WO2024033392A1 - Bürstenloser elektromotor für einen kühlerlüfter - Google Patents

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WO2024033392A1
WO2024033392A1 PCT/EP2023/071995 EP2023071995W WO2024033392A1 WO 2024033392 A1 WO2024033392 A1 WO 2024033392A1 EP 2023071995 W EP2023071995 W EP 2023071995W WO 2024033392 A1 WO2024033392 A1 WO 2024033392A1
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WO
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rotor
electric motor
stator
poles
torque
Prior art date
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PCT/EP2023/071995
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mateja NIKOLIC
Thomas Susemihl
Mateja IVANOVIC
Original Assignee
Brose Fahrzeugteile SE & Co. Kommanditgesellschaft, Würzburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to a brushless electric motor for a radiator fan, having a stator with a number of radial stator teeth with grooves formed between them and a multi-phase rotating field winding arranged on the stator teeth, and a rotor with a number of permanent magnetic rotor magnets as magnetic poles.
  • the invention further relates to a radiator fan for a motor vehicle, with such a brushless electric motor.
  • radiator fans are often used as a heat management system for cooling or temperature control of internal combustion engines or electric motors, which cause airflow circulation.
  • Such radiator fans themselves generally have an electric motor as an electromotive radiator fan drive, the electric motor preferably having the highest possible torque or power density and the lowest possible acoustic noise.
  • Electric motors of such radiator fans are typically designed as brushless synchronous permanent magnet motors.
  • a particularly brushless electric motor as an electric (three-phase) machine usually has a stator provided with a rotating field or stator winding, which is arranged coaxially over an annular gap area or air gap spaced from a rotor with one or more permanent magnets. During operation, the stator winding generates a rotating magnetic field, which causes a torque on the permanently excited rotor.
  • the rotor can be used as an inner rotor or inner rotor, which is arranged coaxially within the stator, or as a External rotor or external rotor, which is arranged coaxially outside the stator, may be formed.
  • PM motors permanent magnet motors
  • FSCW fractional-slot concentrated winding
  • the torque density and the quality of the torque as well as the waveform of the radial force of the air gap acting on the stator are three important engine parameters, but their simultaneous optimization is often not possible.
  • electric motors with high torque density have a lower torque quality, i.e. a higher cogging torque and higher torque ripple, as well as higher radial magnetic forces. This has a negative impact on the acoustics of the electric motor, which is reflected in a high NVH (Noise Vibration Harshness) value.
  • NVH Noise Vibration Harshness
  • the invention is based on the object of specifying a particularly suitable brushless electric motor for a radiator fan.
  • an electric motor with improved torque that is as compact as possible in terms of installation space should be specified.
  • the invention is also based on the object of specifying a particularly suitable radiator fan.
  • the electric motor according to the invention is intended for, and is suitable and set up for, a radiator fan of a motor vehicle.
  • the brushless electric motor has a wound stator and a permanently excited rotor as well as a gap area or air gap formed between them.
  • the stator has a number of radially directed stator teeth, which carry the coils of a multi-phase stator or rotating field winding in intermediate (stator) slots.
  • the following statements refer in particular to a three-phase electric motor or to a three-phase rotating field winding. However, the explanations can also be applied to other numbers of phases.
  • the electric motor or the stator preferably has a concentrated partial slot winding (FSCW) as a rotating field winding.
  • the stator is characterized by a number of slots (referred to in the literature by the symbol Q), which essentially indicates the number of coils in the stator.
  • the number of slots is a multiple of the number of phases of the electric motor. For a three-phase electric motor or a three-phase stator or rotating field winding, the number of slots is, for example, a multiple of 3.
  • the rotor has, for example, a (hollow) cylindrical rotor body, which is equipped with a number of permanent magnetic rotor magnets distributed along a tangential direction.
  • the rotor magnets form magnetic poles of the rotor, which interact with a magnetic field generated by the rotating field winding during operation.
  • the rotor is characterized by a number of poles or a number of pole pairs (denoted in the literature by the symbol p).
  • the number of pole pairs indicates the number of pairs of magnetic poles of the rotor, therefore the number of poles is a multiple of 2 (2p).
  • the stator has a number of slots between 12 and 24, with the rotor having a number of poles between 14 and 28.
  • the least common multiple (LCM) of the number of slots and number of poles is greater than 60 (LCM(Q, 2p) > 60). Due to the larger LCM, the electric motor according to the invention has a reduced cogging torque. This increases the torque and advantageously reduces the NVH value of the electric motor. A particularly suitable electric motor for a radiator fan is thus realized.
  • axial or an “axial direction” is understood to mean, in particular, a direction parallel (coaxial) to the axis of rotation of the electric motor, i.e. perpendicular to the end faces of the stator.
  • radial or a “radial direction” is understood to mean, in particular, a direction oriented perpendicularly (transversely) to the axis of rotation of the electric motor along a radius of the stator or of the electric motor.
  • tangential or a “tangential direction” is understood to mean, in particular, a direction along the circumference of the stator or the electric motor (circumferential direction, azimuthal direction), i.e. a direction perpendicular to the axial direction and the radial direction.
  • a reduction in the motor mass can be achieved without the generation of the motor torque or the motor efficiency being adversely affected.
  • the air gap flux density (Brad) amplitude and waveform for a given motor magnetic circuit is a critical factor and one of the most influential design objectives for the generation of motor torque and magnetic radial forces.
  • High magnetic flux densities within the gap area for example greater than 0.8 T (Tesla), cause high radial electromotive forces (radial forces Frad), which act on the stator teeth.
  • radial forces Frad radial forces
  • a typical high torque density electric motor has an air gap flux density of 0.8 T to 1.2 T.
  • the radial magnetic force Fr is squarely proportional to the air gap flux density (Frad ⁇ Brad 2 ).
  • electromotive operation such high radial forces cause the stator to bulge radially inwards in the area of the connection points of the stator teeth. This can undesirably lead to noise and/or vibrations of the stator, which has a negative impact on the acoustics or the NVH value of the electric motor or the radiator fan.
  • the air gap flux density is reduced from 0.8 T to 0.4 T, the radial force is reduced by a factor of 4.
  • An air gap flux density of 0.35 T to 0.45 T can be achieved using inexpensive ferrite magnets with low flux density Br can be realized.
  • the rotor magnets are therefore made from a ferrite or rare earth material.
  • a magnetic material or magnetic material with a low flux density of less than 0.5 T (Tesla), for example between 0.35 T to 0.5 T, in particular 0.4 T to 0.5 T, is used.
  • the rotor magnets are designed, for example, as sintered ferrite, bonded rare earth magnets, or in particular as sintered ferrite magnets.
  • the rotor magnets have, for example, an arcuate or circular ring segment-shaped cross-sectional shape. For example, on each side of a magnet there is a flat section. The length of the section is, for example, between 0.4 mm and 0.8 mm for selected magnet dimensions. This corresponds to up to 20% of the total circumferential (tangential) length of the magnet on each side of a single magnet.
  • an external rotor is used as the motor geometry or motor topology.
  • the rotor is designed as an external rotor, external rotor or external rotor.
  • An outer rotor topology is a practical way to increase torque with approximately the same external dimensions as an inner rotor when the air gap flux density is low.
  • the torque is quadratically dependent on the rotor diameter and linearly proportional to the air gap flux density. Therefore, careful design and selection of the rotor diameter can compensate for the reduction in air gap flux density.
  • an inner rotor has a diameter of Di and a flux density of Bi and an outer rotor has a diameter of Do and a flux density of Bo.
  • Thu ⁇ Di* (Bi/Bo) can be estimated.
  • the number of slots is smaller than the number of poles.
  • the number of slots is 12 and the number of poles is 14.
  • the smallest common multiple is 84.
  • the electric motor therefore has a 12-slot-14-pole combination. Compared to a 10-slot, 12-pole electric motor, the higher number of magnetic poles reduces the pole pitch and thus the rotor mass.
  • a “pole pitch” is understood to mean, in particular, an outer circumferential length or arc length along the tangential direction of the rotor body, which extends in a tangential direction from the tangential center of a rotor magnet to the tangential center of the adjacent rotor magnet.
  • the pole pitch indicates the circumferential distance between the pole centers of adjacent poles.
  • Pole pitch is an index or parameter that is a measure of the radial thickness of a rotor back iron (rotor yoke).
  • the pole pitch is given by the ratio of the rotor circumference to the number of poles. Accordingly, a higher number of magnetic poles means a smaller pole pitch.
  • the smaller the pole pitch of the rotor the lower the flux per pole and the thinner the thickness of the rotor yoke. This allows the weight of the rotor - and thus the entire electric motor - to be significantly reduced.
  • the 12-slot-14-pole combination has a relatively high fundamental winding factor of 0.933. Taking advantage of the inherent characteristics of electric motors with a higher number of poles than number of slots, the winding factor can be further increased by varying the slot opening, reaching a winding factor of 0.966 with optimal slot opening.
  • the optional magnet overhang in this variant is, for example, dimensioned to a maximum of 30% of the axial length of the rotor magnet.
  • the magnet overhang is, for example, smaller than the magnet width in the radial direction.
  • the rotor magnets are arc or annular segment shaped, with the arc length adjusted for optimal torque production while maintaining low torque ripple and cogging torque values.
  • the arc length of the rotor magnets varies, for example, between 135 and 165 electrical degrees.
  • the opening angle of the groove is preferably chosen so that a slightly higher winding factor than for the fundamental vibration is possible, with the torque ripple and the cogging torque remaining at an acceptable level.
  • the opening angle of the grooves varies between 4 and 7 mechanical degrees for a selected geometry.
  • a harmonic injection feeds harmonics or harmonics into the surface of the stator teeth during engine operation.
  • the feeding of 3rd order harmonics into the stator teeth is implemented and optimized in an advantageous development. Feeding the 3rd harmonic into the stator contour is a mechanical parameter that has an influence on the shape of the flux density in the air gap.
  • the resulting form of magnetic flux has fewer harmonic distortions. In other words, the flow produced is closer to a pure sinusoidal shape.
  • the harmonics are fed in by feeding in an electrical (alternating) current which has a frequency corresponding to the harmonics.
  • an electrical (alternating) current which has a frequency corresponding to the harmonics.
  • the slot-pole configuration realizes a significant reduction in the active mass of the electric motor, enabling higher motor torque density and therefore a reduction in motor cost for a given output torque. Furthermore, there is no significant increase in the complexity of engine manufacturing and assembly, e.g. B. the winding time, so that a particularly simple production of the electric motor is guaranteed.
  • the electric motor described above is in particular a drive motor of an electric or electromotive radiator fan of a motor vehicle. This creates a particularly suitable radiator fan. In particular, a particularly compact, powerful and noise-reduced radiator fan is realized.
  • FIG. 2 shows a flux density diagram of the electric motor according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows a section of the electric motor in a top view
  • Fig. 4 is a top view of a section of a rotor magnet of the electric motor.
  • FIG. 2 An embodiment of an electric motor 2 according to the invention is shown in FIG.
  • the electric motor 2 is designed as an electric drive motor for a radiator fan (not shown) of a motor vehicle.
  • the brushless electric motor 2 has a wound stator 4 and a permanently excited rotor 6 as well as an air gap 8 formed between them (FIG. 4).
  • the stator 4 has a stamped stator laminated core 10 with twelve (12) stator teeth 12 directed radially outwards.
  • a (stator) groove 14 is formed between two adjacent stator teeth 12.
  • the stator teeth 12 and slots 14 are provided with reference numbers in the figures merely as examples.
  • a three-phase rotating field winding 16 is applied to the stator teeth 12, which is designed as twelve individual coils 18 in FIG. 1, for example.
  • the coils 18 are provided with reference numbers merely as an example, and are connected to the rotating field winding 16 in a manner not shown, for example by means of a delta or star connection.
  • the rotating field winding 16 is designed, for example, as a concentrated partial slot winding (FSCW).
  • the stator 4 has a slot number of 12.
  • the rotor 6, designed as an external rotor has, for example, a (hollow) cylindrical rotor body as a rotor yoke 20, which is equipped on the radial inside with a number of permanent magnetic rotor magnets 22 distributed along a tangential direction.
  • the rotor magnets 22 are provided with reference numbers in the figures only as examples.
  • the rotor magnets 22 are made, for example, from a ferrite or rare earth material.
  • the rotor magnets 22 have, for example, a flux density between 0.4 T and 0.8 T at room temperature.
  • a magnetic material or magnetic material with a low flux density of less than 0.5 T (Tesla), for example between 0.4 T and 0.5 T is used.
  • the rotor magnets 22 are designed, for example, as sintered ferrite, bonded rare earth magnets, or in particular as sintered ferrite magnets.
  • the rotor magnets 22 have an arcuate or annular segment-shaped cross-sectional shape.
  • the electric motor 2 of FIG. 1 thus has a 12-slot-14-pole combination.
  • the 12-slot-14-pole combination has a relatively high fundamental winding factor of 0.933. Taking advantage of the inherent characteristics of electric motors with a higher number of poles than the number of slots, the winding factor can be further increased by varying the slot opening, reaching a winding factor of 0.966 with an optimal slot opening.
  • the flux linkage is higher compared to a 10-slot, 12-pole topology in the 12-slot, 14-pole electric motor 2 due to the higher number of poles p, which leads to a higher induced voltage in the winding, and a lower magnet overhang possible with the same performance.
  • the 12-slot, 14-pole electric motor 2 can, for example, have a magnet overhang of a maximum of 30% of the axial length of the rotor magnets 22.
  • the magnet overhang on each side is smaller than the radial width of the rotor magnets 22.
  • the global and local magnetic induction in the entire stator 4 and on the stator teeth 12 is also low for the 12-slot, 14-pole electric motor 2 under full load.
  • the rotor magnets 22 have, for example, an arc length of between 135 and 165 electrical degrees.
  • the opening angle of the grooves 14 is preferably dimensioned between 4 and 7 mechanical degrees.
  • the 12-slot, 14-pole electric motor 2 achieves a torque density that is more than 30% higher than that of a 10-slot, 12-pole electric motor.
  • FIGS. 3 and 4 A second embodiment of the 12-slot, 14-pole electric motor 2 is shown in FIGS. 3 and 4.
  • the rotor magnets 22 have a modified arcuate or annular segment-shaped cross-sectional shape.
  • the radially inner concave inner side has a tangentially extending middle section 24, which is flanked on both sides in the tangential direction by a flat section 26.
  • the middle section 24 has a constant radius of curvature, with the front sections 26 being designed to be essentially flattened.
  • the approximately straight sections 26 are inclined or oriented obliquely to the radial and tangential directions. Through the sections 26, the gap area to the stator teeth 12 is enlarged in sections (see, for example, FIG. 4).
  • the length of the sections 26 is, for example, between 0.4 mm and 0.8 mm for selected magnet dimensions. This corresponds to up to 20% of the total length of the rotor magnet 22 in the circumferential direction (tangential) on each side of an individual rotor magnet 22.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Elektromotor (2) für einen Kühlerlüfter, aufweisend einen Stator (4) mit einer Anzahl von radialen Statorzähnen (12) mit dazwischen gebildeten Nuten (14) und einer auf den Statorzähnen (12) angeordneten mehrphasigen Drehfeldwicklung (16), und einen Rotor (6) mit einer Anzahl von permanentmagnetischen Rotormagneten (22) als Magnetpole, wobei der Stator (4) eine Nutzahl zwischen 12 und 24 aufweist, wobei der Rotor (6) eine Polzahl zwischen 14 und 28 aufweist, und wobei das kleinste gemeinsame Vielfache der Nutzahl und Polzahl größer als 60 ist.

Description

Beschreibung
Bürstenloser Elektromotor für einen Kühlerlüfter
Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Elektromotor für einen Kühlerlüfter, aufweisend einen Stator mit einer Anzahl von radialen Statorzähnen mit dazwischen gebildeten Nuten und einer auf den Statorzähnen angeordneten mehrphasigen Drehfeldwicklung, und einen Rotor mit einer Anzahl von permanentmagnetischen Rotormagneten als Magnetpole. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kühlerlüfter für ein Kraftfahrzeug, mit einem solchen bürstenlosen Elektromotor.
In einem modernen Kraftfahrzeug werden zur Kühlung oder Temperierung von Verbrennungs- oder Elektromotoren häufig elektrische oder elektromotorische Kühlerlüfter als Wärmemanagement-System verwendet, welche eine Luftstrom- Zirkulation bewirken. Derartige Kühlerlüfter weisen in der Regel selbst einen Elektromotor als elektromotorischen Kühlerlüfterantrieb auf, wobei der Elektromotor vorzugsweise eine möglichst hohe Drehmoment- oder Leistungsdichte sowie eine möglichst geringe akustische Geräuschentwicklung aufweist.
Elektromotoren solcher Kühlerlüfter sind typischerweise bürstenlos als synchrone permanentmagneterregte Motoren ausgeführt. Ein insbesondere bürstenloser Elektromotor als elektrische (Drehstrom-)Maschine weist üblicherweise einen mit einer Drehfeld- oder Statorwicklung versehenen Stator auf, welcher koaxial über einen ringförmigen Spaltbereich oder Luftspalt beabstandet zu einem Rotor mit einem oder mehreren Permanentmagneten angeordnet ist. Die Statorwicklung erzeugt im Betrieb ein magnetisches Drehfeld, welches ein Drehmoment am permanent erregten Rotor verursacht. Der Rotor kann hierbei als ein Innenrotor oder Innenläuferrotor, welcher koaxial innerhalb des Stators angeordnet ist, oder als ein Außenrotor oder Außenläuferrotor, welcher koaxial außerhalb des Stators angeordnet ist, ausgebildet sein.
Für Anwendungen mit hoher Drehmomentdichte werden häufig Permanentmagnet-Motoren (PM-Motoren) mit konzentrierter Teilnutwicklung (engl.: fractional-slot concentrated winding, FSCW) verwendet.
Um die Drehmomentdichte weiter zu erhöhen, ohne dabei die remanente Induktion (Br) der Rotormagnete zu erhöhen, also ohne die Magnetsorte und/oder das Magnetmaterial zu ändern, ist es wichtig, eine geeignete Nut-/Polkonfiguration und Geometrie für den Elektromotor zu wählen. Mit zunehmender Polzahl und Nutzahl wird das Drehmoment erhöht und eine Drehmomentpulsation oder Drehmomentwelligkeit sowie ein Rastmoment (engl.: cogging torque) des Elektromotors reduziert.
Im Allgemeinen sind die Drehmomentdichte und die Qualität des Drehmoments sowie die Wellenform der auf den Stator wirkenden Radialkraft des Luftspalts (also die Verformung des Stators beziehungsweise der Statorzähne) drei wichtige Motorparameter, deren gleichzeitige Optimierung jedoch häufig nicht möglich ist. Im Allgemeinen weisen hierbei Elektromotoren mit hoher Drehmomentdichte eine geringere Drehmomentqualität, also ein höheres Rastmoment und höhere Drehmomentwelligkeit, sowie höhere radiale Magnetkräfte auf. Dadurch wird die Akustik des Elektromotors nachteilig beeinflusst, was sich in einem hohen NVH-Wert (Noise Vibration Harshness) niederschlägt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten bürstenlosen Elektromotor für einen Kühlerlüfter anzugeben. Insbesondere soll ein möglichst bauraum kompakter Elektromotor mit verbessertem Drehmoment angegeben werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Kühlerlüfter anzugeben.
Hinsichtlich des Elektromotors wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Kühlerlüfters mit den Merkmalen des Anspruchs 7 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf den Elektromotor angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Kühlerlüfter übertragbar und umgekehrt.
Der erfindungsgemäße Elektromotor ist für einen Kühlerlüfter eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Der bürstenlos ausgeführte Elektromotor weist hierbei einen bewickelten Stator und einen permanenterregten Rotor sowie einen zwischen diesen gebildeten Spaltbereich oder Luftspalt auf.
Der Stator weist eine Anzahl von radial gerichteten Statorzähnen auf, welche in dazwischenliegenden (Stator-)Nuten die Spulen einer mehrphasigen Stator- oder Drehfeldwicklung tragen. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich insbesondere auf einen dreiphasigen Elektromotor beziehungsweise auf eine dreiphasige Drehfeldwicklung. Jedoch sind die Ausführungen sinngemäß auch auf andere Phasenanzahlen übertragbar.
Der Elektromotor beziehungsweise der Stator weist vorzugsweise eine konzentrierte Teilnutwicklung (FSCW) als Drehfeldwicklung auf. Der Stator ist hierbei mittels einer Nutzahl (in der Literatur mit dem Formelzeichen Q bezeichnet) charakterisiert, welche im Wesentlichen die Anzahl der Spulen des Stators angibt. Die Nutzahl ist hierbei ein Vielfaches der Phasenanzahl des Elektromotors. Bei einem dreiphasigen Elektromotor beziehungsweise bei einer dreiphasigen Stator- oder Drehfeldwicklung ist die Nutzahl beispielsweise ein Vielfaches von 3.
Der Rotor weist einen beispielsweise (hohl-)zylindrischen Rotorkörper auf, welcher mit einer Anzahl von entlang einer Tangentialrichtung verteilt angeordneten permanentmagnetischen Rotormagnete bestückt ist. Die Rotormagnete bilden hierbei Magnetpole des Rotors, welche mit einem von der Drehfeldwicklung im Betrieb erzeugten Magnetfeld wechselwirken. Der Rotor ist mittels einer Polzahl beziehungsweise Polpaarzahl (in der Literatur mit dem Formelzeichen p bezeichnet) charakterisiert. Die Polpaarzahl gibt die Anzahl der Paare von magnetischen Polen des Rotors an, folglich ist die Polzahl ein Vielfaches von 2 (2p). Erfindungsgemäß weist der Stator eine Nutzahl zwischen 12 und 24 auf, wobei der Rotor eine Polzahl zwischen 14 und 28 aufweist. Das kleinste gemeinsame Vielfache (Least Common Multiple, LCM) der Nutzahl und Polzahl ist größer als 60 (LCM(Q, 2p) > 60). Aufgrund des größeren LCM weist der erfindungsgemäße Elektromotor ein verringertes Rastmoment auf. Dadurch wird das Drehmoment erhöht und der NVH-Wert des Elektromotors vorteilhaft reduziert. Somit ist ein besonders geeigneter Elektromotor für einen Kühlerlüfter realisiert.
Unter „axial“ oder einer „Axialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung parallel (koaxial) zur Drehachse des Elektromotors, also senkrecht zu den Stirnseiten des Stators verstanden. Entsprechend wird hier und im Folgenden unter „radial“ oder einer „Radialrichtung“ insbesondere eine senkrecht (quer) zur Drehachse des Elektromotors orientierte Richtung entlang eines Radius des Stators beziehungsweise des Elektromotors verstanden. Unter „tangential“ oder einer „Tangentialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung entlang des Umfangs des Stators oder des Elektromotors (Umfangsrichtung, Azimutalrichtung), also eine Richtung senkrecht zur Axialrichtung und zur Radialrichtung, verstanden.
Vorzugsweise ist durch eine Kombination der Motortopologie und der Nut-Pol- Konfiguration sowie der Magnetwerkstoffe und Form der Rotormagnete und der Formgebung der Statorzähne eine Verringerung der Motormasse realisierbar, ohne dass dabei die Erzeugung des Motordrehmoments oder des Motorwirkungsgrads nachteilig beeinflusst werden.
Die Amplitude der Luftspaltflussdichte (Brad) und die Wellenform für einen gegebenen Motormagnetkreis ist ein entscheidender Faktor und eines der einflussreichsten Konstruktionsziele für die Erzeugung von Motordrehmoment und magnetischen Radialkräften.
Hohe magnetische Flussdichten innerhalb des Spaltbereichs, zum Beispiel größer als 0,8 T (Tesla), bewirken hohe radiale elektromotorische Kräfte (Radialkräfte Frad), welche auf die Statorzähne wirken. Ein typischer Elektromotor mit hoher Drehmomentdichte hat eine Luftspaltflussdichte von 0,8 T bis 1 ,2 T. In diesem Bereich ist die radiale Magnetkraft Fr quadratisch proportional zur Luftspaltflussdichte (Frad ~ Brad2). Derartig hohe Radialkräfte führen im elektromotorischen Betrieb dazu, dass sich der Stator im Bereich der Anbindungsstellen der Statorzähne radial einwärts wölbt. Dies kann in unerwünschter Weise zu einer Geräuschentwicklung und/oder Vibrationen des Stators führen, wodurch die Akustik oder der NVH- Wert des Elektromotors beziehungsweise des Kühlerlüfters nachteilig beeinflusst wird.
Wenn beispielsweise die Luftspalt-Flussdichte von 0,8 T auf 0,4 T reduziert wird, verringert sich die Radialkraft um einen Faktor 4. Eine Luftspalt-Flussdichte von 0,35 T bis 0,45 T kann hierbei durch kostengünstige Ferritmagnete mit niedriger Flussdichte Br realisiert werden.
In einer geeigneten Ausführung sind die Rotormagnete daher aus einem Ferritoder Seltenerdenmaterial hergestellt. Vorzugsweise wird hierbei ein Magnetwerkstoff oder Magnetmaterial mit einem niedrigen Flussdichte kleiner 0,5 T (Tesla), beispielsweise zwischen 0,35 T bis 0,5 T, insbesondere 0,4 T bis 0,5 T, verwendet. Die Rotormagnete sind beispielsweise als Sinterferrit, gebundene Seltenerdmagnete, oder insbesondere als gesinterten Ferritmagnete ausgeführt. Die Rotormagnete weisen hierbei beispielsweise eine bogenförmige oder kreisringsegmentförmige Querschnittsform auf. Beispielsweise befindet sich auf jeder Seite eines Magneten in flacher Abschnitt. Die Länge des Abschnitts liegt beispielsweise- zwischen 0,4 mm und 0,8 mm für ausgewählte Magnetabmessungen. Dies entspricht bis zu 20 % der Gesamtlänge des Magneten in Umfangsrichtung (tangential) auf jeder Seite eines einzelnen Magneten.
Bei niedrigen Flussdichten innerhalb des Luftspaltes, beispielsweise bei Luftspaltflussdichten kleiner als 0,45 T, wird die Fähigkeit des Elektromotors ein Drehmoment zu erzeugen eingeschränkt. Dieser Nachteil kann jedoch durch eine geeignete Motortopologie und die Nut-Pol-Konfiguration kompensiert werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung wird als Motorgeometrie oder Motortopologie ein Außenläufer verwendet. Mit anderen Worten ist der Rotor als ein Außenläufer, Außenrotor oder Außenläuferrotor ausgebildet.
Eine Außenrotortopologie ist ein praktischer Weg zur Steigerung des Drehmoments bei annähernd gleichen äußeren Abmessungen wie bei einem Innenrotor, wenn die Luftspaltflussdichte gering ist. Das Drehmoment ist quadratisch abhängig vom Rotordurchmesser und linear proportional zur Luftspaltflussdichte. Daher kann eine sorgfältige Auslegung und Auswahl des Rotordurchmessers die Verringerung der Luftspaltflussdichte kompensieren.
Zum Beispiel hat ein Innenrotor einen Durchmesser von Di und eine Flussdichte von Bi und ein Außenrotor hat einen Durchmesser von Do und eine Flussdichte von Bo. Hieraus kann Do ~ Di* (Bi/Bo) geschätzt werden. Für Di = 80 mm (Millimeter) und Bi = 0,8 T sowie Bo = 0,4 T, ergibt sich beispielsweise Do = 113 mm als Rotordurchmesser für die entsprechende Außenrotortopologie.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist die Nutzahl kleiner als die Polzahl. In einer zweckmäßigen Ausbildung ist die Nutzahl auf 12 und die Polzahl auf 14 dimensioniert. Das kleinste gemeinsame Vielfache ist hierbei 84. Der Elektromotor weist somit eine 12-Nut-14-Pol-Kombination auf. Im Vergleich zu einem 10-Nut-12-Pol- Elektromotor wird durch die höhere Anzahl von Magnetpolen die Polteilung und somit die Rotormasse reduziert.
Unter einer "Polteilung" (Pole Pitch) wird in diesem Zusammenhang insbesondere eine äußere Umfangslänge oder Bogenlänge entlang der Tangentialrichtung des Rotorkörpers verstanden, die sich vom tangentialen Mittelpunkt eines Rotormagneten zum tangentialen Mittelpunkt des jeweils benachbarten Rotormagneten in tangentialer Richtung erstreckt. Mit anderen Worten gibt die Polteilung den Umfangsabstand zwischen den Polmitten von benachbarten Polen an. Die Polteilung ist ein Index oder Parameter, welcher ein Maß für die radiale Dicke eines Rotorrückeneisens (Rotorjoch) ist. Die Polteilung ist hierbei gegeben durch das Verhältnis von Rotorumfang zu Polzahl. Entsprechend bedeutet eine höhere Anzahl von Magnetpolen eine geringere Polteilung. Je kleiner die Polteilung des Rotors ist, desto geringer ist der Fluss pro Pol und desto dünner ist die Dicke des Rotorjochs. Dadurch kann das Gewicht des Rotors - und somit des gesamten Elektromotors - erheblich reduziert werden.
Die 12-Nut-14-Pol-Kombination weist hierbei einen relativ hohen fundamentalen Wicklungsfaktor von 0,933 auf. Unter Ausnutzung der inhärenten Charakteristik von Elektromotoren mit höherer Polzahl als Nutzahl, kann der Wicklungsfaktor durch eine Variation der Nutöffnung weiter erhöht werden, und erreicht einen Wicklungsfaktor von 0,966 bei optimaler Nutöffnung.
Darüber hinaus reduziert eine geschickte Kombination mit Rotormagneten mit niedriger Luftspaltflussdichte und einer höheren Anzahl von Rotorpolen und Nuten die magnetische Flussdichte im gesamten Stator unter Volllast, was einen niedrigen Verlust im Kem und einen hohen Wirkungsgrad des Elektromotors zur Folge hat.
Der optionale Magnetüberhang bei dieser Variante ist beispielsweise auf maximal 30 % der axialen Länge des Rotormagneten dimensioniert. Der Magnetüberhang ist beispielsweise kleiner als die Magnetbreite in radialer Richtung.
Die Rotormagnete sind bogen- oder kreisringsegmentförmig, wobei die Bogenlänge für eine optimale Drehmomenterzeugung angepasst ist, wobei niedrige Drehmomentwelligkeits- und Rastmoment-Werte beibehalten werden. Die Bogenlänge der Rotormagnete variiert beispielsweise zwischen 135 und 165 elektrischen Grad.
Der Öffnungswinkel der Nut wird vorzugsweise so gewählt, dass ein etwas höherer Wicklungsfaktor als für die Grundschwingung möglich ist, wobei die Drehmomentwelligkeit und das Rastmoment auf einem akzeptablen Niveau bleiben. Der Öffnungswinkel der Nuten variiert zwischen 4 und 7 mechanischen Grad für eine ausgewählte Geometrie. Beispielsweise speist eine Oberwellen- oder Harmonischeneinspeisung (harmonic injection) im Motorbetrieb Oberwellen oder Harmonische (harmonics) in die Oberfläche der Statorzähne ein. Um die Drehmomentqualität weiter zu verbessern, wird in einer vorteilhaften Weiterbildung die Einspeisung von Oberwellen der 3. Ordnung in die Statorzähne implementiert und optimiert. Das Einspeisen der 3. Harmonischen in die Statorkontur ist also ein mechanischer Parameter, welcher einen Einfluss auf die Form der Flussdichte im Luftspalt hat. Die so erhaltene Form des magnetischen Flusses weist weniger harmonische Verzerrungen auf. Mit anderen Worten ist der erzeugte Fluss näher an einer reinen Sinusform.
Die Einspeisung der Harmonischen erfolgt hierbei durch die Einspeisung eines elektrischen (Wechsel-)Stroms, welcher eine der Harmonischen entsprechende Frequenz aufweist. Durch die aktive Einspeisung oder Injektion von Harmonischen werden ein Rastmoment und eine Drehmomentpulsation des Elektromotors im Motorbetrieb reduziert.
Zusammenfassend realisiert die Nut-Pol-Konfiguration eine erhebliche Verringerung der aktiven Masse des Elektromotors, was eine höhere Motordrehmomentdichte und damit eine Verringerung der Motorkosten für ein bestimmtes Ausgangsdrehmoment ermöglicht. Weiterhin ist keine signifikante Erhöhung der Komplexität der Motorherstellung und -montage, z. B. der Wicklungszeit, gegeben, so dass eine besonders einfache Herstellung des Elektromotors gewährleistet ist.
In einer bevorzugten Anwendung ist der vorstehend beschriebene Elektromotor insbesondere ein Antriebsmotor eines elektrischen oder elektromotorischen Kühlerlüfters eines Kraftfahrzeugs. Dadurch ist ein besonders geeigneter Kühlerlüfter realisiert. Insbesondere ist ein besonders bauraumkompakter, leistungsstarker und geräuschreduzierter Kühlerlüfter realisiert.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen: Fig. 1 einen Elektromotor mit einer 12-Nut-14-Pol-Kombination,
Fig. 2 ein Flussdichtendiagramm des Elektromotors gemäß Fig. 1 , Fig. 3 in Draufsicht ausschnittsweise den Elektromotor, und
Fig. 4 in Draufsicht ausschnittsweise einen Rotormagneten des Elektromotors.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In der Fig. 1 ist eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Elektromotors 2 gezeigt. Der Elektromotor 2 ist hierbei als ein elektrischer Antriebsmotor für einen nicht näher gezeigten Kühlerlüfter eines Kraftfahrzeugs ausgeführt. Der bürstenlos ausgeführte Elektromotor 2 weist einen bewickelten Stator 4 und einen permanenterregten Rotor 6 sowie einen zwischen diesen gebildeten Luftspalt 8 (Fig. 4) auf.
Der Stator 4 weist ein stanzpaketiertes Statorblechpaket 10 mit zwölf (12) radial nach außen gerichteten Statorzähnen 12 auf. Zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 12 ist jeweils eine (Stator-)Nut 14 gebildet. Die Statorzähne 12 und Nuten 14 sind in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
Auf die Statorzähne 12 ist eine dreiphasige Drehfeldwicklung 16 aufgebracht, welche in der Fig. 1 beispielhaft als zwölf einzelne Spulen 18 ausgeführt ist. Die Spulen 18 sind lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen, und sind in nicht näher dargestellter Weise beispielsweise mittels einer Dreiecks- oder Sternschaltung zu der Drehfeldwicklung 16 verschaltet. Die Drehfeldwicklung 16 ist beispielsweise als eine konzentrierte Teilnutwicklung (FSCW) ausgeführt. Der Stator 4 weist hierbei eine Nutzahl von 12 auf.
Der als Außenläufer ausgeführte Rotor 6 weist einen beispielsweise (hohl-)zylind- rischen Rotorkörper als Rotorjoch 20 auf, welches radial innenseitig mit einer Anzahl von entlang einer Tangentialrichtung verteilt angeordneten permanentmagnetischen Rotormagnete 22 bestückt ist. Die Rotormagnete 22 sind in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen. Die Rotormagnete 22 sind beispielsweise aus einem Ferrit- oder Seltenerdenmaterial hergestellt. Die Rotormagnete 22 weisen bei Raumtemperatur beispielsweise eine Flussdichte zwischen 0,4 T und 0,8 T auf. Vorzugsweise wird hierbei ein Magnetwerkstoff oder Magnetmaterial mit einem niedrigen Flussdichte kleiner 0,5 T (Tesla), beispielsweise zwischen 0,4 T bis 0,5 T, verwendet. Die Rotormagnete 22 sind beispielsweise als Sinterferrit, gebundene Seltenerdmagnete, oder insbesondere als gesinterte Ferritmagnete ausgeführt. Die Rotormagnete 22 weisen eine bogenförmige oder kreisringsegmentförmige Querschnittsform auf.
Der Elektromotor 2 der Fig. 1 weist somit eine 12-Nut-14-Pol-Kombination auf.
Das elektromagnetische Rastmoment dieser 12-Nut-14-Pol-Topologie ist aufgrund des hohen kleinsten gemeinsamen Vielfachen (LCM(Q, 2p) = LCM(12, 14) = 84) gegenüber einer 10-Nut-12-Pol-Topologie reduziert.
Die 12-Nut-14-Pol-Kombination weist hierbei einen relativ hohen fundamentalen Wicklungsfaktor von 0,933 auf. Unter Ausnutzung der inhärenten Charakteristik von Elektromotoren mit höherer Polzahl als Nutzahl, kann der Wicklungsfaktor durch eine Variation der Nutöffnung weiter erhöht werden, und erreicht bei optimaler Nutöffnung einen Wicklungsfaktor von 0,966.
Die Flussverknüpfung ist im Vergleich zu einer 10-Nut-12-Pol-Topologie bei dem 12-Nut-14-Pol-Elektromotor 2 aufgrund der höheren Polzahl p höher, was zu einer höheren induzierten Spannung in der Wicklung führt, und einen geringeren Magnetüberhang bei gleicher Leistung ermöglicht. Der 12-Nut-14-Pol-Elektromotor 2 kann beispielsweise Magnetüberhang auf maximal 30% der axialen Länge der Rotormagneten 22 aufweisen. Vorzugsweise ist der Magnetüberhang auf jeder Seite kleiner als die radiale Breite der Rotormagnete 22.
Wie in dem Flussdiagramm der Fig. 2 ersichtlich ist, ist auch für den 12-Nut-14- Pol-Elektromotor 2 die globale und lokale magnetische Induktion im gesamten Stator 4 und an den Statorzähnen 12 unter Volllast niedrig. Die Rotormagnete 22 weisen hierbei beispielsweise eine Bogenlänge zwischen 135 und 165 elektrischen Grad auf. Der Öffnungswinkel der Nuten 14 wird vorzugsweise zwischen 4 und 7 mechanischen Grad dimensioniert.
Um die Drehmomentqualität zu verbessern, ist beispielsweise eine Einspeisung von Oberwellen der 3. Ordnung in die Statorzähne 12 des 12-Nut-14-Pol-Elektro- motor 2 implementiert und optimiert.
Durch die kürzere Polteilung des Rotors 6 wird das Gewicht des Rotorjochs 20, der Rotormagnete 22 und der Statorbleche reduziert, während das Gewicht des Kupferdrahtes für die Drehfeldwicklung 16 im Wesentlichen gleichbleibt. Infolgedessen erreicht der 12-Nut-14-Pol-Elektromotor 2 eine um mehr als 30 % höhere Drehmomentdichte im einem 10-Nut-12-Pol-Elektromotor.
In den Figuren 3 und 4 ist eine zweite Ausführungsform des 12-Nut-14-Pol-Elekt- romotors 2 gezeigt. In dieser Ausführung weisen die Rotormagnete 22 eine modifizierte bogenförmige oder kreisringsegmentförmige Querschnittsform auf. Hierbei weist die radial innenseitige konkave Innenseite einen tangential verlaufenden Mittelabschnitt 24 auf, welcher in tangentialer Richtung beidseitig von einem flachen Abschnitt 26 flankiert ist. Der Mittelabschnitt 24 weist hierbei einen konstanten Krümmungsradius auf, wobei die stirnseitigen Abschnitte 26 im Wesentlichen abgeflacht ausgeführt sind. Die etwa geradlinigen Abschnitte 26 sind hierbei geneigt oder schräg zur Radial- und Tangentialrichtung orientiert. Durch die Abschnitte 26 ist somit der Spaltbereich zu den Statorzähnen 12 abschnittsweise vergrößert (vgl. bspw. Fig. 4). Die Länge der Abschnitte 26 liegt beispielsweisezwischen 0,4 mm und 0,8 mm für ausgewählte Magnetabmessungen. Dies entspricht bis zu 20 % der Gesamtlänge des Rotormagneten 22 in Umfangsrichtung (tangential) auf jeder Seite eines einzelnen Rotormagneten 22.
Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
2 Elektromotor
4 Stator 6 Rotor
8 Luftspalt
10 Statorblechpaket
12 Statorzahn
14 Nut 16 Drehfeldwicklung
18 Spule
20 Rotorjoch
22 Rotormagnet
24 Mittelabschnitt 26 Abschnitt

Claims

Ansprüche Bürstenloser Elektromotor (2) für einen Kühlerlüfter, aufweisend
- einen Stator (4) mit einer Anzahl von radialen Statorzähnen (12) mit dazwischen gebildeten Nuten (14) und einer auf den Statorzähnen (12) angeordneten mehrphasigen Drehfeldwicklung (16), und
- einen Rotor (6) mit einer Anzahl von permanentmagnetischen Rotormagneten (22) als Magnetpole,
- wobei der Stator (4) eine Nutzahl zwischen 12 und 24 aufweist,
- wobei der Rotor (6) eine Polzahl zwischen 14 und 28 aufweist, und
- wobei das kleinste gemeinsame Vielfache der Nutzahl und Polzahl größer als 60 ist. Elektromotor (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotormagnete (22) aus einem Ferrit- oder Seltenerdematerial hergestellt sind. Elektromotor (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (6) als ein Außenläufer ausgeführt ist. Elektromotor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzahl kleiner als die Polzahl ist. Elektromotor (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Nutzahl 12, ist, und
- dass die Polzahl 14 ist. Elektromotor (2) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberwelleneinspeisung im Motorbetrieb eine dritte Oberwelle in die Statorzähne einspeist. Kühlerlüfter für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen bürstenlosen Elektromo- tor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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