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Die Erfindung beschreibt eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, der im Stator drehbar angeordnet ist.
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Die Erfindung geht von einer dreiphasigen, elektronisch kommutierten elektrischen Maschine aus, die als Antriebsmotor für eine Kraftstoffpumpe dient. Der Stator des Antriebsmotors hat eine Vielzahl von Statorpolen (beispielsweise zwölf Statorpole), auf denen die Wicklungen der drei Motorphasen angeordnet sind. Der Rotor weist einen kunststoffgebundenen, spritzgegossenen Rotormagneten auf, der eine Vielzahl von segmentförmigen Magnetpolen (beispielsweise acht Magnetpole) aufweist.
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Diese elektrische Maschine hat durch die geringe Anzahl an Magnetpolen ein hohes Rastmoment, was nicht nur bei der Anwendung als Kraftstoffpumpe unerwünscht ist. Im Stand der Technik sind daher viele Maßnahmen bekannt, um das Rastmoment einer elektrischen Maschine zu reduzieren, wie beispielsweise unsymmetrische Polschuhe oder in axialer Richtung schräg verlaufende Magnetpole. Eine andere Lösung wäre es, die Polanzahl stark zu erhöhen oder das Verhältnis von Statorpolen zu Magnetpolen zu verändern.
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Eine hohe Kommutierungsfrequenz führt in der Anwendung als Kraftstoffpumpe zu unerwünschter Geräuschentwicklung aufgrund von Resonanzen und harmonischen Schwingungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Maschine, insbesondere als Kraftstoffpumpe, zu schaffen, die eine wesentlich geringere Geräuschentwicklung bei akzeptablem Rastmoment aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist idealerweise wenige Magnetpole und Statorpole, vorzugsweise 2N Magnetpole und 3M Statorpole, besonders bevorzugt vier Magnetpole und sechs Statorpole, auf (mit N, M = ganze, positive Zahl = 1, 2, 3, ...). Insbesondere durch eine Halbierung der Anzahl der Magnetpole und Statorpole wird eine Halbierung der notwendigen Kommutierungsfrequenz erreicht. Dadurch entstehen wesentlich weniger störende Geräusche, da nun eventuelle Resonanzen und/oder harmonische Schwingungen in nicht störenden Frequenzen auftreten.
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Gleichzeitig wird durch die geringe Polanzahl jedoch das Rastmoment erhöht. Daher ist es für die Erfindung wichtig, dass der Rotormagnet aus einem anisotropen Magnetmaterial besteht, das in einem Kunststoff eingebettet spritzgegossen ist. Weiterhin müssen die Magnetmaterial-Partikel des Magnetmaterials während des Spritzgussvorgangs durch die Beaufschlagung mit einem externen Magnetfeld so vorausgerichtet sein, dass an der Magnetoberfläche des gespritzten Magneten ein sinusförmiger Flussdichteverlauf erzielt wird. Dadurch wird das Rastmoment des erfindungsgemäßen Motors deutlich reduziert. Prinzipiell sind entsprechende Magnetisier-Vorrichtungen zum Aufzwingen einer magnetischen Vorzugsrichtung beispielsweise in den Patentschriften
DE 10 2004 018 963 B4 sowie
AT 507 023 B1 offenbart.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung weisen die Polschuhe der Statorpole an der Innenfläche axiale Nuten auf, um das Rastmoment weiter zu reduzieren.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Rotormagnet in axiale Abschnitte unterteilt sein, wobei in jedem Abschnitt die Magnetpole gegenüber den benachbarten Abschnitten verdreht sind. Dadurch wird das Rastmoment weiter reduziert.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Spritzgusswerkzeug mit den in Anspruch 10 genannten Merkmalen, mit dem der erfindungsgemäße Rotormagnet herstellbar ist.
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Dieses Spritzgusswerkzeug weist eine Spritzgusskammer zum Spritzgießen eines Rotormagneten auf, um welche Permanentmagnete in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß besteht die Anordnung aus vier Ausrichtmagneten. Die Ausrichtmagnete sind tangential zur idealerweise kreisförmigen Spritzgusskammer angeordnet. Sie haben im Wesentlichen einen trapezförmigen Querschnitt und weisen eine Halbach-Magnetisierung auf. Dadurch entsteht in der Spritzgusskammer ein Feldlinienverlauf durch den die Magnetpartikel während des Spritzgussvorgangs in einer magnetischen Vorzugsrichtung gemäß dem Feldlinienverlauf vorausgerichtet werden. Zum Realisieren einer Halbach-Magnetisierung können die Ausrichtmagnete vorzugsweise jeweils aus zwei oder aus drei Permanentmagneten aufgebaut sein. Es sind jedoch auch Halbach-Anordnungen mit mehr als 3 Permanentmagneten je Ausrichtmagnet möglich. Um den Rotormagneten in axiale Abschnitte zu unterteilen, so dass in jedem Abschnitt die Magnetpole gegenüber den benachbarten Abschnitten verdreht sind, können die Ausrichtmagnete in axiale Abschnitte (Scheiben) unterteilt sein, die jeweils gegeneinander leicht verdreht sind. Damit kann ein Rotormagnet geschaffen werden, dessen einzelne Magnetpole nicht axialparallel verlaufen, sondern zur Motordrehachse leicht verdrallt sind (Schrägung der Pole), beziehungsweise in axialer Richtung zueinander verdrehte Abschnitte aufweisen. Dadurch können viele negative Effekte im Betrieb des Motors verhindert werden, beispielsweise Rastmomente oder die Schwingungen durch die höheren Harmonischen.
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Der so vorausgerichtete Rotormagnet kann später in dieser Vorzugsrichtung mit einer sehr hohen Remanenz permanent magnetisiert werden. Durch die magnetische Vorausrichtung ergibt sich ebenfalls der für die Erfindung notwendige sinusförmige Flussdichteverlauf an der Oberfläche des fertigen Rotormagneten. Prinzipiell ist auch ein andere Ausgestaltung und Anordnung von Permanentmagneten in der Spritzgusskammer denkbar, um den sinusförmigen Flussdichteverlauf an der Oberfläche des fertigen Rotormagneten zu erzielen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine,
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2 einen Querschnitt durch den Rotor der 1,
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3 einen schematischen Verlauf der magnetischen Flussdichte an der Oberfläche eines erfindungsgemäßen Rotormagnetes als Funktion des Mittelpunktswinkels, und
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4 einen Querschnitt durch ein Spritzgusswerkzeug mit einem erfindungsgemäßen Rotor.
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Die 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in Form eines Antriebsmotors für eine Kraftstoffpumpe. Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf die gezeigte Ausführung beschränkt.
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Der im Ganzen mit 1 bezeichnete Antriebsmotor ist als Innenläufer ausgebildet und weist einen Stator 2 und einen Rotor 3 auf. Der Stator 2 ist aus einzelnen Statorblechen gestapelt und weist sechs Statorpole 4 auf. Die Statorpole 4 haben symmetrische Polschuhe 5, die an der Innenfläche, d. h. an der dem Rotor zugewandten Fläche, jeweils zwei axialen Nuten 6 aufweisen. Im Beispiel ist an jedem Schenkel 7 der Polschuhe 5 eine axiale Nut 6 symmetrisch angeordnet. Es ist auch möglich, dass die Nuten 6 unsymmetrisch angeordnet sind, oder dass die Nuten 6 an einigen oder allen Polschuhen 5 anders verteilt angeordnet sind.
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Die Nuten 6 reduzieren das Rastmoment des Antriebsmotors 1 und damit auch die Geräuschentwicklung des Motors.
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Der Antriebsmotor 1 ist als dreiphasiger, elektronisch kommutierter Motor ausgebildet. Auf den Statorpolen 4 sind die Statorwicklungen 8 angeordnet, wobei R1 und R2 verschiedene Wicklungsrichtungen bezeichnen und wobei je Motorphase jeweils zwei Statorwicklungen 8 vorhanden sind.
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Der Rotor 3 hat einen Rotorkörper 9, dessen Querschnitt, zum Beispiel, im Wesentlichen einem vierzackigen Stern entspricht. Es sind aber ebenso andere Ausgestaltungen des Rotorköpers, zum Beispiel mit einem runden Querschnitt, möglich. Der Rotorkörper 9 ist auf einer Welle 10 befestigt. Für die Erfindung spielt es keine Rolle, ob der Rotorkörper 9 aus einem magnetischen oder unmagnetischen Material besteht. Im Beispiel besteht der Rotorkörper 9 aus Aluminium. Darüber hinaus weisen die Stern-Spitzen 20 des Rotorkörpers 9 in axialer Richtung durchgehende Ausnehmungen 23 auf, die der Material- und Gewichtseinsparung dienen. Der sternförmige Rotorkörper 9 dient zusätzlich zur Aufnahme und Übertragung des Drehmoments auf die Welle 10.
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Der Rotormagnet 11 ist aus einem kunststoffgebundenen anisotropen Magnetmaterial spritzgegossen und weist vier Magnetpole 19 auf. Im Beispiel ist das Magnetmaterial Samarium-Eisen-Stickstoff (SmFeN). Es können jedoch auch andere Magnetmaterialien wie beispielsweise Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) oder Samarium-Cobalt (SmCo) verwendet werden.
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Wichtig für die Erfindung ist, dass das Magnetmaterial während des Spritzgussvorgangs in eine magnetische Vorzugsrichtung ausgerichtet ist, so dass sich an der Oberfläche des Rotormagneten 11 ein sinusförmiger Flussdichteverlauf 14 (2) ergibt. Durch die anisotrope magnetische Vorausrichtung der Magnetpartikel ergibt sich generell eine höhere Remanenz des Rotormagneten 11. Diese spezielle Form des Flussdichteverlaufs 14 bewirkt weiterhin eine Reduzierung des Rastmoments und der Geräuschentwicklung.
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In 3 ist der magnetische Flussdichteverlauf entlang der kreisförmigen Umfangsfläche des erfindungsgemäßen Rotormagnetes 11 als Funktion des Mittelpunktswinkels α skizziert. Dieser Flussdichteverlauf ist dort am Beispiel des in 2 gezeigten, vierpoligen Magneten, über zwei Magnetpole hinweg dargestellt. Beispielsweise kann die magnetische Flussdichte an einem Nordpol des Rotormagneten 11 als positiv definiert werden, so dass die maximale Flussdichte Bmax beträgt während die magnetische Flussdichte an einem Südpol des Rotormagneten 11 als negativ definiert werden kann, mit minimaler Flussdichte – Bmax. Legt man nun, wie in 2 gezeigt, den Nullpunkt des Mittelpunktswinkels α = 0 zwischen zwei Magnetpole und folgt dem Umfang zuerst über einen Nordpol, ergibt sich ein Feldverlauf, wie er in der ersten Halbwelle der Sinuskurve in 3 zu sehen ist. Beim Übergang zum folgenden Südpol zeigt die Feldstärke einen Nulldurchgang, so dass die Flussdichte negativ wird, ebenfalls mit maximalem Betrag Bmax.
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Entlang des gesamten kreisförmigen Umfangs eines vierpoligen Rotormagnetes 11 würde der Flussdichteverlauf als Funktion des Mittelpunktswinkels α somit 2 vollständige Sinusschwingen vollführen.
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Dieser Verlauf der Flussdichte ist seinem Betrag nach auch in der 2 anhand des Flussdichteverlaufs 14 schematisch dargestellt. Eine hohe Strichdichte symbolisiert dabei einen großen Betrag und eine geringe Strichdichte einen kleinen Betrag der magnetischen Flussdichte.
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Um den Rotormagneten 11 in der benötigten Art und Weise herzustellen ist ein spezielles Spritzgussverfahren notwendig. In 4 ist ein Spritzgusswerkzeug 12 zur Herstellung eines solchen Rotormagneten 11 gezeigt. Das Spritzgusswerkzeug 12 ist zweiteilig ausgebildet und weist einen inneren Teil 15 und einen äußeren Teil 17 auf, die im Wesentlichen konzentrisch ineinander greifen.
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Der innere Teil 15 des Spritzgusswerkzeugs 12 weist die Spritzgusskammer 16 auf, in der ein Rotormagnet 11 spritzgegossen werden kann.
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Am Umfang der Spritzgusskammer 16 sind im Beispiel vier trapezförmige Ausrichtmagnete 13 gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Ausrichtmagnete 13 sind im Beispiel jeweils dreiteilig ausgebildet, wobei jeder Permanentmagnet 18 gerade in der durch Pfeile 22 angezeigte Richtung magnetisiert ist. Die Magnetisierungsrichtung 22 der einzelnen Permanentmagnet 18 ist jeweils unterschiedlich und so ausgerichtet, dass sich insgesamt eine Halbach-Magnetisierung ergibt. Die Ausrichtmagnete 13 sind beispielsweise aus NdFeB gesintert. Es ist jedoch auch ein Aufbau der Ausrichtmagnete 13 mit nur zwei Permanentmagneten 18 denkbar. Beispielsweise können jeweils nur die beiden äußeren Permanentmagnete 18 der in 4 gezeigten Ausrichtmagnete 13 zu einer Halbach-Anordnung verbunden werden, indem ihre relative Orientierung beibehalten wird und der mittlere Permanentmagnet 18 entfernt wird.
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Der äußerer Teil 17 des Spritzgusswerkzeugs 12 umgibt die Ausrichtmagnete 13 vollständig und besteht aus einem unmagnetischen Stahl, der dafür sorgt, dass die Feldlinien 21 der Ausrichtmagnete 13 auf der Außenseite des Spritzgusswerkzeugs 12 nicht oder nur unwesentlich aus den Magneten 13 austreten. Der innere Teil 15 besteht dagegen aus einem magnetischen Stahl, damit die magnetischen Feldlinien 21 der Ausrichtmagnete 13 möglichst ungehindert in die Spritzgusskammer 16 geleitet und dorthin konzentriert werden.
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Der Rotor 3 ist im Beispiel in der Spritzgusskammer 16 so ausgerichtet, dass die Spitzen 20 des sternförmigen Rotorkörpers 9 jeweils rechtwinklig und mittig zu den Ausrichtmagneten 13 ausgerichtet sind, was aber für die Erfindung nicht wesentlich ist.
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Es ergibt sich innerhalb der Spritzgusskammer 16 ein Feldlinienverlauf 21, durch den die Magnetpartikel während des Spritzgussvorgangs in der für die Erfindung erforderlichen Vorzugsrichtung ausgerichtet werden. Auf diesem Wege kann der in der 2 gezeigte, erfindungsgemäße, Rotormagnet 11 mit dem sinusförmigen Flussdichteverlauf 14 an seiner umfänglichen Oberfläche hergestellt werden. Der in 2 gezeigte Flussdichteverlauf 14 entspricht also dem innerhalb der Magnetisierungseinrichtung 22 und innerhalb des Spritzgusswerkzeugs 12 aufgeprägten Flussdichteverlauf an der Oberfläche des Rotormagneten 11, wie er auch in 3 dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsmotor
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Statorpol
- 5
- Polschuh
- 6
- axiale Nut
- 7
- Schenkel
- 8
- Statorwicklung
- 9
- Rotorkörper
- 10
- Welle
- 11
- Rotormagnet
- 12
- Spritzgusswerkzeug
- 13
- Ausrichtmagnete
- 14
- Flussdichteverlauf
- 15
- innerer Teil
- 16
- Spritzgusskammer
- 17
- äußerer Teil
- 18
- Permanentmagnet
- 19
- Magnetpol
- 20
- Sternspitze
- 21
- Feldlinien
- 22
- Magnetisierungsrichtung
- 23
- Ausnehmungen
- R1
- Wicklungsrichtung
- R2
- Wicklungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004018963 B4 [0008]
- AT 507023 B1 [0008]
