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Die Erfindung betrifft eine Statoranordnung in einem elektrisch mit mehreren Phasen angesteuerten Antriebsmotor, welcher einen mehrere Statorzähne aufweisenden Stator umfasst, wobei jeder Statorzahn je eine Statorwicklung aufweist und mehrere Statorwicklungen zu einer Motorphase zusammengeschaltet sind, welche mit einer der mehreren ansteuernden Phasen elektrisch leitend verbunden ist und wobei die Statorzähne eine zu einem Rotor gerichtete Zahnoberfläche aufweisen.
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Antriebsmotoren, welche elektrisch mit mehreren Phasen ansteuerbar sind, werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Diese Motoren weisen oft einen Stator mit mehreren Statorzähnen und einen in einer Drehachse gelagerten Rotor auf. Die zum Rotor hin orientierten Oberflächen der Statorzähne sind durch einen sogenannten Luftspalt von der Oberfläche des Rotors beabstandet angeordnet. Auf den Statorzähnen wird jeweils eine Statorwicklung angeordnet, wobei diese Statorwicklung mit einer der beispielsweise drei ansteuernden Phasen nach einem festgelegten Schema elektrisch leitend verbunden ist. Somit bilden mehrere Statorwicklungen mehrerer Statorzähne eine sogenannte Motorphase, welche mit einer der mehreren Phasen, welche den Motor ansteuern, verbunden ist. Die Anzahl der mehreren den Antriebsmotor von außen ansteuernden Phasen stimmt dabei mit der Anzahl der im Antriebsmotor gebildeten Motorphasen überein. Derartige Antriebsmotoren, welche beispielsweise über drei ansteuernde Phasen und drei Motorphasen verfügen, werden beispielsweise auch in elektrischen Klimakompressoren in Hybrid- und Elektrofahrzeugen eingesetzt.
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Nach dem bekannten Stand der Technik wird versucht, den Luftspalt, also den Abstand zwischen der Rotoroberfläche und den Zahnoberflächen der Statorzähne, gleichmäßig und klein zu gestalten. Somit entsteht eine gerundete Zahnoberfläche, welche an den gerundeten Verlauf der Rotoroberfläche angepasst ist.
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Problematisch an der Ausführung dieser Antriebsmotoren ist es, dass Oberwellen des drehmomentbildenden magnetischen Flusses im Luftspalt zwischen Stator- und Rotoroberfläche zu starken Vibrationen und damit zu einer Geräuschanregung im elektrischen Motor führen.
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Eine derartige Erzeugung von Geräuschen und Vibrationen, welche auch als Noise, Vibration, Harshness oder NVH bekannt ist, wird insbesondere in Kraftfahrzeugen als sehr störend empfunden. Fahrzeughersteller und Zulieferer sind bemüht, derartige hörbare und fühlbare Schwingungen zu vermeiden, da die Wahrnehmung derartiger Störungen, insbesondere durch den Fahrer des Fahrzeuges, den Gesamteindruck des Produkts wesentlich beeinflusst. Überschreitet das Maß der Geräusche und Vibrationen eine sogenannte Toleranzschwelle kann dies auch zu Reklamationen durch den Kunden führen, welche natürlich vermieden werden sollen.
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Aus der
JP 002005278268 A ist eine Stator-Rotoranordnung in einem Antriebsmotor bekannt, welche zur Verringerung der auftretenden Geräusche und Vibrationen eine Begradigung der Oberflächen der Statorzähne vorschlägt. Diese Lösung bietet aber keine ausreichende Reduzierung der Geräusch- und Vibrationsbildung nach aktuellen Erfordernissen.
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Aus der
US 2006 279158 A ist ein Permanentmagnetmotor mit einem Rotor mit darin angeordneten Permanentmagneten und einem Stator bekannt, wobei eine äußere Umfangsoberfläche des Rotors einer inneren Umfangsoberfläche des Stators gegenüberliegt. Vorgesehen ist, dass die äußere Umfangsfläche des Rotors und/oder die innere Umfangsfläche des Stators in einer radialen Richtung in ihren Oberflächen variiert werden. Insbesondere eine Variation beider Oberflächen stellt einen erhöhten Aufwand bei der Fertigung des Permanentmagnetmotors dar.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Statoranordnung anzugeben, welche eine verbesserte Reduzierung der im laufenden Betrieb eines Antriebsmotors auftretenden Geräusche und Vibrationen ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.
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Vorgesehen ist es, eine Verbesserung des NVH Verhaltens eines mehrphasigen, elektrisch angesteuerten Antriebsmotors, welcher beispielsweise in einem elektrischen Kältemittelverdichter eingesetzt wird, durch eine Änderung der Geometrie der Zahnoberfläche eines oder mehrerer Statorzähne jeder Motorphase zu erreichen. Zu diesem Zweck wird an mindestens einem Statorzahn, welcher zu einer Motorphase des elektrisch angesteuerten mehrphasigen Antriebsmotors zugehörig ist, eine Änderung der Zahnoberfläche derart vorgenommen, dass diese Zahnoberfläche sowohl mindestens einen ersten plangeformten Oberflächenbereich als auch maximal einen zweiten eine Rundung aufweisenden Oberflächenbereich umfasst.
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Im Falle eines dreiphasig angesteuerten Antriebsmotors wird diese erfindungsgemäße Gestaltung der Zahnoberfläche an mindestens drei Statorzähnen, welche jeweils zu einer anderen Phase zugehörig sind, vorgenommen. Mit dieser Zugehörigkeit ist gemeint, dass ein erster Statorzahn mit einer ersten Statorwicklung versehen ist, welche elektrisch mit der ersten Phase verbunden wird und dass ein zweiter Statorzahn mit einer zweiten Statorwicklung versehen ist, welche elektrisch mit der zweiten Phase verbunden wird und so weiter. Wie im Stand der Technik üblich, kann eine Phase mit mehreren Wicklungen, welche auf mehreren Statorzähnen aufgebracht sind, verbunden sein.
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Vorgesehen ist es auch, dass eine Zahnoberfläche eines Statorzahns im Wesentlichen zu einer Oberfläche des Rotors des Antriebsmotors hin ausgerichtet ist.
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Wesentlich ist es, dass der Anteil des ersten plan ausgeführten Oberflächenbereichs, welcher senkrecht zu einer Mittelachse des Statorzahns ausgerichtet ist, zwischen mindestens 45% und gleich kleiner 80% der gesamten direkten Länge (Gesamtlänge) des Statorzahns beträgt.
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Die Anzahl der erfindungsgemäß gestalteten Statorzähne wird im Verhältnis zur Anzahl der Motorphasen mittels einer Multiplikation der Anzahl der Phasen mit einer ganzen Zahl im Bereich gleich größer als eins gebildet. Bei einem dreiphasig angesteuerten Antriebsmotor werden somit minimal drei Statorzähne mit der erfindungsgemäß gestalteten Zahnoberfläche ausgeführt. Alternativ können beispielsweise auch sechs, neun, zwölf, .... usw. Statorzähne mit der erfindungsgemäß gestalteten Zahnoberfläche ausgeführt werden.
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Vorgesehen ist es, dass der zweite eine Rundung aufweisende Oberflächenbereich mit einer konkaven Rundung ausgeführt ist und dass diese konkave Rundung einen Radius r aufweist, wobei der Radius r seinen Mittelpunkt in der Rotationsachse des Stators hat.
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Die Oberfläche des Statorzahns kann, bezogen auf eine Mittelachse des Statorzahns, symmetrisch ausgeführt sein. Hierbei wird der zweite eine Rundung aufweisende Oberflächenbereich derart in der Mitte der Zahnoberfläche angeordnet, dass er zur Mittelachse hin symmetrisch ausgerichtet ist. Weiterhin wird an beiden Enden des zweiten eine Rundung aufweisenden Oberflächenbereichs je ein erster plangeformter Oberflächenbereich angeordnet, wobei die Gesamtsymmetrie der Zahnoberfläche eingehalten wird.
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Alternativ wird die Oberfläche des Statorzahns bezogen auf die Mittelachse des Statorzahns unsymmetrisch ausgeführt. In diesem Fall ist es vorgesehen, nur einen ersten plangeformten Oberflächenbereich und nur einen zweiten eine Rundung aufweisenden Oberflächenbereich auf der Zahnoberfläche anzuordnen. Dabei ist die Lage der Oberflächenbereiche zueinander frei wählbar.
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Vorgesehen ist es, dass zwischen einer Oberfläche des Rotors des Antriebsmotors und dem zweiten eine Rundung aufweisenden Oberflächenbereich ein gleichmäßiger Spalt ausgebildet ist. Diese Oberflächen haben einen zueinander angepassten Verlauf.
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Vorgesehen ist es weiterhin, dass die mit der erfindungsgemäßen Zahnoberfläche ausgeführten Statorzähne entlang des Umfangs des Stators in gleichen Abständen zueinander angeordnet werden. So werden beispielsweise drei derartige Statorzähne, welche zu drei verschiedenen Phasen zugehörig sind, in einem Winkel von 120 Grad zueinander ausgerichtet angeordnet. Bei beispielsweise sechs derartigen Statorzähnen beträgt der Winkel zwischen zwei benachbarten Statorzähnen noch 60 Grad, wobei jeweils zwei Statorzähne zu einer der drei Phasen zugehörig sind.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Statorzahns mit zwei plangeformten Oberflächenbereichen und einem eine Rundung aufweisenden Oberflächenbereich,
- 2: eine zweite Ausführung der Erfindung mit einem plangeformten Oberflächenbereich und einem eine Rundung aufweisenden Oberflächenbereich und
- 3: eine alternative Ausführung der Erfindung mit einem plangeformten Oberflächenbereich und einem eine Rundung aufweisenden Oberflächenbereich.
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In der 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Statorzahns 2 einer Statoranordnung 1 dargestellt. Der Statorzahn 2 weist auf seiner Zahnoberfläche 5, welche zum Rotor 4 des Antriebsmotors hin ausgerichtet ist, zwei erste plangeformte Oberflächenbereiche 6a und 6b sowie einen zweiten eine Rundung aufweisenden Oberflächenbereich 7 auf.
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In der 1 ist nur ein Ausschnitt des Stators 3 der Statoranordnung 1 mit einem Statorzahn 2 dargestellt, wobei der Stator 3 mehrere über den Umfang des Stators 3 verteilte Statorzähne 2 aufweist. Der dargestellte Statorzahn 2 ist beispielsweise zu einer ersten Phase des Antriebsmotors zugeordnet, das heißt seine in der 1 nicht dargestellte Statorwicklung ist mit der ersten Phase des Antriebsmotors elektrisch verbunden. Diese erste Phase des Antriebsmotors kann mit weiteren Statorwicklungen auf weiteren Statorzähnen 2 verbunden sein.
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Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, mindestens einen Statorzahn 2 je Phase des Antriebsmotors so zu gestalten, wie es in den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 gezeigt ist. Somit werden beispielsweise bei einem dreiphasig angesteuerten Antriebsmotor mindestens drei Statorzähne 2, also einer je Phase, den erfindungsgemäßen Aufbau auf der Zahnoberfläche 5 aufweisen.
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Vorgesehen ist es auch, dass die Anzahl der erfindungsgemäß gestalteten Statorzähne 2 ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Phasen des Antriebsmotors beträgt. Bei einem dreiphasig angesteuerten Antriebsmotor können als drei, sechs, neun, .... usw. Statorzähne 2 mit einer entsprechend der Erfindung modifizierten Zahnoberfläche 5 ausgeführt werden.
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In der 1 ist die Gesamtlänge 9 der Zahnoberfläche 5 des Statorzahns 2 dargestellt, welche sich in der Rotationsrichtung 13 des Rotors 4, welcher nur als Rotorabschnitt dargestellt ist, erstrecken soll. Ebenfalls in dieser Erstreckung ausgerichtet sind die zwei Längen 10a und 10b der beiden ersten plangeformten Oberflächenbereiche 6a und 6b dargestellt.
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Vorteilhaft ist es, dass das Verhältnis der Summe der Längen 10a und 10b der beiden ersten plangeformten Oberflächenbereiche 6a und 6b zur Gesamtlänge 9 einen Wert zwischen mehr als 0,45 und maximal 0,8 aufweist. Das heißt die Summe der Längen 10a plus 10b beträgt mindestens mehr als 0,45-mal die Gesamtlänge 9 und maximal 0,8-mal die Gesamtlänge 9. Die Gesamtlänge 9 kann auch als direkte Länge bezeichnet werden.
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Da sich die Zahnoberfläche 5 eines Statorzahns 2 bezogen auf die Darstellungen in den 1 bis 3 in die Tiefe der jeweiligen Figur erstreckt, kann die beschriebene Dimensionierung auch auf die Oberflächenbereiche 6a und 6b angewandt werden. Somit liegt der Anteil des ersten plangeformten Oberflächenbereichs 6, welcher sich in der 1 aus den Teilbereichen 6a und 6b zusammensetzt, bezogen auf die gesamte Zahnoberfläche 5 des Statorzahns 2 im Bereich von mehr als 45% bis maximal 80%. Eventuelle Ungenauigkeiten, hervorgerufen durch den mit einer Rundung ausgeformten zweiten Oberflächenbereich 7, können vernachlässigt werden.
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Die Beziehungen der Längen (direkte Länge oder Gesamtlänge in Rotationsrichtung
13 zur Länge des ersten plangeformten Oberflächenbereichs) zueinander können beispielsweise wie nachfolgend beschrieben werden:
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Hierbei stellt a die Länge 10a des Oberflächenbereichs 6a und b die Länge 10b des Oberflächenbereichs 6b dar.
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In der 1 ist ein zweiter eine Rundung aufweisender Oberflächenbereich 7 in der Mitte zwischen dem planen Oberflächenbereich 6a und 6b angeordnet. Die Zahnoberfläche 5 ist in diesem Fall symmetrisch ausgeführt, bezogen auf eine Mittelachse 8 des Statorzahns 2.
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Wie in der 1 dargestellt ist, kann der Verlauf des eine Rundung aufweisenden Oberflächenbereichs 7 an den Verlauf der Oberfläche des Rotors 4 angepasst werden. Die Oberfläche des Rotors 4 und der Oberflächenbereich 7 verlaufen gleich beabstandet zueinander. Der sich zwischen diesen Oberflächen ergebende Spalt 11 ist im Bereich des zweiten Oberflächenbereichs 7 gleich groß.
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Die Erfindung sieht es weiterhin vor, dass die ersten plangeformten Oberflächenbereiche 6a und 6b senkrecht zur Mittelachse 8 des Statorzahns 2 ausgerichtet angeordnet werden. Dies ist mit dem Zeichen für einen rechten Winkel in den 1 bis 3 dargestellt.
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Durch die oben beschriebene Dimensionierung der Längen bzw. der Oberflächen wird sichergestellt, dass ein Teil des ersten plangeformten Oberflächenbereichs 6a und/oder 6b innerhalb der Breite 12 des Statorzahns 2 angeordnet wird und nicht erst in der Verbreiterung des Statorzahns in der Nähe der Rotoroberfläche. Hieraus ergibt sich eine Verbesserung bei der Minderung der Geräuschbildung durch den Antriebsmotor.
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Wie im Stand der Technik üblich, kann ein Statorzahn 2 aus mehreren Ebenen oder Lagen eines metallischen Materials in einem Paket, welches mehrere gleich ausgestanzte Bleche beinhaltet, aufgebaut sein. Die Zahnoberfläche 5 des Statorzahns 2 wird in diesem Fall durch die Teiloberflächen der einzelnen Lagen ausgebildet, was keinen Einfluss auf die vorliegende Erfindung hat.
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In der 2 ist eine zweite Ausführung der Erfindung mit einem ersten plangeformten Oberflächenbereich 6 und einem zweiten eine Rundung aufweisenden Oberflächenbereich 7 dargestellt. In der Darstellung der 2 ist der zweite eine Rundung aufweisende Oberflächenbereich 7 rechts vom ersten plangeformten Oberflächenbereich 6 angeordnet.
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Ein weiterer Unterschied zur 1 besteht darin, dass nur ein erster plangeformter Oberflächenbereich 6 auf der Zahnoberfläche 5 des Statorzahns 2 angeordnet ist.
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Auch in dieser Ausführung ist es vorgesehen, dass der Anteil des ersten plangeformten Oberflächenbereichs 6 bezogen auf die gesamte Zahnoberfläche 5 des Statorzahns 2 im Bereich von etwa mehr als 45% bis maximal 80% liegt. Somit liegt die Länge 10 des ersten plangeformten Oberflächenbereichs in Rotationsrichtung 13 in einem Bereich zwischen mehr als 0,45-mal und maximal 0,8-mal der Gesamtlänge 9 bzw. der direkten Länge, ebenfalls in Rotationsrichtung 13 gesehen. Somit gilt 0,45*Gesamtlänge 9 < Oberflächenbereich 6 ≤ 0,8*Gesamtlänge 9.
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Die Erfindung sieht es vor, dass der Verlauf des eine Rundung aufweisenden Oberflächenbereichs 7 an den Verlauf der Oberfläche des Rotors 4 angepasst ist, wie in der 2 gezeigt wird. Die Oberflächen, Oberfläche des Rotors 4 und Oberflächenbereich 7, verlaufen somit parallel zueinander bzw. der Abstand der Oberflächen zueinander, beispielhaft durch den Spalt 11 dargestellt, ist in jedem sich gegenüberliegenden Punktepaar gleich groß.
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Vorgesehen ist es auch, dass der erste plangeformte Oberflächenbereich 6 senkrecht zur Mittelachse 8 des Statorzahns 2 ausgerichtet angeordnet wird.
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Die Beziehungen der Längen (direkte Länge oder Gesamtlänge
9 in Rotationsrichtung
13 zur Länge des ersten plangeformten Oberflächenbereichs) zueinander können beispielsweise wie nachfolgend beschrieben werden:
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Hierbei stellt a die Länge 10 des Oberflächenbereichs 6 dar.
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In der 3 ist eine alternative dritte Ausführung der Erfindung mit einem ersten plangeformten Oberflächenbereich 6 und einem zweiten eine Rundung aufweisenden Oberflächenbereich 7 dargestellt. Im Gegensatz zur Ausführung in der 2 ist in der Darstellung der 3 der zweite eine Rundung aufweisende Oberflächenbereich 7 links vom ersten plangeformten Oberflächenbereich 6 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Statoranordnung
- 2
- Statorzahn
- 3
- Stator (Statorabschnitt)
- 4
- Rotor (Rotorabschnitt)
- 5
- Zahnoberfläche
- 6, 6a, 6b
- erster plangeformter Oberflächenbereich
- 7
- zweiter eine Rundung aufweisender Oberflächenbereich
- 8
- Mittelachse des Statorzahns
- 9
- Gesamtlänge (direkte Länge) in Rotationsrichtung
- 10, 10a, 10b
- Länge des ersten plangeformten Oberflächenbereichs in Rotationsrichtung
- 11
- Spalt
- 12
- Breite des Statorzahns
- 13
- Rotationsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 002005278268 A [0006]
- US 2006279158 A [0007]
