Titel

Rotor für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, insbesondere für einen Innenläufer-Elektromotor, und Elektromotor mit einem solchen Rotor

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Elektromotor, insbesondere für einen Innenläufer-Elektromotor. Ferner betrifft die Erfindung einen Elektromotor mit einem erfindungsgemäßen Rotor.

Ein Elektromotor ist ein Energiewandler, der elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Ein derartiger Elektromotor umfasst einen Stator, der das feststehende Motorteil bildet, und einen Rotor, der das sich bewegende Motorteil bildet. Bei einem Innenläufermotor umschließt der kreisringförmige oder zylinderringförmige Rotor in der Regel die Motorwelle, auf welcher er auch befestigt ist, und wird seinerseits wiederum von dem in radialer Richtung vom Rotor beab- standeten Stator umschlossen.

Der Stator ist üblicherweise mit einem Statorjoch versehen, an dem radial zur Mitte, nach innen ragende Statorzähne angeordnet sind, deren dem Rotor zugewandten Enden den sogenannten Polschuh bilden. Zur Gewährleistung der Funktion eines Elektromotors müssen unter anderem die dem Stator des Motors zugehörigen Spulen in bestimmter Weise miteinander verschaltet werden. Die Art und Weise dieser Verschaltung wird durch auf die Statorzähne aufgebrachte Wicklungen, die im elektromotorischen Betrieb ein Magnetfeld erzeugen definiert. Zur Führung und Verstärkung des durch die bestromten Wicklungen erzeugten magnetischen Feldes ist das Statormaterial üblicherweise metallisch, beispielsweise weichmagnetisches Eisen. Dabei kann das Wickelschema beispielsweise eine Sternschaltung der Spulen oder eine Dreieckschaltung der Spulen beschreiben. Gehört dem Stator eine Vielzahl von miteinander zu verschaltenden Spulen an, dann ist die Verschaltung sehr aufwendig, da die jeweiligen Spulen durch Einzeldrähte in bestimmter Weise miteinander zu verbinden sind.

Nachteilig bei der Bauform des Rotors mit Ringmagneten ist jedoch, dass die Ringmagnete aufgrund ihres Herstellungsverfahrens mechanisch weniger robust sind und so die bei großen Rotorradien und/oder hohen Umdrehungsgeschwin- digkeiten auftretenden Fliehkräfte nicht unbeschadet aufnehmen können. Infolge dessen sind die Motorleistungen von Elektromotoren mit solchen Rotoren im allgemeinen vergleichsweise niedrig.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu verbessern und einen Rotor für einen Elektromotor anzugeben, der gleichzeitig einen vergleichsweise hohen magnetischen Fluss sowie einen geringen Streufluss aufweist, gleichzeitig jedoch für hohe Drehzahlen geeignet ist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Elektromotor und eine Handwerkzeugmaschine entsprechend weiterzubilden.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch einen Rotor nach Anspruch 1 sowie durch einen Elekt- romotor nach Anspruch 13 und eine Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Varianten und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung umfasst einen Rotor für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Welle, einem auf der Welle angeordneten Rotorkern, wobei der Rotorkern als Rückschlusskörper dient, und einem an dem Rotorkern befestigten und den Rotorkern umgebenden Ringmagneten. Der Ringmagnet ist kreisringscheibenför- mig ausgebildet, wobei durch die Kreisringscheibenform eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definiert ist. Ferner ist eine Lochzahl q durch die Glei- chung q=N/(2pm) definiert, wobei N die Anzahl von Nuten in dem Rotor reprä- sentiert, p eine Polpaarzahl des Rotors, und m eine Phasenanzahl. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wicklung des Rotors in Dreieckschaltung geschaltet ist. Grundsätzlich erweist sich die Dreieckschaltung als vorteilhaft in der Herstellung, da sie bei bürstenlosen Gleichstrommotor mit kleinen Windungszah- len und großen Drahtdurchmessern (z.B. in akkubetriebenen Handwerkzeugmaschinen) in der Regel kleinere Drahtdurchmesser benötigt als die Sternschaltung, ist die Dreieckschaltung vorteilhaft in der Herstellung.

Bevorzugterweise weist eine Rotorwicklung eine Lochzahl q von q=0,5 auf, wobei die Form einer Quellenspannung des Elektromotors an die Stromform angepasst ist. Bei Anpassung der Form der Quellenspannung auf die Stromform (beides nahezu trapezförmig) ergibt sich eine höhere Maschinenausnutzung und ein gleichförmigerer Drehmomentverlauf. Dabei ist es von Vorteil, dass die Form der Quellenspannung einen im nahezu trapezförmigen oder einen im nahezu sinusförmigen Verlauf hat, wobei durch die Kombination aus Lochzahl q=0,5 (z.B.: 9-slot / 6-pol) und Dreieckschaltung der Wicklung eine besonders günstige nahezu Trapezform der induzierten die Quellenspannung von Phase zu Phase erzielt werden kann.

Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor eine Blockkommutierung von 120° verwendet wird. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Trapezform der die Quellenspannung bei 120° Blockkommutierung des elektrischen Stroms die größtmögliche Maschinenaus- nutzung bzw. den größtmöglichen Leistungsfaktor dieser Maschine erreicht werden kann, wobei sich vorteilhafterweise auch kleinere Drahtdurchmesser mit geringerem Drahtzug kompakter und effizienter nadelwickeln lassen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Ringmagnet eine ra- dial anisotrope Kornstruktur auf. Grundsätzlich liefern Ringmagnete im Vergleich einen höheren magnetischen Gesamtfluss durch die größere Polebreite und dem geringeren Streufluss. Durch einen erfindungsgemäßen Rotor kann die magnetischen Remanenzflussdichte erhöht werden, wodurch wiederum im Vergleich die aktive axiale Länge des Motors und/oder den elektrischen Widerstand verringert und die Leistungsdichte des Elektromotors erhöht werden kann. Bevorzugterweise ist der Ringmagnet ein mehrpolig am Außenumfang magneti- sierter NdFeB-Ringmagnet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Ringmagnet zumindest drei Polpaare, vorzugsweise zumindest 8 Polpaare, besonders bevorzugterweise zumindest 18 Polpaare auf.

Vorteilhafterweise ist der Ringmagnet ein gesinterten Seltenerdmagnet aus SmCo-Pulver, ein gesinterten Ferritmagnet aus NdFeB-Pulver, ein heißgepress- ter/ heißverformter Magnet oder ein gebundenen Magnet, wobei die radial anisotrope Kornstruktur durch ein zweistufiges Kompaktierungsverfahren hergestellt wird. Die radial orientierten anisotropen spritzgegossenen Ringmagnete werden üblicherweise durch elektromagnetische Orientierungstechnologie hergestellt. Anders als die einfache Permanentmagnetorientierung werden Magneten, die durch elektromagnetische Orientierung hergestellt werden, vor dem Sinken entmagnetisiert, und anschließend entsprechend den gewünschten Anforderungen polarisiert.

Durch die Herstellung des Ringmagnets durch Heißpressen des NdFeB Pulvers kann eine erhöhte mechanische Belastbarkeit bzw. Robustheit des Ringmagneten gewährleistet werden. Außerdem führt die in einem separaten Herstellungsschritt eingebrachte radiale Anisotropie der Kornstruktur des Ringmagneten zu einer gegenüber herkömmlich gesinterten Ringmagneten nochmals um etwa 10% erhöhten Remanenzflussdichte und somit einer gesteigerten Leistungsdichte.

Alternativ kann die Herstellung des Ringmagneten auch nach einem anderen Verfahren hergestellt werden, beispielsweise nach dem Fließpressverfahren.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ringmagnet an dem Rotorkern durch eines der Befestigungsverfahren aus der Gruppe Aufkleben, Löten, thermisches Aufschrumpfen, Schweißen befestigt.

Weiterhin kann die Geometrie und Topologie des Stators so wie die Polpaarzahl des Ringmagneten je nach Auslegung variieren. Ein erfindungsgemäßer radial anisotroper Ringmagnet unterliegt in der Hinsicht keiner Restriktionen. Einen weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet ein Elektromotor, bevorzugterweise bürstenloser Innenläufer-Elektromotor. Der Elektromotor um- fasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator weist ein kreisringscheibenförmi- ges Statorjoch, durch welches eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definiert ist, sowie eine definierte Anzahl an von dem Statorjoch nach radial innen abstehende Polzähne auf. Der Rotor ist von dem Stator in radialer Richtung eingeschlossen. Zwischen dem Stator und dem Rotor ist ein Spalt mit definierter Breite angeordnet. Ferner umfasst der Elektromotor eine mit der Anzahl der Polzähne korrespondierende Anzahl Spulen, wobei die Spulen um die korrespondierenden Polzähne gewickelt sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Rotor gemäß nach einer der in den Ansprüchen 1 bis 12 offenbarten und oben genannten Ausführungsformen ausgebildet ist.

Vorteilhafterweise weist der Elektromotor eine Leerlaufdrehzahl von zumindest 24000 Umdrehungen pro Minute und einen Rotordurchmesser des Rotors von 30mm aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen des Elektromotors elektrisch parallel verschaltet.

Einen weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet eine Handwerkzeugmaschine die einen erfindungsgemäßen Elektromotor nach einem der Ansprüche 13 bis 15 umfasst.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche in den Figuren dargestellt sind. Die Beschreibung, die zugehörigen Figuren sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale, insbesondere auch die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele, auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Dabei ist zu beachten, dass die dargestellten Merkmale nur einen beschreibenden Charakter haben und auch in Kombination mit Merkmalen anderer oben beschriebener Weiterentwicklungen verwendet werden können und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind schematisch und zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Rotor sowie aus einem erfindungsgemäßen Elektromotor;

Fig. 2 ein Beispiel einer Dreieckschaltung mit einer parallelen Einzelzahnwicklung;

Fig. 3 ein Beispiel einer angepassten Form einer induzierten Quellenspannung; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ringmagnetes mit radial isotroper Ausrichtung der magnetischen Vorzugsrichtung.

Figur 1 zeigt ein Segment von 120° aus einem Teilquerschnitt eines erfindungsgemäßen Elektromotors 100. Der Rotor 10 des Elektromotors 100 umfasst unter anderem eine Welle 12, einen auf der Welle 12 angeordneten Rotorkern 14, wobei der Rotorkern 14 als Rückschlusskörper dient. Ferner umfasst der Elektromotor 100 zumindest einen an dem Rotorkern 14 befestigten und den Rotorkern 14 umgebenden Ringmagneten 16. Der Ringmagnet 16 ist kreisringringscheibenför- mig der zylinderringförmig ausgebildet, wobei durch die Kreisringscheibenform bzw. die Zylinderringform eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definiert ist.

Der zumindest eine Ringmagnet 16 ist an dem Rotorkern 14 durch eines der Befestigungsverfahren aus der Gruppe Aufkleben, Löten, thermisches Aufschrumpfen, oder Schweißen befestigt.

Es ist ferner erkennbar, dass der Elektromotor 100 einen Stator 20 umfasst, wobei der Stator 20 ein kreisringscheibenförmiges Statorjoch 22, durch welches eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definiert ist, sowie eine definierte Anzahl an von dem Statorjoch 22 nach radial innen abstehende Polzähne 24 aufweist. Die Polzähne 24 sind mit einer korrespondierende Anzahl Spulen 30 umwickelt. Dieser prinzipielle Aufbau ist bei Innenläufer-Elektromotoren an sich bekannt und wird nicht weiter im Detail beschrieben.

Erfindungsgemäß weist der Ringmagnet 16 eine radial anisotrope Kornstruktur auf. In einer Ausführungsform, in welcher der Ringmagnet 16 ein aus NdFeB Pulver heißgepresster Ringmagnet 16 ist, kann diese radiale Anisotropie in einem dem ersten Heißpressen nachgeschalteten Kompaktierungsschritt, somit durch ein zweistufiges Kompaktierungsverfahren, erreicht werden.

Alternativ dazu und gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Ringmagnet 16 ein gesinterter Ringmagnet 16 aus SmCo-Pulver oder aus NdFeB-Pulver sein, wobei die radial anisotrope Kornstruktur ebenfalls durch ein zweistufiges Kompaktierungsverfahren hergestellt wird. Die radial orientierten anisotropen spritzgegossenen Ringmagnete 16 werden üblicherweise durch elektromagnetische Orientierungstechnologie hergestellt. Anders als die einfache Permanentmagnetorientierung werden Magneten, die durch elektromagnetische Orientierung hergestellt werden, vor dem Sinken entmagnetisiert, und anschließend entsprechend den gewünschten Anforderungen polarisiert. Auf diese Art und Weise kann beispielsweise ein in Figur 4 dargestellter Ringmagnet 16 mit radial isotroper Ausrichtung der magnetischen Vorzugsrichtung hergestellt werden.

Durch die Herstellung des Ringmagnets 16 durch Heißpressen des NdFeB Pulvers kann eine erhöhte mechanische Belastbarkeit bzw. Robustheit des Ringmagneten gewährleistet werden. Außerdem führt die in einem separaten Herstellungsschritt eingebrachte radiale Anisotropie der Kornstruktur des Ringmagneten 16 zu einer gegenüber herkömmlich gesinterten Ringmagneten 16 nochmals um etwa 10% erhöhten Remanenzflussdichte und somit einer gesteigerten Leistungsdichte. Alternativ kann die Herstellung des Ringmagneten 16 auch nach einem anderen Verfahren hergestellt werden, beispielsweise nach dem Fließpressverfahren.

Die Anisotropie verbessert die magnetische Remanenzflussdichte bis zu 10% genüber herkömmlichen gesinterten NdFeB Magneten und um den Faktor 2,2 gegenüber den üblichen kunststoffgebundenen NdFeB Magneten. Durch diesen Gewinn an magnetischem Fluss über den Ringmagneten 16 kann die aktive axiale Länge des Elektromotors 100 und/oder sein elektrischer Widerstand verringert werden. Erfindungsgemäß lässt sich dadurch die Leistungsdichte des Elekt- romotors 100 und gleichzeitig seine mechanische Robustheit erhöhen. Hierdurch sind hohe Drehzahlen auch bei großen Rotordurchmessern möglich.

Beispielsweise hat sich gezeigt, dass ein erfindungsgemäß konstruierter Elektromotor 100 eine Drehzahl von über 24000 rpm im Leerlauf bei einem Rotordurch- messer von 30mm fahren kann. Vergleichbare Werte werden im Stand der Technik derzeit nur mit Rotoren mit vergrabenen Magneten geliefert, allerdings mit den oben genannten Nachteilen, die diese Bauweise mit sich bringt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der der Ringmagnet 16 zumindest drei Polpaare vorzugsweise zumindest 8 Polpaare, besonders bevorzugterweise zumindest 18 Polpaare auf. Generell variiert die Polpaarzahl des Ringmagneten je nach Auslegung hinsichtlich Größe und Leistung des Elektromotors, wobei ein radial anisotroper Ringmagnet in dieser Hinsicht keinerlei Restriktionen unterliegt.

Es sei nochmals angemerkt, dass im Gegensatz hierzu die Bauweise mit vergrabenen Magneten den Nachteil aufweise, dass die Anzahl der Magnete und somit der Polpaare durch die Breite der Stege des Rotorblechs zwischen den Magneten begrenzt ist.

Der bei einem erfindungsgemäßen Rotor höhere magnetische Fluss erfordert auch größere Querschnitte in der Statorgeometrie. Hierbei ist es von Vorteil, dass die Anzahl der Pole bei der erfindungsgemäßen Bauweise prinzipiell nicht limitiert ist, da eine höhere Anzahl an Polpaaren den Querschnitt des Eisenrückschlusses verringert. Dies, weil sich der magnetische Fluss auf eine höhere Anzahl Polpaare aufteilen kann.

Des Weiteren benötigt man für hohe Drehzahlen bei höherem magnetischem Fluss weniger Windungen im Stator. Das bedeutet wiederum, dass die Kupfer- drahtquerschnitte steigen müssen, um mit weniger Windungen die Statornut gleichermaßen befüllen zu können. In der Regel werden hierbei Nadelwickelmaschinen eingesetzt, wobei die Nadel, die den Draht durch die Nuten führt, einen Draht mit maximal knapp über 1 mm im Drahtdurchmesser führen kann.

Wie in Figur 2 dargestellt ist erfindungsgemäß die Wicklung des Rotors in Dreieckschaltung geschaltet mit parallelen Einzelzahnwicklungen, wobei eine Rotorwicklung bevorzugterweise eine Lochzahl q von q=0,5 aufweist.

Dabei ist die Lochzahl q durch die Gleichung q=N/(2pm) definiert, wobei N die Anzahl von Nuten in dem Rotor repräsentiert, p eine Polpaarzahl des Rotors, und m eine Phasenanzahl.

Wie in Figur 3a dargestellt, ist eine Form einer induzierten Quellenspannung, auch elektromotorische Kraft oder induzierte EMK-Spannung des Elektromotors genannt, an eine Stromform angepasst. Während die Stromform in der Abbildung eine typische 120° Blockkommutierung hat, ist die induzierte Quellenspannung trapezförmig. Hierdurch ergibt sich eine hohe Maschinenausnutzung und ein weitestgehend gleichförmiger Drehmomentenverlauf. In der dargestellten Konfiguration der 120°-Blockkommutierung erreicht nahezu die Trapezform der Quellenspannung die größte mögliche Maschinenausnutzung bzw. den größten Leistungsfaktor des Elektromotors. Wie in Figur 3b dargestellt, ist in einer alternativen Ausführungsform bei gleicher Stromform die induzierte Quellenspannung sinusförmig.

Die Figur 4b zeigt eine Draufsicht des radial isotropen Ringmagnetes 16 mit einer beispielhaften Darstellung der magnetischen Vorzugsrichtung. Die 4a zeigt eine entsprechende Schnittansicht.

Neben den beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen sowie Kombinationen von Merkmalen umfassen können.