Bürstenloser Elektromotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen 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.

DE 101 24 436 Al zeigt in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Stator und Rotor eines bürstenlosen Elektromotors. Der Stator trägt eine Statorwicklung, deren Wicklungsphasen in Stern geschaltet sind, und an dem aus einem Blechlamellenpa- ket bestehenden Rotorkörper sind Permanentmagnete angeordnet. Die Nachteile einer solchen Anordnung der Permanentmagnete am Läufer sind darin zu sehen, daß bei einer hohen Drehzahl und einer hohen Beanspruchung durch Temperatur und weitere Einflüsse, die Permanentmagnete sich vom Läufer lösen können, außerdem besteht die Gefahr einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete durch hohe Magnetfelder am Ständer.

Elektromotoren müssen von einer niedrigen bis zu einer hohen Drehzahl bei anliegender Last flexibel steuerbar und über- lastbar sein. Ein elektronisch kommutierter permanentmagnetisch erregter Elektromotor der bekannten Art, der diesen Anforderungen entspricht, ist oft schwierig unterzubringen, da zur Anordnung eines solchen Motors in vielen Fällen lediglich nur ein begrenzter Raum zur Verfügung steht, wodurch der Au-

ßendurchmesser des Elektromotors entsprechend eingeschränkt ist. Zur Erzielung hoher Drehzahlen ist es von Vorteil, wenn der permanentmagnetisch erregte Läufer eine niedrige Feldstärke und eine geringe Anzahl Pole zum Ständer aufweist. Der Nachteil einer niedrigen Feldstärke der Permanentmagnete des Läufers und einer geringen Anzahl von Feldpolen am Läufer besteht im besonderen darin, daß wegen der Gefahr einer Ent- magnetisierung des permanentmagnetisch erregten Läufers die Leistungsaufnahme und somit auch das Drehmoment des Elektro- motors hierdurch eingeschränkt ist.

Zur Erzielung einer hohen Leistungsaufnahme und einer hohen Drehzahl des permanentmagnetisch erregten Elektromotors ist es von Vorteil, wenn die Magnetisierungsrichtung der Perma- nentmagnete des Läufer nicht senkrecht zum Luftspalt des Elektromotors ausgerichtet ist. Für eine solche Ausrichtung der Permanentmagnete zum Luftspalt des Motors sind bereits eine Anzahl von Lösungsvorschlägen bekannt.

DE 197 23 302 Al beschreibt eine derartige Lösung. Der Läufer 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 Nu- ten aufweist, und in den Nuten sind Permanentmagnete 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 6 847 149 B2 beschreibt einen Elektromotor, bei dem die Permanentmagnete des Läufers in Sammleranordnung längs der Welle des Läufers in einer jeweils senkrecht zur Welle verlaufenden Nut angeordnet sind. Die Nuten des Läufers werden

durch Kernglieder (Lauferzähne) gebildet, und diese Kernglieder sind einzeln durch entsprechende Vorrichtungen mit der Welle des Läufers drehfest verbunden. Die Ständerzähne besitzen zum Luftspalt eine spezielle ausgebildete Polfläche. Ein Elektromotor der hier beschriebenen Art ist für viele Anwendungsfälle in der Konstruktion zu aufwendig und zu kostenintensiv.

US 6 097 126 A beschreibt einen bürstenlosen Gleichstrommo- tor, der einen permanentmagnetisch erregten Reluktanzläufer einer besonderen Art beinhaltet. Zwischen den überkreuz angeordneten Läuferelementen ist ein Permanentmagnet angeordnet, der an den Läuferelementen am Luftspalt zum Ständer die Polbildung erzeugt. Die Schaltfolge der Wicklungsstränge und der Läuferschritte erfolgen in bekannter Weise eines Reluktanzmotors, und somit ist das Drehmoment mit einer entsprechenden nachteiligen Welligkeit behaftet.

Für die Anordnung eines elektronisch kommutierten Elektromo- tors steht oft lediglich nur ein begrenzter Raum zur Verfügung. Daher ist der Außendurchmesser des Elektromotors entsprechend eingeschränkt, wodurch die erforderliche Feldwicklung am Ständer schwer unterzubringen ist, wenn der Läufer einen ausreichenden Durchmesser zur Erzielung eines entspre- chenden Drehmoments besitzen soll. Dieses Problem trifft im besonderen bei speziellen Antrieben zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen kostengünstigen elektronisch kommutierten Elektromotor zu schaffen, der bei anliegender Last flexibel steuerbar und hoch belastbar und überlastbar ist, und der in Bezug zur Baugröße ein verhältnismäßig hohes Drehmoment und hohe Drehzahlen erzielt, wobei die Polfühligkeit und die Geräuschentwicklung sowie die Erwärmung des Elektromotors gering sein soll.

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

Durch den speziellen Aufbau des Ständers und des Läufers des Elektromotors bestehen die Vorteile darin, daß ein besonders weicher übergang der Läuferschritte von dem einen Läufer- schritt zum nächsten Läuferschritt erzielt wird, und somit die Drehmomentwelligkeit und die Geräuschentwicklung des Elektromotors reduziert ist, wobei das Drehmoment am Anfang und am Ende eines Läuferschrittes annähernd gleich ist, und die Leistungsaufnahme sowie die effektive Leistungsabgabe deutlich erhöht ist, und der Elektromotor hoch belastbar ist. Außerdem ist durch den speziellen Aufbau des Elektromotors eine Nachsteuerung des Kommutierungszeitpunktes der Wicklungsstränge bei steigender Drehzahl nicht erforderlich, da der KommutierungsZeitpunkt sich bis zu einem Viertel einer Ständerzahnbreite nach vorne verschieben kann, ohne daß hierbei der Wirkungsgrad des Elektromotors nennenswert beeinflußt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher er- läutert.

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 Darstel- lung 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 Elektromotors als Innenläufer mit Wicklungssträngen am Ständer 1 und einen Läufer 2 mit Läuferzähnen 3 und Permanentmagneten 4. Der Ständer besitzt bei einer zweipoligen Auslegung der Wicklungsstränge sechs zum Läufer gerichtete Ständerzähne 5, wo- bei die Wicklungsstränge jeweils zwei Spulen beinhalten, und die Spulen 6 der Wicklungsstränge umgreifen jeweils einen Ständerzahn 5. Die Wicklungsstränge sind während des Motorbetriebes derart an eine Stromquelle gelegt, daß die am Ständer sich gegenüber liegenden Ständerzähne jeweils gleichnamige Pole, und zwei nebeneinander liegende Ständerzähne jeweils ungleichnamige Pole zueinander bilden. Diese Polbildung ist am Ständer mit N, S gekennzeichnet.

Der Läufer 2 ist als ein permanentmagneterregter Reluktanz- Läufer ausgebildet. Die Läuferzähne 3 des Läufers 2 bilden zum Ständer die Polflächen 7 des PM erregten Läufers, wobei die Permanentmagnete 4 in Sammleranordnung längs der Welle des Läufers in einer jeweils senkrecht zur Welle verlaufenden Nut 8 angeordnet sind, und die jeweils zum Läuferzahn 3 weisende Polfläche der Permanentmagnete besitzen eine gleichna- mige Polbildung zueinander, die am Luftspalt die Polfelder zum Ständer bilden. Die Breite der Nuten 8 des Läufers 2 entspricht der Höhe der Permanentmagnete 4, wobei die Nutöffnung 9 der Nuten 8 kleiner gehalten sein kann wie die Höhe der Permanentmagnete, und die Läuferzähne 3 Nasen 10 zur Nutöff- nung aufweisen, um ein Herausschleudern der Permanentmagnete aus den Nuten zu verhindern. Das Verhältnis der Ständerzähne zu den Läuferzähnen beträgt 3:2.

Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades des Motors, beträgt vorzugsweise die Breite der Nutöffnung 9 der Nuten 8 des Lau-

fers mindestens etwa die halbe Breite eines Ständerzahns 5, und höchstens plus etwa der Weite einer Ständer-Nutöffnung. Die Permanentmagnetbreite in der Richtung zur Welle wird bestimmt durch die zum Luftspalt gerichtete gewünschte FeId- stärke, 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 3 sind zusammenhängend an der Welle 11 des Läufers 2 angeordnet, und werden vorzugsweise aus aufgestapelten Blechen gebildet, somit besteht der Läuferkörper aus einem Blechlamellenpaket .

Fig. 1 zeigt während des An- und Hochlaufs die Läuferstel- lung, bei der ein Läuferschritt vorzugsweise beendet wird, hierbei befindet sich der ablaufende und auflaufende Läuferzahn 3' jeweils etwa mittig zu den nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähnen, und der nachfolgende auflaufende Läuferzahn 3' ' befindet sich mit der auflaufenden Kante 12 in Bezug zur Drehrichtung des Läufers jeweils etwa an der Kante 13 des ersten Ständerzahns der nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähne. Die Läuferschritte werden durch Umpolung der Wicklungsstränge beendet .

Fig. 2 zeigt während des An- und Hochlaufs den beendeten Läuferschritt durch Umpolung der Wicklungsstränge, wobei gleichzeitig der nächste Läuferschritt eingeleitet ist. Die auflaufende Kante 12 des Läuferzahns 3'' befindet sich nun jeweils in Bezug zur Drehrichtung des Läufers etwa an der auflaufenden Kante 13' des zweiten Ständerzahns der nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähne.

Durch diese Anordnung der Schaltvorgänge der Läuferschritte ist das Drehmoment am Anfang und am Ende eines Läuferschrit-

tes annähernd gleich, und eine Nachsteuerung des Kommutie- rungszeitpunktes der Wicklungsstränge ist bei einer steigenden Drehzahl nicht erforderlich, da der KommutierungsZeitpunkt sich bis zu einem Viertel einer Ständerzahnbreite nach vorne verschieben kann, ohne daß hierbei der Wirkungsgrad des Elektromotors nennenswert beeinflußt wird.

Eine Läuferumdrehung kann sowohl mit zwölf Läuferschritten als auch mit sechs Läuferschritten erfolgen, indem ein Läuferschritt die Wegstrecke der Breite eines halben Ständer- zahns entspricht, oder die Wegstrecke entspricht der Breite eines Ständerzahns plus jeweils der Weite einer Nutöffnung.

Oft steht für einen Elektromotor lediglich nur ein eingeschränkter Raum zur Verfügung. Um nun mit dem Läufer eines elektronisch kommutierten Elektromotors ein ausreichendes Drehmoment während des Anlaufs und in den niedrigen Drehzahlen zu erzielen, ist ein solcher Elektromotor entsprechend auszulegen. In Fig. 3 und 4 ist ein solcher Elektromotor dargestellt. Das Blechpaket 14 des Ständers ist so gehalten, daß der Läufer 15 einen verhältnismäßig großen Durchmesser aufweist, hierfür sind die Ständerzähne derart gestaltet, daß die Ständerzähne lange schmale Polhörner 16 besitzen, und der Rückschluß 17 am Blechpaket 14 des Ständers ist auch sehr schmal ausgelegt, so daß jeweils zur Aufnahme der Spule am Ständerzahn ein hierfür erforderlicher Raum zur Verfügung steht. Der Fluß der Magnetfelder, der nicht über den Rückschluß 17 des Blechpakets 14 aufgenommen werden kann, wird durch den Eisenzylinder 18 des Ständers aufgenommen. Dieser Eisenzylinder 18 besitzt bei einer Anflanschung des Elektromotors an einem Getriebe Lagerschilde.

Eine derartige Auslegung des Blechpakets des Ständers ist dadurch ermöglicht, daß die Spulen der Wicklungsstränge ledig-

lieh jeweils einen Ständerzahn umschlingen, und diese Spulen werden vorzugsweise maschinell eingespult.

Zur Erzielung einer hohen Drehzahl und einer geringen Polfüh- ligkeit ist das Volumen der Permanentmagnete entsprechend reduziert. Damit die zum Luftspalt gerichteten Nutöffnungen 19 des Läufers 15 von der einen Polfläche zu der benachbarten Polfläche, der zum Luftspalt gerichteten Polfläche 20 der Läuferzähne 21, mindestens etwa die halbe Breite eines Stän- derzahns 5 aufweist, ist der Abstand der Permanentmagnete 22 zu den Ständerzahnen 5 entsprechend vergrößert, und die Läuferzähne 21 sind jeweils mit einer zu den Permanentmagneten 22 bildende Nase 23 entsprechend abgeschrägt, wodurch die Weite der Nutöffnung 19 am Luftspalt mindestens etwa auf die halbe Breite eines Ständerzahns, und höchstens plus etwa der Weite einer Ständer-Nutöffnung vergrößert 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 24 der Läuferzähne 21 ist in der Fig. 3 geradlinig ausgelegt.

Wie in Fig. 4 dargestellt, kann vorzugsweise sowohl die zum Luftspalt gerichtete Polfläche 20' der Läuferzähne 21, als auch die Nase bildende Abschrägung 24' variabel bogenförmig ausgelegt sein. 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. Die Nuten 25 zur Auf- nähme der Permanentmagnete 22 sind vorzugsweise am Nutengrund 26 halbkreisförmig ausgebildet. Durch eine solche Ausbildung der Nuten des Läufers, können die zuvor magnetisierten Permanentmagnete 22 sicher in die Nuten 25 kleberfrei eingepreßt werden. An den Stirnseiten des Läufers können Auswuchtschei-

ben angeordnet sein, die vorzugsweise zur Kühlung der Ständerwicklung mit Lüfterflügel versehen sind, und zur Sicherung der Permanentmagnete dienen können.

Fig. 1 bis 4 zeigen einen Elektromotor, bei dem der Ständer sechs Ständerzähne aufweist und an jedem Ständerzahn ist eine Spule angeordnet, wobei der Läufer vierpolig ausgelegt ist. Für sehr hohe Drehzahlen kann der Läufer auch zweipolig ausgelegt sein. Fig. 5 zeigt einen Elektromotor, bei dem der Ständer sechs Ständerzähne aufweist, und der Läufer ist zweipolig ausgelegt, somit beträgt das Verhältnis der Ständerzahne zu den Läuferzähnen 3:1. Die Spulen der dreisträngigen Ständerwicklung umgreifen hier jeweils zwei Ständerzähne, mit einer durch N, S dargestellten Polbildung am Ständer. Die Läuferzähne 27 sind hier jeweils mit einer zu den Permanentmagneten 22' bildende Nase 23 derart abgeschrägt, daß die Weite der Nutöffnung 19' der Nuten 25' des Läufers 28 am Luftspalt etwa um die Breite eines Ständerzahns vergrößert ist. Bei Beginn eines Läuferschrittes ist die auflaufende Kante 12' der Läuferzähne 27 vorzugsweise in Bezug zur Drehrichtung des Läufers jeweils zur auflaufenden Kante 29 des jeweils ersten Ständerzahns der jeweiligen Polfelder am Ständer ausgerichtet. Eine Läuferumdrehung kann hier sowohl mit sechs Läufer- schritten, als auch mit drei Läuferschritten erfolgen, indem ein Läuferschritt jeweils die Wegstrecke der Breite eines Ständerzahns entspricht, oder die Wegstrecke entspricht der Breite von jeweils zwei Ständerzähnen. Zur Gewichtreduzierung des Läufers können die Läuferzähne 3,21,27 mit Aussparungen 30 versehen werden, diese Aussparungen bewirken auch eine geringere Erwärmung des Läufers.

Durch die Kombination des speziellen Aufbaus des Läufers und der speziellen Anordnung der Spulen der Wicklungsstränge am

Ständer und das Zusammenwirken dieser Kombination durch die

Steuerung des Drehfeldes am Ständer mittels einer elektronischen Steuereinrichtung und der Ausrichtung der Läuferpole zum Ständerfeld, wird bei jeder Läuferstellung ein annähernd gleiches Drehmoment erzielt, und die effektive Leistungsabgabe ist vergleichsweise deutlich erhöht, wobei der Elektromotor hoch belastbar ist, ohne daß hierbei die Gefahr einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete besteht.

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 31 angeschlossen und mit dem anderen Ende in Stern geschaltet, und den Transistoren 32; 32' ist eine Steuereinheit 33 zugeordnet.

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

Für eine Schnellabbremsung des Motors wird ein Wicklungs- sträng über ein Schaltglied zum Sternpunkt oder zu einem weiteren Wicklungsstrang kurzgeschlossen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Elektromotor auch eine andere Polpaarzahl, und somit eine andere An- zahl von Ständerzahnen und Läuferzähnen besitzen, und die Be- maßung der Permanentmagnete eine andere sein.