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Dokumentenidentifikation DE102004014986A1 10.11.2005
Titel Elektromotor
Anmelder Minebea Co., Ltd., Nagano, JP
Erfinder Heizmann, Joachim, 78194 Immendingen, DE;
Würfel, Peter, 78056 Villingen-Schwenningen, DE
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 80336 München
DE-Anmeldedatum 26.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004014986
Offenlegungstag 10.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.11.2005
IPC-Hauptklasse H02K 11/00
Zusammenfassung Elektromotor mit einem Rotor, der eine Magnetanordnung mit mehreren Polen aufweist, und mit einer Kurzschlußvorrichtung, die der Magnetanordnung räumlich zugeordnet und derart gestaltet ist, daß sie wenigstens zwei nebeneinander liegende Pole der Magnetanordnung wenigstens teilweise überbrückt, um ein Rastmoment zu erzeugen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor oder einen anderen Permanentmagnetmotor, der als Innenläufermotor oder Außenläufermotor konfiguriert sein kann.

Elektromotoren mit einer Innenläuferkonfiguration weisen eine Rotoranordnung auf welche auf die Motorwelle aufgebracht ist und einen oder mehrere Magnete umfaßt. Es sind Rotoren mit eingebetteten Permanentmagneten bekannt, sowie Rotoren, an deren Außenumfang Einzelmagnete oder ein segmentierter Magnetring aufgebracht sind. Der Elektromotor umfaßt ferner eine Statoranordnung, z.B. aus einer Vielzahl von paketierten Metallblechen, die einen ringförmigen Statorrückschluß und von dem Statorrückschluß nach innen abstehende Polschuhe bilden. Auf die Polschuhe sind Phasenwicklungen aufgebracht. Die Rotoranordnung ist koaxial in die Statoranordnung eingefügt. Bei einem Elektromotor mit Außenläuferkonfiguration umgibt der Rotor den Stator.

Bei bestimmten Anwendungen der Elektromotoren wird gefordert, daß der Motor im stromlosen Zustand selbsthaltend ist. Mögliche Anwendungen solcher Elektromotoren sind beispielsweise Antriebe für Bohrmaschinen, ferngesteuerte Fahrzeuge und viele andere mehr.

Es ist bekannt, die Selbsthaltefunktion des Motors im stromlosen Zustand durch Einstellen des Rastmoments (cogging torque) zu realisieren. Das Rastmoment eines Elektromotors wird im Stand der Technik durch geeignete Auslegung des Hauptmagnetkreises zwischen Rotor und Stator erzeugt und eingestellt. Dem Fachmann ist beispielsweise bekannt, das Rastmoment durch eine geeignete Auswahl des Verhältnisses der Pol-Nut-Zahlen von Rotor und Stator zu optimieren. Das Rastmoment kann auch durch spezielle Magnetisierungsverfahren für den Rotor oder durch die Auslegung des Blechschnittes des Stators beeinflußt werden. Bei dem Entwurf von Elektromotoren muß dabei stets ein Kompromiß eingegangen werden zwischen solchen Betriebsparametern, wie Leistung, Rastmoment und Gleichlauf des Motors. Während das Rastmoment für die Selbsthaltung des Motors im stromlosen Zustand gewünscht sein kann, ist es im Betrieb und insbesondere beim Langsamlauf des Motors häufig störend.

Im Stand der Technik ist es auch bekannt, die Selbsthaltefunktion eines Elektromotors indirekt über ein selbsthemmendes Getriebe sowie über externe Bremsen vorzusehen. Diese Lösungen haben den Nachteil, daß sie zusätzlichen Aufwand und somit zusätzliche Kosten für die Realisierung der Selbsthaltung des Antriebs erzeugen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor anzugeben, der bei Stromausfall selbsthaltend ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.

Die Erfindung sieht einen Elektromotor mit einem Rotor vor, der eine Magnetanordnung mit mehreren Polen aufweist. Der Magnetanordnung ist eine Kurzschlußvorrichtung räumlich zugeordnet. Die magnetische Kurzschlußvorrichtung ist derart gestaltet, daß sie wenigstens zwei der nebeneinander liegenden Pole der Magnetanordnung wenigstens teilweise überbrückt. Der Rotor richtet sich dadurch im stromlosen Zustand relativ zu der Kurzschlußvorrichtung aus oder "rastet" im Verhältnis zur Kurzschlußvorrichtung mit einem vorgegebenen Rastmoment ein. Der erfindungsgemäße Elektromotor hat den Vorteil, daß dieses Rastmoment zwischen der Magnetanordnung des Rotors und der Kurzschlußvorrichtung unabhängig von den sonstigen Parametern des Elektromotors eingestellt und optimiert werden kann. Insbesondere ist das durch die Kurzschlußvorrichtung erzeugte Rastmoment unabhängig von dem Verhältnis der Pol-Nut-Zahlen, der Magnetisierung der Magnetanordnung und der Auslegung des Stators, wodurch diese Parameter des Elektromotors unabhängig von der gewünschten Selbsthaltefunktion optimiert werden können. Insbesondere kann die Motorkennlinie selbst mit einem minimalen Rastmoment eingestellt werden.

In einer ersten Ausführung der Erfindung umfaßt die Kurzschlußvorrichtung ein magnetisches Kurzschlußblech, welches der Magnetanordnung gegenüberliegt. Diese Ausführung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß sie ohne großen Aufwand realisierbar ist. Wenn das Kurzschlußblech im Verhältnis zu der Magnetanordnung beweglich ist und im Betrieb des Motors bei höheren Drehzahlen von der Magnetanordnung weg bewegt wird, ergibt sich der weitere Vorteil, daß das Rastmoment und somit die Selbsthaltefunktion des Motors nur bei sehr niedrigen Drehzahlen bzw. im stromlosen Zustand des Motors erzeugt werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Motors insgesamt maximiert werden. Durch Beeinflussung der Geometrie und/oder der Größe des Kurzschlußbleches sowie durch dessen Abstand zu der Magnetanordnung kann ferner die Größe des Rastmomentes nach Bedarf eingestellt werden.

In einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kurzschlußvorrichtung den Arbeitsmagneten des Rotors, welche auf dem Umfang des Rotors wirksam sind, zugeordnet sind. Diese Arbeitsmagnete können auf den Umfang des Rotors aufgebrachte Einzelmagnete oder ein mehrpolig magnetisierter Permanentmagnetring oder auch in den Rotor eingebettete Permanentmagnete sein. Die Kurzschlußvorrichtung, beispielsweise das Kurzschlußblech, ist mit geringem radialem Abstand an dem Umfang des Rotors so angeordnet, daß sie zwei nebeneinander liegende Pole der Magnetanordnung wenigstens teilweise überbrückt. Der Abstand zwischen dem Kurzschlußblech und den Arbeitsmagneten kann beispielsweise im Bereich von < 1 mm liegen.

In einer anderen Ausführung der Erfindung ist die Kurzschlußvorrichtung einem Steuermagneten des Rotors zugeordnet, der vorzugsweise an einer Stirnseite des Rotors wirksam ist. Steuermagnete dienen beispielsweise bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor zur Gewinnung des Drehlagesignals des Rotors und somit zur Erzeugung der Kommutierungssignale. Bei dieser Ausführung kann die Kurzschlußvorrichtung beispielsweise in Form eines Kurzschlußbleches ausgebildet sein, das mit geringem axialen Abstand an der Stirnseite des Rotors angeordnet ist. Diese Anordnung hat bei sehr kleinen Motoren den zusätzlichen Vorteil, daß die Steuermagnete an der Stirnseite des Rotors mit einem größeren Radius ausgelegt werden können als der Rotor selbst, so daß ein entsprechend größeres Rastmoment erzeugt werden kann.

Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:

1 eine Schnittdarstellung durch einen Elektromotor gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;

2 eine schematische Darstellung eines Rotors mit axialer Anordnung der Kurzschlußvorrichtung gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung; und

3 eine schematische Darstellung eines Rotors mit radialer Anordnung der Kurzschlußvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung.

1 zeigt eine Längsschnittdarstellung durch eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Elektromotors. Der Elektromotor umfaßt einen Rotor, der allgemein mit 10 bezeichnet ist, wobei bei der gezeigten Ausführung der Rotor einen Rotorkern 12 und eingebettete Permanentmagnete 14 aufweist. Der Rotor 10 ist auf eine Welle 16 aufgebracht. Welle 16 und Rotor 10 sind in einen Stator eingefügt, der allgemein mit 18 bezeichnet ist. Der Stator 18 ist in 1 mit einem Statorblechpaket 20 und Phasenwicklungen 22 dargestellt. Der Rotor 10 und der Stator 18 sind von einem Gehäuse 24 umschlossen, das an einem Abtriebsende des Elektromotors eine Durchgangsöffnung für die Welle 16 aufweist und an dem gegenüberliegenden Stirnende des Elektromotors durch ein Lagerschild 26 verschlossen wird. In das Gehäuse 24 und das Lagerschild 26 sind Lager 28, 30 zur Lagerung der Welle 16 integriert. In 1 ist ferner eine Rotornabe 32 dargestellt, welche einen Sensormagneten oder Steuermagneten 34 trägt. Dem Steuermagneten 34 an dem Stirnende des Elektromotors gegenüberliegend ist ein Hallsensor 36 dargestellt, der zur Erfassung der Drehlage des Rotors 10 und zur Erzeugung von Kommutierungssignalen dient. Der Hallsensor 36 ist auf einer an dem Lagerschild 26 befestigten Platine 38 gehalten. Erfindungsgemäß ist an dieser Stirnseite des Elektromotors dem Steuermagneten 34 in axialer Richtung gegenüberliegend ein Kurzschlußblech 40 angeordnet, das in Verbindung mit dem Steuermagneten 34 ein Rastmoment erzeugt. Bei der gezeigten Ausführung des Elektromotors wird das Kurzschlußblech 40 von dem Lagerschild 26 getragen. Die Funktion des Kurzschlußbleches 40 ist mit Bezug auf 2 unten weiter erläutert.

Die in 1 dargestellte Ausführung des Elektromotors ist lediglich ein Beispiel der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, wobei ein Fachmann verstehen wird, daß die verschiedenen Komponenten, insbesondere der Rotor, der Stator, Lager und Gehäuse des Motors gänzlich anders gestaltet sein können. Auch die Anordnung zur Befestigung von Steuermagnet 34 und Kurzschlußblech 40 kann von der dargestellten Ausführung abweichen. Das Kurzschlußblech 40 kann aus einem magnetisch leitenden Werkstoff, wie Eisen, bestehen oder durch einen Permanent-Magneten gebildet sein.

2 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung eines Rotors und einer zugeordneten Kurzschlußvorrichtung zur Erläuterung des in 1 gezeigten Elektromotors gemäß der Erfindung. Der in 2 gezeigte Rotor umfaßt einen Permanentmagnetring 44 auf der Außenseite eines Rotorrückschlusses (nicht gezeigt), welcher auf die Welle 16 aufgebracht ist. Der Permanentmagnetring 44 ist in mehreren Segmenten mit wechselnder Polarität magnetisiert. An einem Stirnende des Rotors 10 ist der Sensor- oder Steuermagnet 34 angeordnet, der aus mehreren Einzelmagneten oder einer entsprechend magnetisierten Magnetscheibe aufgebaut sein kann. Die Polarität des Steuermagneten 34 entspricht vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise der Polarität des Magnetrings 44, welcher die Arbeitsmagnete des Elektromotors bereitstellt. Der Steuermagnet 34, der in der Regel in Form einer Ringscheibe auf einem Träger angeordnet ist, kann im wesentlichen denselben Außendurchmesser wie die Arbeitsmagnete 44, einen größeren oder einen kleineren Außendurchmesser haben. Bei kleinen Elektromotoren hat der Steuermagnet 34 vorzugsweise einen größeren Außendurchmesser, um ein entsprechend größeres Rastmoment erzeugen zu können.

Dem Steuermagnet 34 an der Stirnseite des Elektromotors in axialer Richtung gegenüberliegend sind die Hallsensoren 36 sowie das Kurzschlußblech 40 angeordnet. Das Kurzschlußblech ist bei der gezeigten Ausführung so gestaltet, daß es im wesentlichen zwei nebeneinanderliegende Pole des Steuermagneten 34 überbrückt, so daß sich diese Pole des Rotors 10 im stromlosen Zustand des Motors, wie in 2 gezeigt, symmetrisch zu dem Kurzschlußblech 40 ausrichten. Durch geeignete Beeinflussung der Geometrie und Größe des Kurzschlußbleches 40 kann die Größe des Rastmoments eingestellt werden. Der Abstand zwischen dem Steuermagneten 34 und dem Kurzschlußblech 40 liegt in der Größenordnung des Arbeitsluftspaltes, beispielsweise im Bereich < 1mm. Durch geeignete Auslegung des Kurzschlußblechs 40 kann das Rastmoment eingestellt werden, wobei der Hauptmagnetkreis, bestehend aus den Arbeitsmagneten 44 und dem Stator 18 (1) unabhängig von dem Rastmoment optimiert werden kann. Wie erwähnt, kann das Kurzschlußblech 40 auch durch einen Permanentmagnet als „Rastmagnet" ersetzt werden.

3 zeigt eine ähnliche Darstellung wie 2 für eine weitere Ausführung der Erfindung. 3 zeigt einen Rotor für einen erfindungsgemäßen Elektromotor mit Arbeitsmagneten 44, welche auf einen Rotorrückschluß 46 aufgebracht sind. Der Rotorrückschluß 46 ist auf der Welle 16 befestigt. Der Rotor 10 mit den Arbeitsmagneten 44 kann im wesentlichen ähnlich wie in der Ausführung der 2 ausgebildet sein. Bei der Ausführung der 3 wird jedoch nicht der Steuermagnet zur Einstellung des Rastmomentes verwendet, sondern die Arbeitsmagnete 44 selbst. Zu diesem Zweck ist ein Kurzschlußblech 48 mit radialem Abstand an dem Umfang des Rotors 10 angeordnet, wobei das Kurzschlußblech 48 zwei nebeneinander liegende Pole der Arbeitsmagnete 44 wenigstens teilweise überbrückt. In 3 auch schematisch dargestellt sind drei Hallsensoren 36 zum Ableiten eines Kommutierungssignals, die ebenfalls am Umfang des Rotors 10 angeordnet sind. Wie bei der Ausführung der 2 kann das Kurzschlußblech 48 auch bei dieser weiteren Ausführung durch einen Magneten oder eine andere geeignete Kurzschlußvorrichtung ersetzt werden. Da bei dieser Ausführung das Rastmoment zwischen dem Kurzschlußblech 48 und den Arbeitsmagneten 44 eingestellt wird, wird der Rotor 10 insgesamt in axialer Richtung verlängert werden, so daß er aus dem Stator herausragt und über eine ausreichende Länge zugänglich ist, um das Rastmoment zu erzeugen.

Auch bei dieser Ausführung entspricht der Abstand zwischen dem Arbeitsmagneten 44 und dem Kurzschlußblech 48 ungefähr der Breite des Arbeitsluftspaltes.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

10Rotor 12Rotorkern 14Permanentmagnet 16Welle 18Stator 20Statorblechpaket 22Phasenwicklung 24Gehäuse 26Lagerschild 28, 30Lager 32Rotornabe 34Steuermagnet 36Hallsensor 38Platine 40Kurzschlußblech 44Permanentmagnetring, Arbeitsmagnete 46Rotorrückschluß 48Kurzschlußblech

Anspruch[de]
  1. Elektromotor mit einem Rotor (10), der eine Magnetanordnung (34; 44) mit mehreren Polen aufweist, und mit einer Kurzschlußvorrichtung (40; 48), die der Magnetanordnung (34; 44) räumlich zugeordnet und derart gestaltet ist, daß sie wenigstens zwei nebeneinander liegenden Pole der Magnetanordnung (34; 44) wenigstens teilweise überbrückt, um ein Rastmoment zu erzeugen.
  2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußvorrichtung (40; 48) ein magnetisches Kurzschlußblech umfaßt.
  3. Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurzschlußblech (40; 48) im Verhältnis zu der Magnetanordnung beweglich ist.
  4. Elektromotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rastmoment durch Beeinflussung der Geometrie und/oder der Größe des Kurzschlußbleches (40; 48) und/oder durch den Abstand des Kurzschlußbleches (40, 48) zu der Magnetanordnung (34, 44) einstellbar ist.
  5. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußvorrichtung (40; 48) einen Kurzschlußmagneten umfaßt.
  6. Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung (44) Arbeitsmagnete des Rotors (10) umfaßt, welche auf dem Umfang des Rotors (10) wirksam sind, und die Kurzschlußvorrichtung (48) mit radialem Abstand dem Umfang des Rotors (10) zugewandt am Stator angeordnet ist.
  7. Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung (34) Steuermagnete des Rotors (10) umfaßt, welche an einer Stirnseite des Rotors (10) wirksam sind, und die Kurzschlußvorrichtung (40) mit axialem Abstand dieser Stirnseite des Rotors (10) zugewandt am Stator angeordnet ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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