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Title:
ROTOR UNIT AND ELECTRIC MOTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/171218
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a rotor unit (1) for a brushless electric motor, comprising an annular rotor core (3) which surrounds a central axis (2); a plurality of magnet assemblies (9) which are arranged about the rotor core (3) in the circumferential direction of the rotor unit (1) and each of which has a convex outer circumferential surface (11), an inner contact surface (10), two axial end faces (14), and two lateral surfaces (12, 13) which face the circumferential direction; and a magnet holder (21) that has a number of holding sections (20), each of which is arranged between two adjacent magnet assemblies (9) and are molded on an annular section of the magnet holder (21). The holding sections (20) have a T-shaped cross-section along a plane running transversely to the central axis (2), and each holding section has a shaft section (22) and a head section (23). The shaft section (22) rests against the lateral surfaces (12, 13) of the magnet assemblies (9) in a contact region, and the head section (23) rests against the circumferential surfaces (11) of the magnet assemblies (9). The contact region of the shaft section (22) extends for 30% to 70% of the rail extension of the lateral surfaces (12, 13) in the radial direction of the lateral surfaces (12, 13).

Inventors:
SCHMID, Jürgen (Weststr. 9, Brackenheim, 74336, DE)
KÜBLER, Thomas (Seewiesenstraße 9, Bietigheim-Bissingen, 74321, DE)
TATEGATA, Kazunori (Schreiberstrasse 25, Stuttgart, 70199, DE)
Application Number:
IB2019/051597
Publication Date:
September 12, 2019
Filing Date:
February 28, 2019
Export Citation:
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Assignee:
NIDEC CORPORATION (338 Kuzetonoshiro-cho, Minami-ku Kyoto-shi, Kyoto 05, 〒6018205, JP)
International Classes:
H02K1/27; H02K15/03; H02K29/00
Foreign References:
CN106130225A2016-11-16
US20090001838A12009-01-01
US20090001839A12009-01-01
US7687957B22010-03-30
US7687957B22010-03-30
US20150001978A12015-01-01
Attorney, Agent or Firm:
KOHO IP LAW (4-7 Nishi-Ikebukuro 5-chome, Toshima-ku, Tokyo 21, 〒1710021, JP)
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Claims:
Patentansprüche

1. Rotoreinheit für einen bürstenlosen Elektromotor, mit

- einem ringförmigen Rotorkern (3), der eine Mittelachse (2) umgibt,

- einer Mehrzahl von Magnetanordnungen, die in einer Umfangsrichtung der Rotoreinheit (1) um den Rotorkern (3) herum angeordnet sind, und die jeweils eine konvexe äußere Umfangsfläche (11), eine innere

Anlagefläche (10), zwei axiale Stirnseiten (14) und zwei in

Umfangsrichtung weisende Seitenflächen (12, 13) aufweisen,

- einem Magnethalter (21), der eine Anzahl von Halteabschnitten (20) aufweist, die jeweils zwischen zwei benachbarten Magnetanordnungen angeordnet sind und die an einem Ringabschnitt (24) des Magnethalters (21) angeformt sind, wobei die Halteabschnitte (20) in einem Querschnitt entlang einer quer zu der Mittelachse (2) verlaufenden Ebene T-förmig ausgebildet sind und jeweils einen Schaftabschnitt (22) und einen

Kopfabschnitt (23) aufweisen, wobei

- der Schaftabschnitt (22) in einem Kontaktbereich (25) an den

Seitenflächen (12, 13) der Magnetanordnungen anliegt und der

Kopfabschnitt (23) an den Umfangsflächen (11) der Magnetanordnungen anliegt,

dadurch gekennzeichnet, dass

- der Kontaktbereich (25) des Schaftabschnitts (22) in Radialrichtung der Seitenflächen (12, 13) eine Erstreckung von 30% bis 70% der radialen Erstreckung der Seitenflächen (12, 13) aufweist.

2. Rotoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (25) des Schaftabschnitts (22) in Radialrichtung der Seitenflächen (12, 13) eine Erstreckung von 40% bis 60% der radialen Erstreckung der Seitenflächen (12, 13) aufweist.

3. Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung des Kontaktbereichs (25), in dem der Schaftabschnitt (22) an der

Magnetanordnung anliegt, geringer ist als die axiale Erstreckung der Seitenflächen (12, 13) der Magnetanordnung (9).

4. Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass der Kopfabschnitt (23) in einem Anlagebereich (a) an den Umfangsflächen (11) anliegt, der von einem Übergang zwischen dem Schaftabschnitt (22) und dem Kopfabschnitt (23) durch einen Abstand (b) getrennt ist.

5. Rotoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (b) in Umfangsrichtung eine Breite von 30% bis 70% einer Breite (c) des Kopfabschnitts (23) von seinem freien Ende bis zu dem Übergang zum Schaftabschnitt (22) aufweist.

6. Rotoreinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (b) in Umfangsrichtung eine Breite von 40% bis 60% der Breite (c) des Kopfabschnitts von seinem freien Ende bis zu dem

Übergang zum Schaftabschnitt (22) aufweist.

7. Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass der Magnethalter (21) in einem

Spritzgießverfahren gefertigt ist und mit den Schaftabschnitten (22) in axial verlaufende Nuten (7) des Rotorkerns (3) eingeführt ist, bevor die Magnetanordnungen an dem Rotorkern (3) montiert werden.

8. Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass jede Magnetanordnung aus einem

Permanentmagneten (9) besteht.

9. Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, dass jede Magnetanordnung einen

Permanentmagneten (9) und einen Magnetfeldleiter aufweist, wobei der Permanentmagnet (9) an einer äußeren Planfläche (6) des Rotorkerns (3) anliegt und der Magnetfeldleiter an der radialen Außenseite des

Permanentmagneten (9) anliegt.

10. Rotoreinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnethalter (21) nur an dem Magnetfeldleiter der Magnetanordnung anliegt.

11. Bürstenloser Elektromotor mit einem Stator, einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Motorwelle, und mit einer auf der Motorwelle befestigten Rotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Description:
Rotoreinheit und Elektromotor

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoreinheit für einen bürstenlosen Elektromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie einen bürstenlosen Elektromotor.

Aus dem Stand der Technik sind Elektromotoren bekannt, bei denen der Rotor Permanentmagnet trägt. Die Permanentmagnete sind um einen Rotorkern herum angeordnet und sitzen auf dessen Außenseite. Der Rotor definiert die geometrischen Achsen und Richtungen, die auch in dieser Beschreibung und den Patentansprüchen verwendet werden sollen. Eine Mittelachse fällt mit der Symmetrieachse des Rotors zusammen und stellt in dem Elektromotor auch die Drehachse des Rotors dar. In Richtung der Drehachse verläuft die

Axialrichtung der Anordnung. Die Radialrichtung ist durch zunehmenden Abstand von der Mittelachse gekennzeichnet. Die Permanentmagnete des Rotors liegen also in Radialrichtung außen. Tangential zu dem Rotor verläuft die Umfangsrichtung, an der jeder Richtungsvektor senkrecht zu einem Radius der Anordnung ausgerichtet ist.

Der Elektromotor weist nach dem Stand der Technik außerdem einen radial außerhalb des Rotors angeordneten Stator auf, der den Rotor außen

ringförmig umgibt. Der Stator enthält eine Anzahl von Elektromagneten, die im Allgemeinen von einem Eisenkern und einer Wicklung gebildet werden. Eine geeignete Bestromung der Wicklungen des Stators erzeugt ein drehendes Feld, das entsprechend ein Drehmoment in dem Rotor erzeugt. Der Stator ist in einem Motorgehäuse angeordnet, in dem der Rotor mit seiner Motorwelle drehbar gelagert ist. Die Permanentmagnete sind üblicherweise aus einem spröden Material gefertigt. Die Magnete sind nicht mit dem Rotorkern verschraubt, sondern sitzen auf nach außen weisenden Planflächen des Rotorkerns, wo sie von einem Magnethalter mechanisch gehalten werden. Der Magnethalter nimmt insbesondere die Fliehkräfte auf, die bei der Rotation des Rotors auf die Magnete einwirken.

Die Magnethalter haben deshalb die Aufgabe, zu einen die Magnete fest und präzise in der vorgesehenen Position zu halten. Zum anderen dienen sie auch als Führung. Bei der Fertigung wird der Rotorkern zunächst mit dem

Magnethalter bestückt und die Magnete werden dann in die vorgesehenen Positionen eingeschoben, wobei sie in Axialrichtung entlang der planen

Außenfläche des Rotorkerns zwischen jeweils zwei Halteabschnitte des

Magnethalters eingeschoben werden.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen hierzu bekannt. Die Patentschrift US 7,687,957 B2 zeigt eine Rotoreinheit mit Magnethaltern, die in Axialrichtung linienförmige Anlageflächen für die Magnete aufweisen. Diese linienförmigen Anlageflächen weisen bei der Montage der Magnete eine geringe Reibung gegenüber der Oberfläche der Magnete auf. Sie sollen außerdem die Magnete mit Federkraft aufgrund ihrer Elastizität in der vorgesehenen Position halten.

Die Offenlegungsschrift US 2015/0001978 Al zeigt andererseits einen Rotor mit Magnethalten, die im Querschnitt T-förmig ausgebildet sind und mit einem Schaftabschnitt zwischen den Magneten sitzen, während ein Kopfabschnitt des T-förmigen Querschnitts radial von außen auf die Magnete drückt und die Magnete so in ihrer Position sichert. Der Kopfabschnitt liegt dabei vollflächig auf den Magneten auf. Die Fixierung der Magnete ist auf diese Weise besonders sicher. Die Reibung beim Einführen der Magnete zwischen die Magnethalter ist jedoch unerwünscht groß. Es kann zu Abrieb oder

Beschädigungen der Magnete kommen.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotoreinheit und einen Elektromotor zu schaffen, bei denen neuartige Magnethalter einerseits die Magnete ausreichend fest und genau auf dem Rotorkern positionieren, und die andererseits eine verringerte Reibung beim Einführen der Magnete zwischen die Magnethalter und die äußere Oberfläche des Rotorkerns ermöglichen.

Diese Aufgabe wird von einer Rotoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Elektromotor mit einer solchen Rotoreinheit gelöst.

Weil bei einer erfindungsgemäßen Rotoreinheit vorgesehen ist, dass der Kontaktbereich des Schaftabschnitts in Radialrichtung der Seitenflächen eine Erstreckung von 30% bis 70%, insbesondere 40% bis 60% der radialen Erstreckung der Seitenflächen aufweist, wird die Montage der

Magnetanordnungen vereinfacht, denn die Reibung zwischen den

Magnethaltern und den Magnetanordnungen beim Einsetzen der

Magnetanordnungen in Axialrichtung wird verringert.

Die Reibung bei der Montage der Magnetanordnungen wird weiter verringert, wenn die axiale Erstreckung des Kontaktbereichs, in dem der Schaftabschnitt an der Magnetanordnung anliegt, geringer ist als die axiale Erstreckung der Seitenflächen der Magnetanordnung.

Es ist auch vorteilhaft, wenn der Kopfabschnitt in einem Anlagebereich an den Umfangsflächen anliegt, der von einem Übergang zwischen dem

Schaftabschnitt und dem Kopfabschnitt durch einen Abstand getrennt ist. Dadurch sind die Magnetanordnungen zuverlässig an dem Rotorkern befestigt, und die Montage wird weiter vereinfacht.

Bevorzugt weist der Abstand des Kopfabschnitts in Umfangsrichtung eine Breite von 30% bis 70%, besonders bevorzugt 40% bis 60% der Breite des Kopfabschnitts von seinem freien Ende bis zu dem Übergang zum

Schaftabschnitt auf.

Vorzugsweise kann der Magnethalter in einem Spritzgießverfahren gefertigt und mit den Schaftabschnitten in axial verlaufende Nuten des Rotorkerns eingeführt werden, bevor die Magnetanordnungen an dem Rotorkern montiert werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass jede Magnetanordnung einen Permanentmagneten und einen Magnetfeldleiter aufweist, wobei der Permanentmagnet an einer äußeren Planfläche des

Rotorkerns anliegt und der Magnetfeldleiter an der radialen Außenseite des Permanentmagneten anliegt. Dadurch werden der Wirkungsgrad des

Elektromotors gesteigert und das Gewicht sowie das

Rotationsträgheitsmoment verringert. Dabei liegt vorzugsweise der

Magnethalter nur an dem Magnetfeldleiter der Magnetanordnung an. Der Magnetfeldleiter kann mit geeigneter Oberfläche gefertigt werden, die zusammen mit dem Magnethalter die Montage weiter erleichtert.

Die Aufgabe wird auch von einem bürstenlosen Elektromotor mit einem Stator, einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Motorwelle, und mit einer auf der Motorwelle befestigten Rotoreinheit mit den vorstehend beschriebenen

Merkmalen und Vorteilen gelöst. Ein solcher Elektromotor ist besonders robust, einfacher zu fertigen und weist einen hohen Wirkungsgrad auf.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen :

Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Rotoreinheit in einer Draufsicht in

Richtung der Mittelachse,

Fig. 2: die Rotoreinheit aus Figur 1 in einer perspektivischen Darstellung ohne Magnete,

Fig. 3: einen vergrößerten Ausschnitt einer Rotoreinheit gemäß Figur 1 in einer perspektivischen Darstellung, sowie

Fig. 4: einen Querschnitt entlang der Linie A-A aus Figur 3.

Die Figur 1 zeigt eine Rotoreinheit 1 in einer Draufsicht in Richtung einer Mittelachse 2, die mit einer vorgesehenen Drehachse der Rotoreinheit 1 zusammenfällt. Die Rotoreinheit 1 weist einen im Wesentlichen

rotationssymmetrischen Rotorkern 3 auf, der eine Mittelbohrung 4 zur

Aufnahme einer nicht dargestellten Motorwelle sowie eine Anzahl von achsparallelen Bohrungen 5 aufweist. An seiner Außenseite weist der

Rotorkern 1 flache Außenflächen 6 auf, und zwar in diesem Ausführungsbeispiel insgesamt acht Außenflächen 6, die jeweils die gleiche Größe und die gleiche Form aufweisen, und die in gleichförmigen

Winkelabstand entlang der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 3 verteilt sind. Zwischen jeweils zwei Außenflächen 6 ist eine Nut 7 vorgesehen, die von außen in Radialrichtung in die Kante eingeformt ist, die die beiden aneinander angrenzenden Außenflächen 6 in diesem Bereich bilden. Die Nut ist radial nach außen hin offen und verläuft parallel zu der Mittelachse 2. An den

Außenflächen 6 liegen insgesamt acht Permanentmagnete 9 an, die eine plane Anlagefläche 10 aufweisen, sowie eine äußere Umfangsfläche 11 und

Seitenflächen 12 und 13. Die Seitenflächen 12 und 13 sind jeweils in

Umfangsrichtung weisend angeordnet, während die Anlagefläche 10 radial nach innen zu dem Rotorkern 3 weist und die Umfangsfläche 11 radial nach außen von dem Rotorkern 3 weg weist. Schließlich weisen die

Permanentmagnete 9 noch axiale Stirnflächen 14 auf, von denen nur die dem Betrachter zugewandte Stirnfläche in der Figur 1 sichtbar ist.

Die Permanentmagnete 9 werden an dem Rotorkern 3 von Haltabschnitten 20 eines hier nicht vollständig sichtbaren Magnethalters 21 gehalten.

Die Halteabschnitte 20 weisen jeweils einen Schaftabschnitt 22 und einen Kopfabschnitt 23 auf, wobei der Schaftabschnitt 22 in die Nut 7 hinein reicht und dort formschlüssig gehalten ist. Der Kopfabschnitt 23 ist an dem der Nut 7 gegenüberliegenden Ende des Schaftabschnitts 22 angeformt und erstreckt sich in Umfangsrichtung der Anordnung. Die Permanentmagnete 9 werden von den Halteabschnitten 20 in Umfangsrichtung der Rotoreinheit 1 fixiert, indem sie mit ihren Seitenflächen 12, 13 an dem jeweils benachbarten

Schaftabschnitt 22 anliegen. In Radialrichtung nach außen werden die

Permanentmagnete von den Kopfabschnitten 23 gehalten.

Die Figur 2 zeigt den Rotorkern aus Figur 1 in einer perspektivischen

Darstellung, jedoch ohne die Permanentmagnete. Gleiche Bauelemente tragen gleiche Bezugsziffern.

In der Figur 2 sind die Außenflächen 6 des Rotorkerns 3 besser erkennbar. Diese sind etwa quadratisch ausgebildet. Der Rotorkern 3 selbst ist aus einer Vielzahl von Blechen im Wesentlichen gleichen Querschnitts zusammengefügt. Diese werden zu einem Lamellenpaket laminiert, das den Rotorkern 3 bildet.

Der Magnethalter 21 ist in dieser Darstellung besser erkennbar. Er weist einen umlaufenden, im Durchmesser etwa dem Durchmesser der Rotoreinheit 1 entsprechenden Ringabschnitt 24 auf, der an einer axialen Stirnseite des Rotorkerns 3 anliegt. Weiter weist der Ringabschnitt die insgesamt acht Halteabschnitte 20 auf, die in der Figur 2 von unten her bei der Montage des Magnethalters 21 in die Nuten 7 eingeführt worden sind. Die Schaftabschnitte 22 erstrecken sich von der Nut 7 aus radial nach außen und überragen jeweils die benachbarten Außenflächen 6 des Rotorkerns 3 im Umfangsrichtung nach außen. Die Kopfabschnitte 23 sind an den außen liegenden Enden der

Schaftbereiche 22 angeformt und verlaufen in Axialrichtung sowie in

Umfangsrichtung.

In der Figur 3 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines Teils des Rotorkerns 3 mit zwei Halteabschnitten 20 und einem dazwischen

eingesetzten Permanentmagneten 9 vergrößert dargestellt. Die

Halteabschnitte 20 weisen in ihrem Schaftabschnitt 22 einen Kontaktbereich 25 auf, in dem der benachbarte Permanentmagnet 9 mit seiner Seitenfläche 12, 13 an dem Halteabschnitt 20 anliegt. Der Kontaktbereich 25 ist radial in einem Abstand von der Außenfläche 6 des Rotorkerns 3 angeordnet. Zwischen dem Kontaktbereich 25 und der Außenfläche 6 ist ein Freiraum 26 gebildet, in dem die Seitenfläche 12, 13 des Permanentmagneten 9 nicht an dem

Halteabschnitt 20 anliegt. Der Kontaktbereich 25 weist in Radialrichtung eine Höhe auf, die etwa 50 % der Höhe der benachbarten Seitenfläche 12, 13 entspricht. Der Kontaktbereich 25 geht an seiner radialen Außenseite unmittelbar in den Kopfabschnitt 23 über.

Die Figur 4 zeigt schließlich einen Querschnitt entlang der Linie A-A aus Figur 3, wiederum in abgebrochener und vergrößerter Darstellung. Im Unterschied zu Figur 3 sind in der Figur 4 zwei Permanentmagnete 9 und ein dazwischen liegender Halteabschnitt 20 dargestellt.

Von dem Kontaktbereich 25 des Schaftabschnitts 22 aus erstreckt sich der Kopfabschnitt 23 in Umfangsrichtung und ragt dabei über die Umfangsfläche 11 des Permanentmagneten 9. Eine Breite c der Überlappung von dem Übergang des Kopfabschnitts 23 in den Schaftabschnitts 22 bis zu dem freien Ende des Kopfabschnitts 23 ist in der Figur 4 mit der Streckenlänge c dargestellt. Der Kopfabschnitt 23 liegt nicht auf der gesamten Breite c an der Umfangsfläche 11 an, sondern nur mit einem Teilabschnitt, einem

Anlagebereich a, der unmittelbar an das freie Ende des Kopfabschnitts 23 anschließt und in dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Erstreckung von etwa 50 % der Strecke c beträgt. Zwischen dem

Anlagebereich a und dem Übergang des Kopfabschnitts 23 in den

Schaftbereich 22 befindet sich ein Abstand b, in dem der Kopfabschnitt 23 nicht an der Umfangsfläche 11 anliegt. Die Längen der Strecken des

Anlagebereichs a und des Abstands b in Umfangsrichtung addieren sich zu der Erstreckung der Breite c, die die oben genannte Überlappung darstellt. Die Streckenlänge a beträgt also rund 50 % der Überlappung.

Da der Kopfabschnitt im Gegensatz zum Stand der Technik nicht mit der vollen Breite c an der Umfangsfläche 11 anliegt, entsteht bei der Montage der Permanentmagnete 9 in diesem Bereich eine geringere Reibung als im Stand der Technik, der in der Offenlegungsschrift US 2015/0001978 Al beschrieben ist. Diese verringerte Reibung bewirkt ähnlich wie die ebenfalls im

Kontaktbereich 25 verringerte Reibung, dass die Kräfte bei der Montage der Permanentmagnete 9 verringert werden. Dadurch werden, wie bereits oben beschrieben wurde, Abrieb und Beschädigung der Permanentmagnete 9 verhindert.

Es wurden zwei verschiedene technische Lösungen zur Verringerung der Reibung bei der Montage der Magnete 9 beschrieben. Zum einen wurde die Anlagefläche am Schaftabschnitt 22 verringert, zum anderen wurde die Kontaktfläche a in der Überlappung c des Kopfabschnitts 23 mit der

Umfangsfläche 11 reduziert. Jede Maßnahme für sich reduziert bereits die bei der Montage auftretende Reibung. Bevorzugt werden beide Maßnahmen eingesetzt, um ein besonders gutes Ergebnis zu erzielen.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf Rotoreinheiten mit Permanentmagneten 9. Es kann allgemein bei Rotoreinheiten Anwendung finden, die an der Position der beschriebenen Permanentmagnete 9 Magnetanordnungen aufweisen, die zum Beispiel auch zusammengesetzt sein können aus Permanentmagneten und Magnetleitern, um das Magnetfeld geeignet zu formen.