DE102018116987A1

DE102018116987A1 - Rotoreinheit für einen bürstenlosen Elektromotor mit einstückigen Magnetflussleitern

Info

Publication number: DE102018116987A1
Application number: DE102018116987.6A
Authority: DE
Inventors: Pascual Guardiola
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-01-16
Also published as: CN112400270A; US20220200376A1; WO2020012274A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotoreinheit (1) für einen bürstenlosen Elektromotor aufweisend
- einen ringförmigen Rotorkern (3), der eine Mittelachse (2) umgibt,
- eine Mehrzahl von Permanentmagneten (7), die in einer Umfangsrichtung der Rotoreinheit (1) um den Rotorkern (3) herum angeordnet sind, und die jeweils eine plane äußere Anlagefläche (9), eine plane innere Anlagefläche (8), zwei axiale Stirnflächen (12) und zwei Seitenflächen (10, 11) aufweisen,
- eine Mehrzahl an Magnetflussleitern (14), wobei jeweils ein Magnetflussleiter (14) einem Permanentmagneten (7) zugewiesen ist, und wobei die Magnetflussleiter (14) jeweils eine konvexe äußere Umfangsfläche (16) und eine plane innere Anlagefläche (15) aufweisen, wobei die plane innere Anlagefläche (15) des jeweiligen Magnetflussleiters (14) in Anlage mit der planen äußeren Anlagefläche (9) des entsprechenden Permanentmagnetes (7) steht, wobei die Magnetflussleiter (14) jeweils einstückig ausgeformt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoreinheit für einen bürstenlosen Elektromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie einen bürstenlosen Elektromotor.
Aus dem Stand der Technik sind Elektromotoren bekannt, bei denen der Rotor Permanentmagnet trägt. Die Permanentmagnete sind um einen Rotorkern herum angeordnet und sitzen auf dessen Außenseite. Der Rotor definiert die geometrischen Achsen und Richtungen, die auch in dieser Beschreibung und den Patentansprüchen verwendet werden sollen. Eine Mittelachse fällt mit der Symmetrieachse des Rotors zusammen und stellt in dem Elektromotor auch die Drehachse des Rotors dar. In Richtung der Drehachse verläuft die Axialrichtung der Anordnung. Die Radialrichtung ist durch zunehmenden Abstand von der Mittelachse gekennzeichnet. Die Permanentmagnete des Rotors liegen also in Radialrichtung außen. Tangential zu dem Rotor verläuft die Umfangsrichtung, an der jeder Richtungsvektor senkrecht zu einem Radius der Anordnung ausgerichtet ist.
Der Elektromotor weist nach dem Stand der Technik außerdem einen radial außerhalb des Rotors angeordneten Stator auf, der den Rotor außen ringförmig umgibt. Der Stator enthält eine Anzahl von Elektromagneten, die im Allgemeinen von einem Eisenkern und einer Wicklung gebildet werden. Eine geeignete Bestromung der Wicklungen des Stators erzeugt ein drehendes Feld, das entsprechend ein Drehmoment in dem Rotor erzeugt. Der Stator ist in einem Motorgehäuse angeordnet, in dem der Rotor mit seiner Motorwelle drehbar gelagert ist.
Die Permanentmagnete des Rotors sind üblicherweise aus einem spröden Material gefertigt. Die Magnete sind nicht mit dem Rotorkern verschraubt, sondern sitzen auf nach außen weisenden Planflächen des Rotorkerns, wo sie von einem Magnethalter mechanisch gehalten werden. Die Permanentmagnete des Rotors sind dabei auf der Innenseite plan ausgestaltet und liegen in Anlage mit dem Rotor. Auf der Außenseite sind die Permanentmagnete konvex ausgeformt. Die Konvexität bringt den Vorteil, dass das Magnetfeld zum Stator hin auf einen in Umfangsrichtung kleinen Bereich fokussiert wird und somit dort eine höhere Magnetflussdichte aufweist. Wirbelstromverluste können so reduziert werden.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2006 056 882 A1 ist bekannt die Permanentmagnete des Rotors quaderförmig auszuformen und in Taschen eines lamellenförmigen Rotorkerns zu platzieren. Der Rotorkern umschließt die darin aufgenommen Magnete ringsherum und ist auf der Außenseite in den Bereichen der Taschen konvex ausgeformt. Dies hat den Vorteil, dass die spröden Magnete einfacher herzustellen sind. Außerdem werden durch das Blechpaket Wirbelstromverluste zwischen den Magneten und dem umgreifenden Stator reduziert. Die Herstellung des Rotorkerns mit den Taschen ist allerdings relativ aufwendig, was unerwünschte Kosten verursacht.
DE 10 2011 079 245 A1 offenbart Aufnahmetaschen für Permanentmagnete, die in Radialrichtung einseitig offen ausgebildet sind, was die Möglichkeit eröffnet, die Magnete in Radialrichtung von außen in die Aufnahmetaschen am Lamellenpaket des Rotorkerns einzusetzen. Auf der der Aufnahmetasche abgewandten Seite sind Träger von Lamellensegmenten vorgesehen, die zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten beitragen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotoreinheit und einen Elektromotor zu schaffen, bei denen der Rotor besonders einfach und kostengünstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird von einer Rotoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Elektromotor mit einer solchen Rotoreinheit gelöst.
Demnach ist eine Rotoreinheit für einen bürstenlosen Elektromotor aufweisend

- einen ringförmigen Rotorkern, der eine Mittelachse umgibt,
- eine Mehrzahl von Permanentmagneten, die in einer Umfangsrichtung der Rotoreinheit um den Rotorkern herum angeordnet sind, und die jeweils eine plane äußere Anlagefläche, eine plane innere Anlagefläche, zwei axiale Stirnflächen und zwei Seitenflächen aufweisen, - eine Mehrzahl an Magnetflussleitern, wobei jeweils ein Magnetflussleiter einem Permanentmagneten zugewiesen ist, und wobei die Magnetflussleiter jeweils eine konvexe äußere Umfangsfläche und eine plane innere Anlagefläche aufweisen, wobei die plane innere Anlagefläche des jeweiligen Magnetflussleiters in Anlage mit der planen äußeren Anlagefläche des entsprechenden Permanentmagnetes steht, vorgesehen, wobei die Magnetflussleiter jeweils einstückig ausgeformt sind.

Die Herstellung der Magnetflussleiter kann dadurch besonders einfach und kostengünstig erfolgen, vorzugsweise in einem Strangpressverfahren.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Magnetflussleiter aus weichem Stahl mit hohem Eisengehalt gefertigt sind, welcher sich besonders einfach verarbeiten lässt.
Vorzugsweise weist die Rotoreinheit einen Magnethalter auf, der eine Anzahl von Halteabschnitten aufweist, die jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Permanentmagneten und Magnetflussleitern angeordnet sind und die an einem Boden des Magnethalters angeformt sind, und die die Magnetflussleiter an den Permanentmagneten in Radialrichtung halten.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Halteabschnitte einen Schaftabschnitt und einen Kopfabschnitt aufweisen, wobei die Schaftabschnitte in einem Querschnitt entlang einer quer zu der Mittelachse verlaufenden Ebene T-förmig ausgebildet sind, so dass die Schaftabschnitte die Lage der Permanentmagneten und der Magnetflussleiter in Radialrichtung fixieren.
Vorzugsweise ist der Magnethalter in einem Spritzgießverfahren an den Rotorkern angespritzt.
Die Schaftabschnitte greifen bevorzugt zumindest teilweise in axial verlaufende Nuten des Rotorkerns ein.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Kopfabschnitte in korrespondierende Ausnehmung des Rotorkerns, die im Bereich der Stirnfläche des Rotorkerns angeordnet sind, eingreifen und somit eine Lage des Magnethalters gegenüber dem Rotorkern in axialer Richtung definieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotorkern einstückig ausgebildet und insbesondere im Kaltpressverfahren hergestellt.
Die Permanentmagnete sind vorzugsweise quaderförmig ausgebildet, was die Herstellung deutlich vereinfacht.
Die Aufgabe wird auch von einem bürstenlosen Elektromotor mit einem Stator, einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Motorwelle, und mit einer auf der Motorwelle befestigten Rotoreinheit mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen und Vorteilen gelöst. Ein solcher Elektromotor ist einfacher zu fertigen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleichen Funktionen tragen gleiche Bezugszeichen. Es zeigen:

1: eine erfindungsgemäße Rotoreinheit in einer Draufsicht in Richtung der Mittelachse,
2: die Rotoreinheit aus 1 in einer perspektivischen Darstellung, sowie
3: einen Elektromotor mit einer erfindungsgemäßen Rotoreinheit.

Die 1 und 2 zeigen eine Rotoreinheit 1 mit einer Mittelachse 2, die mit einer vorgesehenen Drehachse der Rotoreinheit 1 zusammenfällt. Die Rotoreinheit 1 weist einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Rotorkern 3 auf, der eine Mittelbohrung 4 zur Aufnahme einer nicht dargestellten Motorwelle aufweist. Der Rotorkern ist ein Innenläufer-Rotorkern und Teil eines als Innenläufer ausgebildeten, bürstenlosen Elektromotors. An seiner Außenseite weist der Rotorkern 3 flache Außenflächen 5 auf, und zwar in diesem Ausführungsbeispiel insgesamt acht Außenflächen 5, die jeweils die gleiche Größe und die gleiche Form aufweisen, und die in gleichförmigen Winkelabstand entlang der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 3 verteilt sind. Der Rotorkern 3 ist einstückig hergestellt. Er besteht also nicht aus mehreren, aufeinanderliegenden Lamellen, beziehungsweise er liegt nicht als geschichteter Kern vor. Er ist aus einem Werkstück gebildet. Er besteht bevorzugt aus einem weichen Stahl mit hohem Eisengehalt und ist bevorzugt im Kaltpressverfahren hergestellt. Zwischen jeweils zwei Außenflächen 5 ist eine nicht dargestellt Nut vorgesehen, die von außen in Radialrichtung in die Kante eingeformt ist, die die beiden aneinander angrenzenden Außenflächen 5 in diesem Bereich bilden. Die Nut ist radial nach außen hin offen und verläuft parallel zu der Mittelachse 2. An den Außenflächen 5 liegen insgesamt acht quaderförmige Permanentmagnete 7 an, die einen rechteckigen Querschnitt mit einer inneren planen Anlagefläche 8, einer äußeren planen Anlagefläche 9, und zwei planen Seitenflächen 10,11 aufweisen. Die innere Anlagefläche 8 der Permanentmagnete 7 weist radial nach innen zu dem Rotorkern 3 und die äußere Anlagefläche 9 liegt der inneren Anlagefläche gegenüber und weist radial nach außen, von dem Rotorkern 3 weg. Die Seitenflächen 10,11 erstrecken sich in radialer Richtung, senkrecht zu den Anlageflächen 8,9. Schließlich weisen die Permanentmagnete 7 noch axiale Stirnflächen 12 auf. Die Permanentmagnete 7 sind bevorzugt aus Neodym oder Ferriten hergestellt und werden vorzugsweise in einem Sinterprozess gefertigt.
An den äußeren Anlageflächen 9 der Permanentmagnete liegen jeweils Magnetflussleiter 14 an, die jeweils die gleiche Größe und die gleiche Form aufweisen, und die in gleichförmigen Winkelabstand entlang der äußeren Umfangsfläche des Rotorkerns 3 verteilt sind. Die Magnetflussleiter 14 weisen jeweils eine plane Anlagefläche 15 auf, sowie eine konvexe äußere Umfangsfläche 16 und Seitenflächen 17 und 18. Die plane Anlagefläche 15 der Magnetflussleiter weist radial nach innen zu dem Rotorkern 3 und die konvexe äußere Umfangsfläche 16 weist radial nach außen von dem Rotorkern 3 weg. Die Seitenflächen 17 und 18 der Magnetflussleiter erstrecken sich in etwa jeweils in Radialrichtung und liegen sich in Umfangsrichtung gegenüber. Schließlich weisen die Magnetflussleiter 14 noch axiale Stirnflächen 19, 20 auf. Die Magnetflussleiter 14 liegen mit ihrer planen Anlagefläche 15 in Anlage mit der äußeren Anlagefläche 9 der Permanentmagnete und erstrecken sich über einen Bereich von wenigstens 80% der Breite der äußeren Anlagefläche in Umfangsrichtung. In Axialrichtung weisen die Permanentmagnete und die Magnetflussleiter bevorzugt dieselbe Länge auf. Der Radius der Konvexität der äußeren Umfangsfläche 16 des Magnetflussleiters 14 ist kleiner als oder gleich wie der Radius der Einhüllenden des Rotorkerns, insbesondere mindestens halb so groß wie der Radius der Einhüllenden. Die Magnetflussleiter 14 sind bevorzugt aus einem weichen Stahl mit einem hohen Eisengehalt gefertigt. Die Magnetflussleiter 14 sind dabei vorzugsweise einstückig, bestehen also nicht aus mehreren, aufeinanderliegenden Lamellen. Sie werden aus einem Werkstück, vorzugsweise in einem Strangpressverfahren hergestellt und auf ihre sich in Axialrichtung erstreckende Länge zugeschnitten. Die Seitenflächen 17,18 der Magnetflussleiter 14 werden durch Entgraten der Kanten gebildet. Das macht die Herstellung der Magnetflussleiter besonders einfach.
Die Magnetflussleiter sind dazu vorgesehen, die mittels der Permanentmagnete erzeugten Magnetflüsse zu beeinflussen. Durch die Konvexität der Magnetflussleiter wird der Magnetfluss so fokussiert, dass sich ein begrenzter Bereich mit höherer Flussdichte in Radialrichtung nach außen, von dem Rotorkern weggehend, ausformt.
Die Permanentmagnete 7 und Magnetflussleiter 14 werden an dem Rotorkern 3 mittels eines Magnethalters 21 gehalten. Der Magnethalter 21 besteht bevorzugt aus einem spritzfähigen Kunststoff, vorzugsweise Polybutylenterephthalat mit 30% Glasfaser (PBT 30) oder Polyamid (PA), und wird vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren hergestellt. Der Magnethalter 21 weist Halteabschnitte 22 auf, die jeweils einen Schaftabschnitt 23 und einen Kopfabschnitt 24 aufweisen, wobei der Schaftabschnitt 23 mittel eines Stegs in die Nut des Rotorkerns hinein reicht und dort formschlüssig gehalten ist. Die Schaftabschnitte 23 der Halteabschnitte 22 gehen senkrecht von einem ringförmigen Boden 25 des Magnethalters 21 ab. Die Halteabschnitte 22 sind dabei außen an dem Boden 25 angeformt. Der Boden 25 ist so dimensioniert, dass der Rotorkern 3, die Permanentmagnete 7 und die Magnetflussleiter 14 mit ihrer einen Stirnseite zumindest teilweise auf dem Boden 25 aufliegen. Der Kopfabschnitt 24 ist an der bodenfernen Seite des Schaftabschnitts 23 angeformt und erstreckt sich in Radialrichtung der Anordnung, von dem Schaftabschnitt 23 in Richtung des Rotorkerns 3. Die Permanentmagnete 7 und die Magnetflussleiter 14 werden von den Halteabschnitten 22 in Umfangsrichtung der Rotoreinheit 1 fixiert, indem sie mit ihren Seitenflächen an dem jeweils benachbarten Schaftabschnitt 23 anliegen. In Radialrichtung nach außen werden die Permanentmagnete 7 und die Magnetflussleiter 14 ebenfalls von den Schaftabschnitten 23 gehalten. Die Schaftabschnitte 23 weisen dafür einen Sitz für die Permanentmagnete 7 und einen Sitz für die Magnetflussleiter 14 auf. Die Schaftabschnitte 23 sind dafür im Querschnitt im Wesentlichen T-förmig ausgeformt, wobei der sich in Radialrichtung erstreckende Teil in die Nut des Rotorkerns greift und der sich in Umfangsrichtung erstreckende Teil die Magnetflussleiter 14 und die Permanentmagnete 7 in Radialrichtung in Position hält. Der Kopfabschnitt 24 greift in eine korrespondierende Ausnehmung 26 des Rotorkerns 3, die im Bereich der Stirnfläche des Rotorkerns 3 angeordnet ist und bildet somit eine Fixierung des Magnethalters 21 gegenüber dem Rotorkern 3 in axialer Richtung mit Hilfe des Bodens 25 des Magnethalters 21. Der Kopfabschnitt 24 ist weiterhin in radialer Richtung derart ausgeformt, dass er in Hinterschnitte der Ausnehmung greift und somit den Magnethalter 21 an dem Rotorkern 3 zusätzlich in Radialrichtung fixiert. Die Permanentmagnete 7 werden in den Magnethalter 21 in Richtung auf den Boden 25 zugehend hereingeschoben. Die Schaftabschnitte 23 dienen dabei als Führung. Der Boden 25 als Anschlag in axialer Richtung. Nachdem die Permanentmagnete 7 eingesetzt wurden, werden die Magnetflussleiter 21 in der gleichen Richtung eingeschoben, auch hier dienen die Schaftabschnitte 23 als Führung und der Boden 25 als Anschlag. Zum Schluss wird eine nicht dargestellte Hülse auf die Rotoranordnung in Richtung auf den Boden zugehend aufgeschoben, die die Stirnflächen der Elemente 7,14,3 auf der bodenabgewandten Seite überdeckt und somit die Lage der Permanentmagnete 7 und der Magnetflussleiter 14 in Axialrichtung mit Hilfe des Bodens 25 relativ zu dem Magnethalter 21 fixiert.
3 zeigt einen Elektromotor 27 in einer Querschnittsdarstellung mit erfindungsgemäßer Rotoreinheit 1. Der Elektromotor 27 umfasst den Stator 28. Innerhalb des Stators 28 ist die Rotoreinheit 1 in an sich bekannter Weise drehbar gelagert. Die Anordnung ist umgeben von einem Motorgehäuse 29, dass Wälzlager 30 zur drehbaren Lagerung der Rotoreinheit 1 trägt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006056882 A1 [0005]
DE 102011079245 A1 [0006]

Claims

Rotoreinheit (1) für einen bürstenlosen Elektromotor aufweisend - einen ringförmigen Rotorkern (3), der eine Mittelachse (2) umgibt, - eine Mehrzahl von Permanentmagneten (7), die in einer Umfangsrichtung der Rotoreinheit (1) um den Rotorkern (3) herum angeordnet sind, und die jeweils eine plane äußere Anlagefläche (9), eine plane innere Anlagefläche (8), zwei axiale Stirnflächen (12) und zwei Seitenflächen (10, 11) aufweisen, - eine Mehrzahl an Magnetflussleitern (14), wobei jeweils ein Magnetflussleiter (14) einem Permanentmagneten (7) zugewiesen ist, und wobei die Magnetflussleiter (14) jeweils eine konvexe äußere Umfangsfläche (16) und eine plane innere Anlagefläche (15) aufweisen, wobei die plane innere Anlagefläche (15) des jeweiligen Magnetflussleiters (14) in Anlage mit der planen äußeren Anlagefläche (9) des entsprechenden Permanentmagnetes (7) steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflussleiter (14) jeweils einstückig ausgeformt sind.
Rotoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflussleiter (14) in einem Strangpressverfahren hergestellt sind.
Rotoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflussleiter (14) aus weichem Stahl mit hohem Eisengehalt gefertigt sind.
Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoreinheit (1) einen Magnethalter (21) aufweist, der eine Anzahl von Halteabschnitten (22) aufweist, die jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Permanentmagneten (7) und Magnetflussleitern (14) angeordnet sind und die an einem Boden (25) des Magnethalters (21) angeformt sind, und die die Magnetflussleiter (14) an den Permanentmagneten (7) in Radialrichtung halten.
Rotoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteabschnitte (22) einen Schaftabschnitt (23) und einen Kopfabschnitt (24) aufweisen, wobei die Schaftabschnitte (23) in einem Querschnitt entlang einer quer zu der Mittelachse (2) verlaufenden Ebene T-förmig ausgebildet sind, so dass die Schaftabschnitte (23) die Lage der Permanentmagneten (7) und Magnetflussleiter (14) in Radialrichtung fixieren.
Rotoreinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnethalter (21) in einem Spritzgießverfahren gefertigt ist.
Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftabschnitte (23) zumindest teilweise in axial verlaufende Nuten (6) des Rotorkerns (3) eingeführt sind.
Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfabschnitte (24) in korrespondierende Ausnehmung (26) des Rotorkerns (3), die im Bereich der Stirnfläche des Rotorkerns (3) angeordnet sind, eingreift und somit eine Lage des Magnethalters (21) gegenüber dem Rotorkern (3) in axialer Richtung definiert.
Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkern (3) einstückig ausgebildet ist.
Rotoreinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkern (3) im Kaltpressverfahren hergestellt ist.
Rotoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (7) quaderförmig sind.
Bürstenloser Elektromotor mit einem Stator, einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Motorwelle, und mit einer auf der Motorwelle befestigten Rotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.