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Title:
ELECTRIC MOTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/149402
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to an electric motor (1) comprising a rotor main body (2), to which a plurality of permanent magnets (3) or a rotor winding can be attached, and a shaft (4) for receiving the rotor main body (2), characterized in that an isolation body (5) is arranged between the shaft (4) and the rotor main body (2) to electrically isolate the rotor main body (2) from the shaft (4), in that the isolation body (5) engages at least partially into the shaft (4) and into the rotor main body (2) in order to connect the shaft (4) and rotor main body (2) for conjoint rotation, and in that the isolation body (5) is made from a composite of ceramic and plastic.

Inventors:
BURGHAUS, Jens (Hoelderlinstrasse 1, Gerlingen, 70839, DE)
MORISCO, David Philipp (Talstrasse 15, Untergruppenbach, 74199, DE)
Application Number:
EP2018/082776
Publication Date:
August 08, 2019
Filing Date:
November 28, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
H02K1/30; H02K1/27; H02K1/28
Foreign References:
US20080313884A12008-12-25
DE1037572B1958-08-28
JP2015159647A2015-09-03
US3477125A1969-11-11
Other References:
None
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Claims:
Ansprüche

1. Elektromotor (1 ) umfassend:

einen Rotorgrundkörper (2), an dem eine Vielzahl von

Permanentmagneten (3) oder eine Rotorwicklung anbringbar ist, und eine Welle (4) zum Aufnehmen des Rotorgrund körpers (2), dadurch gekennzeichnet,

dass zwischen Welle (4) und Rotorgrundkörper (2) ein

Isolationskörper (5) angebracht ist, um den Rotorgrundkörper (2) von der Welle (4) elektrisch zu isolieren,

dass der Isolationskörper (5) zumindest teilweise in die Welle (4) und in den Rotorgrundkörper (2) eingreift, um Welle (4) und

Rotorgrundkörper (2) drehfest zu verbinden, und

dass der Isolationskörper (5) aus einem Verbund aus Keramik und Kunststoff gefertigt ist.

2. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der

Isolationskörper (5) einen Keramikkern (6) mit einer zumindest teilweisen Kunststoffummantelung (7) aufweist.

3. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der

Keramikkern (6) als Ring ausgelegt ist, um einen Pressverband zwischen Welle (4) und Keramikkern (6) herzustellen.

4. Elektromotor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorgrundkörper (2) und/oder die Welle (4) zumindest eine sich entlang einer Mittelachse (100) der Welle (4) erstreckende Nut (8) aufweisen, wobei der Isolationskörper (5) in die zumindest eine Nut (8) eingreift.

5. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die

zumindest eine Nut (8) einen entlang der Mittelachse (100) konstanten oder veränderlichen Querschnitt aufweist.

6. Elektromotor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Isolationskörper (5) in dem

Rotorgrundkörper (2) sternförmig erstreckt.

7. Elektromotor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (5) zumindest eine Extremstelle (9) mit einer größten radialen Erstreckung aufweist, wobei die Extremstelle

(9) an einem Winkelbereich vorhanden ist, an dem ein in den

Rotorgrundkörper (2) eingesetzter Permanentmagnet (3) einen geringsten Abstand zu der Welle (4) aufweist.

8. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (5) zwischen zwei Extremstellen (9) eine konkave Fläche

(10) aufweist, wobei die konkave Fläche einen runden oder ovalen Verlauf aufweist.

9. Elektromotor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Isolationskörper (5) ein Magnetfluss (200) innerhalb des Rotorgrund körpers (2) entlang einer vordefinierten Bahn ausgerichtet ist.

10. Elektromotor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff einen Thermoplast und/oder einen Duroplast umfasst.

Description:
Beschreibung

Titel

Elektromotor

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor. Insbesondere betrifft die Erfindung die Ausgestaltung der Welle-Nabe-Verbindung des Rotors des Elektromotors.

Aus dem Stand der Technik sind Elektromotoren, insbesondere

Drehstrommaschinen mit Permanentmagneten, bekannt, die eine hohe

Leistungsdichte und hohe Drehmomente ermöglichen. Maschinenteile von Elektromotoren, die einen magnetischen Fluss konzentriert führen, sind aus gestapelten Elektroblechen aufgebaut. Bei einem solchen Maschinenteil handelt es sich insbesondere um einen Rotorpaket, an dem die Permanentmagnete befestigt sind. Das Rotorpaket ist auf eine Welle aufgebracht. Die Welle dient zum übertragen einer Drehbewegung des Rotorgrundkörpers nach außen aus der Drehstrommaschine heraus und ist üblicherweise aus Stahl gefertigt. Das Rotorpaket wird zur Drehmomentübertragung an einer Welle oder Nabe drehfest verbunden, wobei die Verbindung durch einen Presssitz hergestellt wird, der gleichzeitig eine Verbindungsstelle für Wirbelströme etabliert.

Offenbarung der Erfindung

Durch den erfindungsgemäßen Elektromotor ist sogenanntes Elektro-Pitting vermieden, das in Kugellagern auftreten kann, die zur Lagerung der Welle vorgesehen sind. Besagtes Elektro-Pitting tritt auf, wenn Wirbelströme aus dem Rotorgrundkörper über die Welle zu den Kugellagern geleitet werden und dort zu elektrischen Entladungen führen. Erfindungsgemäß wird dies durch eine elektrische Isolierung zwischen Welle und Rotorgrundkörper vermieden.

Der erfindungsgemäße Elektromotor umfasst einen Rotorgrundkörper, an dem entweder eine Vielzahl von Permanentmagneten oder eine Rotorwicklung anbringbar ist. Weist der Rotorgrundkörper eine Rotorwicklung auf, so sind insbesondere Schleifringe erforderlich, um eine elektrische Energie zu der Wicklung zu übertragen. Daher ist das Vorsehen von Permanentmagneten bevorzugt. Außerdem weist der Elektromotor eine Welle zum Aufnehmen des Rotorgrundkörpers auf. Zwischen der Welle und dem Rotorgrundkörper ist ein Isolationskörper angebracht. Dadurch ist der Rotorgrundkörper von der Welle elektrisch isoliert. Weiterhin ist vorgesehen, dass durch den Isolationskörper die Welle und der Rotorgrundkörper drehfest verbunden sind. Dies wird dadurch erreicht, dass der Isolationskörper zumindest teilweise in die Welle und den Rotorgrundkörper eingreift, wodurch die drehfeste Verbindung zwischen

Rotorgrundkörper und Welle etabliert ist. Somit dient der Isolationskörper zwei Zwecken: Zum einen erfolgt eine elektrische Isolierung von Welle und

Rotorgrundkörper gegeneinander, andererseits erfolgt eine drehfeste Verbindung von Rotorgrund körper und Welle, insbesondere durch Formschluss. Somit wird auf den aus dem Stand der Technik bekannten Presssitz verzichtet, durch den keine elektrische Isolierung möglich wäre. Der Isolationskörper ist aus einem Verbund aus Keramik und Kunststoff gefertigt. Durch den Anteil der Keramik ist eine mechanische Festigkeit des Isolationskörpers erhöht. Der Kunststoff dient vorteilhafterweise zur elektrischen Isolierung. Außerdem ist durch die

Verwendung von Keramik eine Lebensdauer der drehfesten Verbindung erhöht, da die Verwendung von lediglich Kunststoff dazu führen würde, dass dieser Kunststoff über lange Zeit durch Temperaturschwankungen an Festigkeit verliert. Somit würde die Welle-Nabe-Verbindung versagen, was durch den

festigkeitserhöhenden Anteil der Keramik ausgeglichen wird.

Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Isolationskörper einen Keramikkern mit einer zumindest teilweisen Kunststoffummantelung aufweist. Der Keramikkern dient somit vorteilhafterweise zur Aufnahme von Lasten, während der Kunststoffmantel eine elektrische Isolierung sicherstellt. Insbesondere ist ein Volumen des

Keramikkerns größer als ein Volumen der Kunststoffummantelung. Somit weist der Isolationskörper eine hohe Festigkeit auf und kann somit hohe Drehmomente zwischen Welle und Rotorgrund körper übertragen.

Besonders vorteilhaft ist der Keramikkern als Pressring ausgelegt. Dies bedeutet, dass der Keramikkern ringförmig ist und über einen Pressverband mit der Welle verbunden ist. Somit kann insbesondere neben der zuvor beschriebenen formschlüssigen Verbindung auch eine zumindest teilweise wirkende

kraftschlüssige Verbindung etabliert werden. Der Rotorgrundkörper und/oder die Welle weisen bevorzugt zumindest eine Nut auf, wobei sich die Nut entlang einer Mittelachse der Welle erstreckt. Der Isolationskörper greift in diese zumindest eine Nut ein. Besonders vorteilhaft weisen sowohl die Welle als auch der Grundkörper jeweils zumindest eine Nut auf, wobei der Isolationskörper in beide Nuten eingreift. Dies führt zu besagter drehfester Verbindung. Besonders vorteilhaft weisen sowohl der

Rotorgrundkörper als auch die Welle mehrere solche Nuten auf.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die zumindest eine Nut einen entlang der Mittelachse konstanten oder veränderlichen Querschnitt auf. Der Querschnitt kann sich entweder kontinuierlich oder sprunghaft ändern. Auch kann der Querschnitt entlang des Verlaufs der Mittelachse zunächst verringert und anschließend wieder vergrößert werden. Durch die variable Veränderung des Querschnitts entlang der Mittelachse erfolgt eine axiale Festlegung des Rotorgrundkörpers relativ zu dem Isolationskörper und/oder der Welle relativ zu dem Isolationskörper. Somit kann entweder der Isolationskörper axial, d.h.

entlang einer Richtung der Mittelachse der Welle, festgelegt werden, oder es kann der gesamte Rotorgrundkörper relativ zu der Welle axial festgelegt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich der Isolationskörper in den Rotorgrundkörper sternförmig erstreckt. Unter sternförmig ist insbesondere zu verstehen, dass sich der Isolationskörper ringförmig erstreckt, wobei sich von der Ringform Vorsprünge radial nach außen erstrecken. Ebenso ist möglich, dass sich die Vorsprünge radial nach innen erstrecken. Auf diese Weise ist einerseits eine drehfeste Verbindung zwischen Isolationskörper und Rotorgrundkörper erreicht. Andererseits ist ermöglicht, einen magnetischen Fluss innerhalb des Rotorgrundkörpers zu lenken. Ein Lenken des magnetischen Flusses erfolgt insbesondere aufgrund der Eigenschaften des Keramikanteils des Isolationsgrundkörpers. Da Keramik zumeist eine niedrige Permeabilität, d.h. eine niedrige magnetische Leitfähigkeit, aufweist, kann der Isolationskörper nicht nur elektrisch, sondern auch magnetisch isolierend wirken.

Der Isolationskörper weist vorteilhafterweise zumindest eine Extremstelle mit einer größten radialen Erstreckung auf. Unter radialer Erstreckung ist eine Abmessung senkrecht, d.h. radial, zu der Mittelachse der Welle zu verstehen.

Die Extremstelle ist an einem Winkelbereich um die Mittelachse vorhanden, an der auch ein Permanentmagnet an dem Rotorgrundkörper vorhanden ist. Insbesondere ist der Permanentmagnet an besagtem Winkelbereich an einer Stelle angebracht, an der dieser den geringsten Abstand zu der Welle aufweist. Weist der Permanentmagnet über seine Länge einen unterschiedlichen Abstand zu Mittelachse der Welle auf, so entspricht der Winkelbereich insbesondere demjenigen Bereich, an dem der Permanentmagnet den geringsten Abstand zur Welle und damit zur Mittelachse der Welle aufweist.

Der Isolationskörper weist vorteilhafterweise zwischen zwei Extremstellen eine konkave Fläche auf. Die konkave Fläche weist bevorzugt einen runden oder ovalen Verlauf auf. Dadurch ist ermöglicht, einen magnetischen Fluss innerhalb des Rotorgrundkörpers optimal zu lenken. Dies bedeutet, dass sich der magnetische Fluss von einem Permanentmagneten, d.h. von einer Extremstelle des Isolationskörpers, entlang der konkaven Fläche zu einem weiteren

Permanentmagneten, d.h. zu einer weiteren Extremstelle des Isolationskörpers erstrecken kann. Somit kann der magnetische Fluss optimiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Magnetfluss innerhalb des Rotorgrundkörpers entlang einer vordefinierten Bahn gelenkt ist.

Dies wird insbesondere durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen erreicht. Insbesondere wird der Rotorgrundkörper durch den Isolationskörper in seiner magnetischen Leitfähigkeit beeinträchtigt. Der Isolationskörper weist bevorzugt eine magnetische Isolationswirkung auf, da der Isolationskörper magnetisch nicht oder nur schlecht leitfähig ist. Dies führt dazu, dass der magnetische Fluss nicht durch den Isolationskörper fließen kann, wodurch der magnetische Fluss innerhalb des Rotorgrundkörpers angepasst werden kann. Durch entsprechende Ausformung des Isolationskörpers kann somit erreicht werden, dass der magnetische Fluss innerhalb des Grundkörpers entlang einer vordefinierten Bahn verläuft.

Der Kunststoffanteil des Isolationskörpers kann insbesondere ein Duroplast oder ein Thermoplast sein. Insbesondere ist der Kunststoff elektrisch isolierend ausgebildet und dient somit dazu, den Rotorgrundkörper von der Welle zu isolieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist: Figur 1 eine schematische Ansicht eines Elektromotors gemäß einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 2 eine schematische Ansicht eines Rotors des Elektromotors gemäß dem Ausführungsbeispiel in einer ersten Alternative,

Figur 3 eine schematische Ansicht eines Rotors des Elektromotors gemäß dem Ausführungsbeispiel in einer zweiten Alternative,

Figur 4 eine schematische Ansicht eines Rotors des Elektromotors gemäß dem Ausführungsbeispiel in einer dritten Alternative,

Figur 5 eine schematische Ansicht eines Rotors des Elektromotors gemäß dem Ausführungsbeispiel in einer vierten Alternative, und

Figur 6 eine schematische Ansicht eines Rotors des Elektromotors gemäß dem Ausführungsbeispiel in einer fünften Alternative.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt schematisch einen Elektromotor 1. Der Elektromotor 1 umfasst einen Rotor mit einem Rotorgrundkörper 2 und einer Welle 4. Außerdem umfasst der Elektromotor 1 einen Stator 1 1 zum Antreiben des Rotors.

Der Rotorgrundkörper 2 ist aus gestapeltem Elektroblech gefertigt. Der

Rotorgrundkörper 2 dient zur Aufnahme von Permanentmagneten 3. Alternativ kann der Rotorgrundkörper 2 auch zur Aufnahme einer Rotorwicklung ausgebildet sein. Die Welle 4 ist aus Stahl gefertigt. Um eine elektrische

Isolierung zwischen dem Rotorgrundkörper 2 und der Welle 4 zu erreichen, ist ein Isolationskörper 5 zwischen Rotorgrundkörper 2 und Welle 4 angeordnet, so dass ein Kontakt zwischen Rotorgrundkörper 2 und Welle 4 verhindert ist.

Durch den Isolationskörper 5 ist eine drehfeste Verbindung zwischen Welle 4 und Rotorgrundkörper 2 etabliert, indem der Isolationskörper 5 zumindest teilweise in die Welle 4 und in den Rotorgrundkörper 2 eingreift. Insbesondere ist so ein Formschluss zwischen Isolationskörper 5 und Welle 4 sowie zwischen Isolationskörper 5 und Rotorgrundkörper 2 erreicht. Die drehfeste Verbindung zwischen Rotorgrund körper 2 und Welle 4 dient zum Übertragen von

Drehmoment zwischen dem Rotorgrundkörper 2 und der Welle 4. Dadurch kann eine durch den Stator 1 1 initiierte Rotation des Rotorgrundkörpers 2 aus dem Elektromotor 1 herausgetragen werden.

Um die Verbindung zwischen Welle 4 und Rotorgrund körper 2 durch den Isolationskörper 5 zu erreichen, werden einzelne Nuten 8 sowohl in der Welle 4 als auch in dem Rotorgrundkörper 2 eingebracht. In diese Nuten 8 greift der Isolationskörper 5 ein.

Der Isolationskörper 5 ist aus einem Verbund aus Keramik und Kunststoff gefertigt. So umfasst der Isolationskörper 5 einen Keramikkern 6, der mit einem Kunststoffmantel 7 umgeben ist. Der Keramikkern 6 dient insbesondere zum Übertragen von Drehmoment von dem Rotorgrundkörper 2 auf die Welle 4, da der Keramikkern 6 gegenüber dem Kunststoffmantel 7 eine höhere Festigkeit aufweist. Der Kunststoffmantel 7 dient vorwiegend als elektrische Isolierung zwischen der Welle 4 und dem Rotorgrundkörper 2.

Der Keramikkern 6 weist außerdem eine niedrige magnetische Leitfähigkeit auf, wodurch das Lenken von magnetischem Fluss innerhalb des Rotorgrundkörpers 2 ermöglicht ist. Dies ist nachfolgend in den Figuren 2 bis 6 gezeigt.

Die Figuren 2 bis 4 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen bei der Anordnung der Permanentmagnete 3 im Rotorgrundkörper 2. In jedem Fall ist vorgesehen, dass der Rotorgrund körper Permanentmagnete 3 aufweist, die einen minimalen radialen Abstand zu einer Mittelachse 100 der Welle 4 aufweisen oder die an einem gewissen Winkelbereich einen minimalen Abstand zu der Mittelachse 100 aufweisen. Der Keramikkern 6 und damit der Isolationskörper 5 sind

vorteilhafterweise sternförmig ausgebildet und weisen somit Extremstellen 9 auf, an denen sich der Isolationskörper 5 radial am größten erstreckt. Dasselbe gilt für den Keramikkern 6, der sich an den Extremstellen 9 ebenfalls radial am größten erstreckt. Somit sind die Nuten 8 in dem Rotorgrundkörper 2

entsprechend ausgebildet, um besagte Extremstellen 9 zu ermöglichen.

Die Extremstellen 9 befinden sich insbesondere an einem Winkelbereich, an dem der Rotorgrundkörper 2 einen Permanentmagneten 3 mit geringstem radialen Abstand zu der Mittelachse 100 aufweist. In Figur 2 ist ein einziger Permanentmagnet 3 vorhanden, der besagten geringsten Abstand zu der Mittelachse 100 aufweist. Somit erstreckt sich die Extremstelle 9 an dem

Winkelbereich dieses Permanentmagneten 3. In Figur 3 weisen alle

Permanentmagnete 3 denselben Abstand von der Mittelachse 100 auf. Somit erstreckt sich jede Extremstelle 9 an jedem Permanentmagneten 3. In Figur 4 ist gezeigt, dass jeweils eine Stelle von zwei Permanentmagneten den geringsten Abstand zu der Mittelachse 100 aufweist. Wiederum erstrecken sich die

Extremstellen 9 über denselben Winkelbereich an diesen Stellen des minimalen Abstands.

Zur Optimierung des magnetischen Flusses 200 kann der Isolationskörper 5 bevorzugt eine konkave Fläche 10 aufweisen, die sich zwischen zwei

Extremstellen 9 erstreckt. Die konkave Fläche 10 weist entweder einen runden oder einen ovalen Verlauf auf. Auf diese Weise lassen sich optimal magnetische Flüsse durch den Rotorgrundkörper lenken, so dass der magnetische Fluss 200 einer vordefinierten Bahn zwischen zwei Permanentmagneten 3 verläuft. Durch diese Optimierung des magnetischen Flusses wird eine Wirkungsgraderhöhung erreicht.

Diese genannten Maßnahmen helfen bei der Leitung des magnetischen Flusses durch den Rotorgrundkörper. Somit weisen die Nuten 8 in dem Rotorgrund körper 2 neben der Funktion der drehfesten Verbindung auch die Funktion der

Optimierung und Lenkung des magnetischen Flusses 200 auf. Eine solche Funktion ist bei den Nuten 8 der Welle 4 nicht erforderlich. Daher können die Nuten 8 in der Welle 4 beliebig ausgebildet sein und insbesondere dahingehend optimiert werden, dass ein einfaches und aufwandsarmes Montieren und

Fertigen der Komponenten des Elektromotors 1 erreicht wird.

Die Figuren 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsbeispiele, wie der

Rotorgrund körper 2 auf der Welle 4 befestigt werden kann. In Figur 5 ist ein Beispiel gezeigt, in dem sich jede Nut 8 mit einem konstanten Querschnitt entlang der Mittelachse 100 der Welle 4 erstreckt. Dahingegen zeigt Figur 6 ein Beispiel, bei dem sich der Querschnitt der Nuten 8 über die Mittelachse 100 verändert. Dies führt zu einer axialen Fixierung des Isolationskörpers 5 an dem Rotorgrundkörper 2. Somit ist ein Verrutschen des Isolationskörpers 5 verhindert.