist ein magnetisch leitfähiges Polgehäuse 2 als Statoranordnung auf, in dem vier Statorpole ausgebildet sind. Das Polgehäuse 2 ist aus einem magnetisch leitenden Material gefertigt und hat eine im Wesentlichen zylindrische Form mit einer Innenausnehmung, in der ein Läufer 6 (Innenläufer) angeordnet ist. Andere Ausführungsformen können auch eine Statoranordnung mit nach außen weisenden Statorpolen vorsehen, um die ein Außenläufer anordenbar ist.
Der Läufer 6 ist mit seinem Anker an einer Welle angeordnet, die sich entlang einer Mittenachse A erstreckt und drehbar gelagert ist. Der Anker des Läufers 6 trägt eine Läuferwicklung 9, deren Läuferspulen um Läuferzähne 5 des Ankers gewickelt sind. Ein nicht gezeigter Kommutator dient dazu, die Läuferspulen zu bestromen. Der Kommutator ist so ausgebildet, dass die Bestromung der Läuferspulen so erfolgt, dass die Läuferzähne 5 ein magnetisches Feld erzeugen, das zum Antreiben des Läufers 6 in einer gewünschten Drehrichtung führt.
Das Polgehäuse 2 weist zwei einander gegenüberliegende Permanentmagnet- Statorpole P auf, die mit Permanentmagneten 3 ausgebildet sind. Die Permanentmagnet-Statorpole liegen einander bezüglich der Mittenachse A gegenüber und die Permanentmagnete 3 weisen eine gleiche magnetische Polung in Richtung der Mittenachse A auf. Beispielsweise können die zur Mittenachse A gerichteten Magnetpole der Permanentmagneten 3 einem magnetischen Nordpol entsprechen. Das Polgehäuse 2 weist weiterhin zwei einander gegenüberliegende Folgepole 4 auf, die nicht mit Permanentmagneten ausgebildet sind. Die Folgepole 4 können mit einem Polschuh ausgebildet und durch einen magnetisch leitfähigen Bereich des Polgehäuses 2 definiert sein. Der Polschuh bildet eine Kontur nach, die der
Bewegungsbahn einer dem Polgehäuse 2 zugewandten Fläche im Wesentlichen entspricht.
Die Folgepole 4 stehen über das magnetisch leitfähige Polgehäuse 2 in magneti- scher Verbindung zu den Magnetpolen der Permanentmagneten 3 der Permanentmagnet-Statorpole (P) , die den zum Läufer 6 weisenden Magnetpolen gegenüberliegen. Die Polschuhe der Folgepole 4 weisen eine zu dem Läufer 6 gerichtete Fläche auf, die durch ihre Nähe zu dem Anker des Läufers 6 magnetisch wirksam mit diesem gekoppelt ist.
In Figur 2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung durch den Elektromotor 1 der Figur 1 dargestellt, bei der die Querschnittsebene parallel zur Mittenachse A verläuft. Man erkennt in Figur 2 insbesondere die Stirnseiten S des Läufers, durch die, wie eingangs beschrieben, ein Anteil des durch die Permanent- magnete eingekoppelten magnetischen Flusses ungenutzt als Streufluss austreten kann. Die Höhe des Streuflusses bzw. der Anteil des Streuflusses an dem gesamten durch die Permanentmagnete 3 bereitgestellten Fluss ist ein Streu- fluss-Faktor Ws, der den Gesamtwirkungsgrad W des Elektromotors 1 bestimmt. Der Anteil des Streuflusses an dem gesamten von den Permanentmagneten 3 in den Anker des Läufers 6 eingekoppelten magnetischen Fluss hängt von der Länge des Läufers 6, insbesondere von der Länge I des Ankers ab.
Ein weiterer Aspekt, der den Wirkungsgrad des Elektromotors 1 bestimmt, ist die Flussverkettung bezüglich des ohmschen Wderstands der Läuferwicklung. Diese ist bei einem quadratischen, bzw. kreisförmigen Spulenquerschnitt optimal, da dort ein möglichst große, von den Läuferspulen 9 der Läuferwicklung umschlossene Fläche bei geringem ohmschen Widerstand erreicht wird. Weicht im Falle des Ankers des Elektromotors 1 die Spulengeometrie von dem quadratischen Spulenquerschnitt in Richtung rechteckiger Spulenquerschnitte ab, so reduziert sich der Gesamtwirkungsgrad des Elektromotors 1 ebenfalls durch einen Fluss- verkettungsfaktor WF. Da in der Regel die Breite der Läuferspule von dem Durchmesser d des Läufers 6 abhängt (Innendurchmesser bei Außenläufern), liegt der optimale Wirkungsgrad hinsichtlich der Flussverkettung bei einem Längen-Durchmesser-Verhältnis l/d des Läufers zwischen 0,3 und 0,8.
Aus dem Diagramm der Figur 3, bei dem der von dem Streufluss bestimmte Streuflussfaktor Ws und der Flussverkettungsfaktor WF, die den Gesamtwirkungsgrad des Elektromotors bestimmen, über dem Längen-Durchmesser- Verhältnis des Läufers 6 dargestellt sind, wurde erkannt, dass ein geeigneter Kompromiss in einem Bereich liegt, in dem das Längen-Durchmesser-Verhältnis des Läufers zwischen 1 und 2 liegt. Besonders vorteilhaft ist ein Längen- Durchmesser-Verhältnis von zwischen 1 ,2 und 1 ,7. Auch unter Berücksichtigung der Masse und des Volumens des Elektromotors 1 , die erheblich von dem Längen-Durchmesser-Verhältnis des Läufers abhängen, ist erkennbar, dass auch hier ein Überschreiten eines Längen-Durchmesser-Verhältnisses von 2 zu einer deutlich verringerten Leistungsdichte des Elektromotors 1 führen würde.

Claims

Rotatorischer Elektromotor (1) umfassend:
- eine Statoranordnung (2) mit Statorpolen, die Permanentmagnet- Statorpole (P) und Folgepole in einer Folgepolanordnung umfassen; und
- einen Läufer (6) mit einem Anker aus magnetisch leitfähigem Material, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der axialen Länge (I) des Ankers des Läufers (6) und einem Durchmesser (d) des Ankers des Läufers zwischen 1 und 2 liegt.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1 , wobei die Statoranordnung (2) vierpolig ausgebildet ist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Läufer (6) mit vier oder sechs Läuferzähnen (5) ausgebildet ist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl der Läuferzähne (5) 10 oder mehr beträgt.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (1) einem bürstenkommutierten Gleichstrommotor entspricht.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis zwischen der axialen Länge (I) des Ankers des Läufers (6) und dem Durchmesser (d) des Ankers des Läufers (6) zwischen 1 ,2 und 1 ,7 liegt.
7. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anker elektrische Läuferspulen (9) aufweist, die näherungsweise einen rechteckigen Spulenquerschnitt bilden. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweils gegenüberliegenden Permanentmagnet-Statorpole (P) zur Mittelachse A hin gleichpolig magnetisiert sind (z.B. beide Nordpole nach innen) und die jeweils gegenüberliegende Folgepole (4) zur Mittelachse A hin gleichpolig entsprechend entgegengesetzt magnetisiert sind (z.B. beide Südpole nach innen).
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