Elektronisch koππnutierter Elektromotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch kommu- tierten Elektromotor, gemäß dem Patentanspruch 1.

Elektronisch kommutierte Elektromotoren besitzen üblicherweise einen permanentmagneterregten Läufer, wobei der Läufer entweder mit einzelnen Permanentmagneten bestückt ist, oder am Läufer ist ein mehrpoliger Ringmagnet angeordnet, und bei einem Läufer mit einem kleinen Durchmesser besteht der Läufer oft selbst aus einem mehrpolig magnetisierten Permanentmagneten. Die Magnetisierungsrichtung der Magnete oder des Magneten solcher Läufer erfolgt überwiegend senkrecht zum Luftspalt des Motors. Die Magnetisierungsrichtung der Magnete kann auch quer zum Luftspalt ausgerichtet sein, indem die Permanentmagnete am Läufer eine Sammleranordnung darstellen.

DE 197 23 302 Al beschreibt eine derartige Lösung. Der Läu- fer ist mit einem reluktanzunterstützten Permanentmagnetsystem ausgebildet, wobei die Anordnung der Permanentmagnete im Läufer eine Sammleranordnung ist. Der Läufer besteht aus einem geblechten Kern, der Läuferzähne und dazwischen liegende Nuten aufweist, und in den Nuten sind Permanentmagne- te angeordnet, die tangential so magnetisiert sind, daß immer zwei Pole gleicher Polarität auf einen Läuferzahn wirken, wobei die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete parallel zum Luftspalt des Motors ausgerichtet ist.

US 2006/0061228 Al beschreibt einen Elektromotor, bei dem das Verhältnis der Läuferzähne zu den Ständerzähnen 1:0,75 beträgt, und um jeden Ständerzahn ist eine Spule gewickelt, die über eine elektronische Steuerung mit einer Stromquelle verbindbar sind, und zwischen den Läuferzähnen sind in ei-

ner Sammleranordnung Permanentmagnete angeordnet, wobei der

Läufer derart ausgebildet ist, daß der magnetische Fluß überwiegend über die Permanentmagnete und den Ständer erfolgt, und nicht zur Mitte des Läufers entweicht.

Für die Anordnung eines elektronisch kommutierten Elektromotors steht oft nur ein begrenzter Raum zur Verfügung. Soll nun ein solcher Motor eine hohe Leistungsaufnahme aufweisen, so wird der Motor mit einer hohen Energiedichte be- legt. Eine hohe Energiedichte bewirkt aber auch eine hohe Erwärmung und somit eine überhitzung des Motors.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen elektronisch kommutierten Elektromotor zu schaffen, der bei ei- ner kleinen Baugröße hohe Drehmomente bei jeder Läuferstellung erzielt und einen hohen Wirkungsgrad aufweist, und der eine geringe Erwärmung in Bezug zur Energiedichte besitzt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Pa- tentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Durch den speziellen Aufbau vom Ständer und Läufer des Elektromotors bestehen die Vorteile darin, daß bei einer kleinen Baugröße hohe Drehmomente und ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird, und hierdurch eine geringe Erwärmung in Bezug zur Energiedichte erreicht ist, wobei der Elektromotor hoch belastbar und überlastbar ist, und durch die Bema- ßung der Ständerzähne und der speziellen Ausbildung der Läuferzähne ist der Elektromotor für eine gute Durchzugsbelüftung vorteilhaft ausgelegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 u. 2 in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer des Elektromotors,

Fig. 3 u. 4 in axialer Draufsicht eine alternative Darstellung vom Ständer und Läufer des Elektromotors,

Fig. 5 in axialer Draufsicht eine weitere alternative Darstellung vom Ständer und Läufer des Elektromotors, Fig. 6 eine Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung der Wicklungsstränge des Elektromotors.

Fig. 1 zeigt in axialer Draufsicht eine Ansicht des Elek- tromotors als Innenläufer mit Wicklungssträngen am Ständer 1 und einem permanentmagnetisch erregten Läufer 2. Der Ständer besitzt bei einer zweipoligen Auslegung der Wicklungsstränge sechs zum Läufer gerichtete Ständerzähne 3, wobei die Wicklungsstränge jeweils zwei Spulen beinhalten, und die Spulen 4 der Wicklungsstränge umgreifen jeweils einen Ständerzahn 3. Die Wicklungsstränge sind während des Motorbetriebes derart an eine Stromquelle gelegt, daß die am Ständer sich gegenüberliegenden Ständerzähne jeweils gleichnamige Pole, und zwei nebeneinander liegende Ständer- zahne jeweils ungleichnamige Pole zueinander bilden. Diese Polbildung ist am Ständer mit N, S gekennzeichnet. Die Ständerzähne 3 sind derart ausgebildet, daß die Breite der Ständerzähne zum Luftspalt mindestens etwa die Breite der Nutöffnung 5 von dem einen Ständerzahn zum benachbarten Ständerzahn beträgt, und höchstens zwei Drittel von der Breite, die der Breite eines Ständerzahns plus der Weite einer Nutöffnung des Ständers entspricht. Den sechs am Ständer 1 befindlichen Ständerzähnen 3 stehen am Luftspalt 6 acht Permanentmagnetisch erregte Lauferzahne 7 gegenüber.

Somit beträgt das Verhältnis der Läuferzähne zu den Ständerzähnen 1 zu 0,75.

Der Läufer 2 ist als ein permanentmagneterregter Reluktanz- Läufer ausgebildet. Die Läuferzähne 7 des Läufers 2 bilden zum Ständer die Polflächen des PM erregten Läufers, wobei die Permanentmagnete 8 in Sammleranordnung längs der Welle des Läufers in einer jeweils senkrecht zur Welle verlaufenden Nut 9 angeordnet sind, und die jeweils zum Läuferzahn 7 weisende Polfläche der Permanentmagnete besitzen eine gleichnamige Polbildung zueinander, die am Luftspalt die Polfelder zum Ständer bilden. Die Breite der Nuten 9 des Läufers 2 entspricht der Höhe der Permanentmagnete 8, wobei die Nutöffnung 10 der Nuten 9 im Bereich der Permanentmagnete kleiner gehalten ist wie die Höhe der Permanentmagne- te, indem die Läuferzähne 7 Nasen 11 zur Nutöffnung aufweisen, um ein Herausschleudern der Permanentmagnete aus den Nuten zu verhindern.

Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades des Motors, beträgt die Weite der Nutöffnung 10 der Nuten 9 des Läufers am Luftspalt im Bereich der Ständerzähne vorzugsweise etwa die halbe Breite eines Ständerzahns 3.

Die Permanentmagnetbreite in der Richtung zur Welle wird bestimmt durch die zum Luftspalt gerichtete gewünschte Feldstärke, je breiter die Permanentmagnete ausgelegt sind, und je geringer der Zwischenraum der Permanentmagnete zueinander im Bereich der Welle gestaltet ist, desto höher ist die zum Luftspalt gerichtete Feldstärke an den Läuferzähnen. Die Läuferzähne 7 sind zusammenhängend an der Welle des Läufers 2 angeordnet, und werden vorzugsweise aus auf- gestapelten Blechen gebildet, somit besteht der Läuferkörper aus einem Blechlamellenpaket.

Zur Erzielung einer hohen Drehzahl und eines geringen Rastmomentes ist das Volumen der Permanentmagnete entsprechend reduziert. Damit die zum Luftspalt gerichteten Nutöffnungen

10 des Läufers 2 von der einen Polfläche zu der benachbarten Polfläche, der zum Luftspalt gerichteten Polfläche der Läuferzähne 7, mindestens etwa die halbe Breite eines Ständerzahns 3 aufweist, ist der Abstand der Permanentmagnete 8 zu den Ständerzahnen 3 entsprechend vergrößert, und die Läuferzähne 7 sind jeweils mit einer zu den Permanentmagneten 8 bildende Nase 11 entsprechend abgeschrägt, wodurch die Weite der Nutöffnungen 10 des Läufers am Luftspalt mindestens etwa auf die halbe Breite eines Ständerzahns ver- größert ist, und hiermit eine Verminderung des Wirkungsgrades des Elektromotors, durch die Anordnung von Permanentmagneten mit einer geringen Höhe, verhindert wird. Die zu den Permanentmagneten Nase bildende Abschrägung 12 der Läuferzähne 7 ist geradlinig ausgelegt.

Für eine Auslegung des Elektromotors mit einer höheren Polzahl, ist die Anzahl der Läuferzähne am Läufer jeweils um vier, und am Ständer die Anzahl der Ständerzähne jeweils um drei zu erhöhen. Daher kann der Ständer beispielsweise 6,9,12,15 Ständerzähne aufweisen, wobei der Läufer dann 8,12,16,20 Läuferzähne aufweist, und die Wicklungsstränge beinhalten hierbei jeweils zwei, drei, vier und fünf Spulen, entsprechend erhöhen sich dann die Läuferschritte einer Läuferumdrehung um den Faktor der Ständerzähne des Elektromotors.

Fig. 1 zeigt die Läuferstellung, bei der ein Läuferschritt vorzugsweise beendet wird, hierbei befindet sich jeweils die ablaufende Kante 13 und die auflaufende Kante 14 eines jeweiligen nebeneinander liegenden ungleichnamigen Polfeldes des Läufers, in Bezug zur Drehrichtung des Läufers, etwa mittig zum vorderen Ständerzahn der jeweils nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähne.

Fig. 2 zeigt den beendeten Läuferschritt durch Umpolung der

Wicklungsstränge, wobei gleichzeitig der nächste Läuferschritt eingeleitet ist, und nun befindet sich jeweils die ablaufende Kante 13 sowie die auflaufende Kante 14 eines jeweiligen nebeneinander liegenden ungleichnamigen Polfeldes des Läufers, in Bezug zur Drehrichtung des Läufers, etwa mittig zum hinteren Ständerzahn der jeweils nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähne.

Durch die Anordnung der Anzahl von Läuferzähnen am Läufer zu der entsprechenden Anzahl von Ständerzähnen am Ständer, besteht eine Läuferumdrehung aus der vierfachen Anzahl von Läuferschritten wie die der Anzahl von Ständerzähnen, und somit besteht, bei einer Anordnung von sechs Ständerzähnen am Ständer, eine Läuferumdrehung aus 24 Läuferschritten.

Durch die Anordnung einer höheren Anzahl von Läuferzähnen am Läufer wie der Anzahl der Ständerzähne, und einer entsprechenden Bemaßung der Ständerzahnbreite sowie der Nutbreite am Luftspalt des Elektromotors, sind bei jeder Läu- ferstellung eines Läuferschrittes jedem felderregten Ständerzahn jeweils zwei nebeneinander liegende ungleichnamige Polfelder des Läufers zugeordnet, wodurch ein idealer Fluß der Magnetfelder erzielt ist, und hierdurch ein maximales Drehmoment, und ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht wird, womit eine geringe Erwärmung des Elektromotors begründet ist.

Es kann von Vorteil sein, wenn der Elektromotor einen Läufer besitzt, der einen verhältnismäßig großen Durchmesser in Bezug zum Außendurchmesser des Elektromotors aufweist, um ein noch höheres Drehmoment zu erzielen.

In Fig. 3 und 4 ist ein solcher Elektromotor dargestellt. Das Blechpaket 15 des Ständers 1 ist so gehalten, daß der

Läufer 2 einen verhältnismäßig großen Durchmesser aufweist, hierfür sind die Ständerzähne 3 mit schmalen Polhörnern 16 versehen, und der Rückschluß 17 am Blechpaket des Ständers ist auch sehr schmal ausgelegt, so daß jeweils zur Aufnahme der Spule am Ständerzahn ein hierfür erforderlicher Raum zur Verfügung steht. Die Nutöffnungen 18 des Ständers zum Luftspalt 6 von dem einen Ständerzahn zum benachbarten Ständerzahn sind bei dieser Auslegung des Ständers variabel auslegbar, sie können als eine kleine Nutöffnung bis hin zu einer sehr großen Nutöffnung ausgelegt sein.

Der Abstand der Permanentmagnete 8 des Läufers zu den Ständerzähnen 3 ist auch abhängig von der Weite der Nutöffnungen 18 am Ständer und der Steilheit der Abschrägung 12 der Läuferzähne 7 zu den Permanentmagneten. Je weiter der Ab- stand der Permanentmagnete 8 zu den Ständerzähnen 3 gewählt ist, um so kleiner sollte die Weite der Nutöffnungen 18 am Ständer sein, da die Steilheit der Abschrägung 12 der Läuferzähne 7 zu den Permanentmagneten einen gewissen Winkel einhalten sollte, damit der Streufluß über die Nutöffnungen 10 des Läufers 2 gering gehalten werden kann. Die Nutöffnungen 10 am Läufer bilden die Form eines gleichseitigen Trapezes, wobei die kleine Grundfläche des Trapezes zu der jeweiligen Nut des Läufers errichtet ist und die Weite dieser Grundfläche ist in Umfangrichtung des Läufers kleiner wie die Höhe der Permanentmagnete gehalten, und die größere Grundfläche des Trapezes ist zu den Ständerzähnen 3 gerichtet, wobei diese Weite in Umfangrichtung des Läufers abhängig ist von der Weite der Nutöffnungen 18 des Ständers und somit von der Breite der Ständerzähne 3 in Umfangrichtung des Luftspaltes, wobei die Weite der Nuten des Läufers am Luftspalt so zu wählen ist, daß der höchste Wirkungsgrad mit einem solchen Elektromotor zu erzielen ist, indem bei einer Läuferstellung zum Ständer, bei der ein Permanentmagnet mittig zu einem Ständerzahn ausgerichtet ist und somit

zu diesem Ständerzahn zu gleichen Anteilen zwei ungleichnamig erregte Läuferzähne gerichtet sind, die Polhornspitze 16' des benachbarten Ständerzahns in Bezug zur Drehrichtung des Läufers soweit von der auflaufenden Kante 14 ' des einen Läuferzahns der ungleichnamig erregten Läuferzähne entfernt ist, daß diese Entfernung in dem Bereich der doppelten Größe des Luftspaltes liegt.

Die Nuten 9 zur Aufnahme der Permanentmagnete 8 sind vor- zugsweise am Nutengrund kreisförmig ausgebildet. Durch eine solche Ausbildung der Nuten des Läufers, können die zuvor magnetisierten Permanentmagnete 8 sicher in die Nuten 9 kleberfrei eingepreßt werden. An den Stirnseiten des Läufers können Auswuchtscheiben angeordnet sein, die vorzugs- weise zur Kühlung der Ständerwicklung mit Lüfterflügel versehen sind, und zur Sicherung der Permanentmagnete dienen können.

Durch eine Auslegung des Ständers nach Fig. 3 und 4, ist ein solcher Motor besonders, gut geeignet für eine Durchzugsbelüftung, da die Nutöffnungen des Läufers und der Zwischenraum von der einen Spule zu der jeweils benachbarten Spule der Ständerwicklung entsprechend groß ist, und somit eine sehr gute Kühlung der Spulen 4 erfolgen kann.

Fig. 3 zeigt einen Ständer mit einer großen Weite der Nutöffnungen 18 der Nuten des Ständers, wobei bei einer bestimmten Abschrägung 12 der Läuferzähne 7 zur Erzielung einer Weite der Nutöffnungen 10 der Nuten des Läufers, die der halben Breite eines Ständerzahns 3 entspricht, sind die Permanentmagnete 8 entsprechend im Läufer versenkt, so daß sich hieraus der Abstand der Permanentmagnete 8 zu den Ständerzähnen 3 ergibt.

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Außerdem ist in der Fig. 3 die Läuferstellung dargestellt, bei der ein Läuferschritt vorzugsweise beendet wird, hierbei befindet sich jeweils die ablaufende Kante 13 und die auflaufende Kante 14 eines jeweiligen nebeneinander liegen- den ungleichnamigen Polfeldes des Läufers, in Bezug zur Drehrichtung des Läufers, etwa mittig zum vorderen Ständerzahn der jeweils nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähne.

Fig. 4 zeigt einen Ständer mit einer verringerten Weite der Nutöffnungen 18 der Nuten des Ständers, wobei zur Erzielung einer Weite der Nutöffnungen 10 der Nuten des Läufers, die der halben Breite eines Ständerzahns entspricht, sind die Permanentmagnete 8 derart weit im Läufer versenkt, daß die erforderliche Steilheit der Abschrägung 12 der Läuferzähne 7 zu den Permanentmagneten, die für eine Minimierung des Streuflusses im Bereich der Nutöffnungen 10 des Läufers notwendig ist, gegeben ist. Außerdem ist in der Fig. 4 der beendete Läuferschritt durch Umpolung der Wicklungsstränge dargestellt, wobei gleichzeitig der nächste Läuferschritt eingeleitet ist, und nun ist die ablaufende Kante 13 sowie die auflaufende Kante 14 eines jeweiligen nebeneinander liegenden ungleichnamigen Polfeldes des Läufers, in Bezug zur Drehrichtung des Läufers, jeweils etwa mittig zum hinteren Ständerzahn der jeweils nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähne ausgerichtet.

Aus den Fig. 3 und 4 ist zu ersehen, daß die Nutöffnung 18 der Nuten am Ständer variabel auslegbar ist, wobei die Weite der Nutöffnung 10 der Nuten 9 des Läufers 2 am Luftspalt 6 bis hin zu der halben Weite einer Polteilung am Ständer betragen kann, damit der Streufluß über die Nutöffnung 10 der Nuten 9 des Läufers gering gehalten werden kann, und

bei jeder Läuferstellung ein hohes Drehmoment, und ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird, und somit ein maximales Leistungsergebnis mit einem solchen Elektromotor erzielt werden kann.

Der Ständer kann auch lediglich nur drei Ständerzähne aufweisen.

Fig. 5 zeigt eine solche Auslegung. Jeder Ständerzahn 3 wird von einer Spule 4 umschlungen, und somit beinhaltet jeder Wicklungsstrang jeweils eine Spule. Die Wicklungsstränge sind während des Motorbetriebes derart an eine Stromquelle gelegt, daß jeweils zwei nebeneinander liegende Ständerzähne ungleichnamige Pole zueinander bilden. Die Ständerzähne 3 sind derart ausgebildet, daß die Breite der Ständerzähne zum Luftspalt 6 mindestens etwa drei Fünftel und höchstens etwa vier Sechstel von der Breite beträgt, die der Breite eines Ständerzahns plus der Weite einer Nutöffnung entspricht. Eine solche Auslegung der Ständerzahnbreite kommt auch vorteilhaft bei einer anderen Aus- legung der Anzahl von Ständerzähnen am Ständer zur Anwendung.

Die zum Luftspalt gerichtete Polfläche der Läuferzähne 7, als auch die Nase bildende Abschrägung 12 kann auch varia- bei bogenförmig ausgelegt sein, wobei die Abschrägung 12 zu den Permanentmagneten sowohl bogenförmig nach innen als auch bogenförmig nach außen ausgebildet sein kann. Diese Auslegung besitzt den Vorteil, daß ein besonders weicher übergang der Läuferschritte von dem einen Läuferschritt zum nächsten Läuferschritt erzielt werden kann, und somit auch die Drehmomentwelligkeit und die Polfühligkeit des Elektromotors weiter reduziert ist.

Zur Anlegung der Wicklungsstränge an eine Stromquelle ist dem Elektromotor eine Ansteuerelektronik zugeordnet. Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung der Wicklungsstränge. Die Wicklungsstränge sind jeweils mit dem einen Ende an einer transistorbestückten Halbbrücke 20 angeschlossen und mit dem anderen Ende in Stern geschaltet. Den Transistoren 21 ist eine Steuereinrichtung 22 zugeordnet.

Die Erkennung der Läuferstellung kann mit den bekannten Mitteln erfolgen, oder die Ermittlung des Schaltzeitpunktes der Wicklungsstränge wird elektronisch ermittelt und erfolgt somit sensorlos.