DE102017003992A1

DE102017003992A1 - Magnetgestützter EC-Motor, insbesondere Synchron-EC-Motor, und Verfahren zur Drehfelderzeugung bei einem magnetgestützten EC-Motor

Info

Publication number: DE102017003992A1
Application number: DE102017003992.5A
Authority: DE
Inventors: Walter Frölich
Original assignee: Ziehl Abegg SE
Current assignee: Ziehl Abegg SE
Priority date: 2017-04-19
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2018-10-25

Abstract

Der magnetgestützte EC-Motor, insbesondere magnetgestützte Synchron-EC-Motor hat einen Rotor und einen Stator mit Permanentmagneten und eine ein- oder zweisträngige Wicklung. Sie befindet sich auf Zähnen des Stators. Jedem Permanentmagneten ist in Umfangsrichtung benachbart ein magnetisierbares Element zugeordnet. Über die Permanentmagnete werden anziehende bzw. abstoßende Magnetkräfte erzielt, die zur Drehfelderzeugung herangezogen werden. Durch die Bestromung der Wicklung werden Anziehungskräfte auf die magnetisierbaren Elemente hervorgerufen, die zu einem Reluktanzmoment führen.

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetgestützten EC-Motor, insbesondere einen magnetgestützten Synchron-EC-Motor, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Drehfelderzeugung bei einem solchen magnetgestützten EC-Motor nach dem Oberbegriff des Anspruches 12.
Synchron-Reluktanzmotoren sowie magnetgestützte Magnetsynchron-Reluktanzmotoren werden zunehmend in unterschiedlichen Antriebssystemen eingesetzt und lösen Asynchronmotoren sowie permanentmagneterregte Synchronmotoren ab. Diese magnetgestützten EC-Motoren haben einen relativ hohen Wirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich und sind robust. Insbesondere benötigen sie bei Verwendung in Außenläufermotoren keine hochremanenten Seltenerdmagnete.
Solche magnetgestützten EC-Motoren basieren auf einem rotierenden, durch einen Stator erregten Magnetfeld. Hierfür ist eine mehrsträngige, üblicherweise dreisträngige, drehzahlvariable Stromversorgung der Statorwicklung erforderlich.
Für kleinere drehzahlvariable Antriebe, wie beispielsweise für Kleinventilatoren mit 24/48V-Speisung, werden einsträngige Lösungen eingesetzt, die sich kostengünstig fertigen lassen. Diese bekannten Lösungen beruhen auf einem ungleichmäßigen Luftspalt zwischen dem Statorpaket und den Rotormagneten. Dadurch entsteht im Stillstand ein Reluktanzmoment, das eine asymmetrische Ruhestellung zwischen den bewickelten Statorzähnen und den Magnetmitten der Rotormagnete bewirkt. Durch die elektrische Bestromung und einer damit hervorgerufenen magnetischen Erregung der Statorzähne bewirken magnetisch abstoßende und anziehende Kräfte ein Start-Drehmoment. Über Hall-Sensoren gesteuert werden Statorströme derart aufgeschaltet, dass ein aktives Drehmoment über die Stromhöhe und im Wechsel ein passives Drehmoment über die Asymmetrie der Polformung (Reluktanzkräfte) zu einer Drehbewegung führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Reluktanzmotor und das gattungsgemäße Verfahren so auszubilden, dass auch bei Motoren im kleineren Leistungsbereich ein optimaler Antrieb gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen magnetgestützten EC-Motor erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 12 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen magnetgestützten EC-Motor ist jedem Permanentmagneten ein magnetisierbares Element zugeordnet. Über die Permanentmagnete werden anziehende bzw. abstoßende Magnetkräfte erzielt, die zur Drehfelderzeugung herangezogen werden. Durch die Bestromung der Wicklung werden Anziehungskräfte auf die magnetisierbaren Elemente hervorgerufen, die zu einem Reluktanzmoment führen. Die Drehfelderzeugung beruht somit auf einer wechselnden Kraftwirkung durch die magnetischen Anziehungs- bzw. Abstoßungskräfte der Permanentmagnete und dem drehwinkelabhängigen, stromproportionalen magnetischen Reluktanzmoment.
Vorteilhaft sind die Permanentmagnete und die magnetisierbaren Elemente so angeordnet, dass sie in einer Ausgangsstellung die Wicklungszähne, in Radialrichtung gesehen, überdecken.
Weisen hierbei die Permanentmagnete und die magnetisierbaren Elemente in Umfangsrichtung des Rotors bzw. des Stators zumindest etwa gleiche Länge auf, dann hat dies zur Folge, dass es in dieser Lage bei Bestromung der Wicklung zu einer hälftigen Abstoßung über den Polwinkel der Permanentmagnete und gleichzeitig zu einer hälftigen magnetischen Anziehung über die magnetisierbaren Elemente kommt. Dies hat zur Folge, dass sich die magnetisierbaren Elemente zur magnetischen Mitte des Wicklungszahnes ausrichten. Gleichzeitig wird durch die einander annähernden magnetisch gegenpoligen Permanentmagnete in Drehrichtung ein zusätzliches Drehmoment erzeugt, das die abnehmenden Reluktanzkräfte ersetzt.
Vorteilhaft schließen die magnetisierbaren Elemente an die Permanentmagnete in Umfangsrichtung an. Dadurch ist eine zuverlässige Drehfelderzeugung gewährleistet.
Bei einer einfachen Ausführungsform sind die magnetisierbaren Elemente an der Innenseite eines Rotortopfes vorgesehen. Ein solcher Rotor wird bei einem Außenläufermotor eingesetzt.
Die magnetisierbaren Elemente können an die Innenseite des Rotortopfes angeklebt sein.
Es ist aber auch möglich, die magnetisierbaren Elemente einstückig mit dem Rotortopf auszubilden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn der Rotortopf aus aufeinanderliegenden Lamellen gebildet wird, die beispielsweise aus einem Blechband gestanzt oder geschnitten werden. In diesem Falle können die magnetisierbaren Elemente einfach bei der Herstellung der Lamellen vorgesehen werden.
Ist der magnetgestützte EC-Motor ein Innenläufermotor, dann befinden sich die magnetisierbaren Elemente an Armen des Rotors. Diese Arme verlaufen von einem zentralen Grundkörper aus radial nach außen.
Bei einer solchen Ausbildung ist es von Vorteil, wenn die magnetisierbaren Elemente einstückig mit den Armen des Rotors ausgebildet sind. Insbesondere dann, wenn der Rotor aus aufeinander sitzenden Blechlamellen gebildet wird, ist eine solche Ausbildung von Vorteil. Die magentierbaren Elemente werden in diesem Fall durch radial außen liegende Bereiche der Arme des Rotors gebildet.
Die Permanentmagnete sind in diesem Fall an den radial äußeren Enden der Arme des Rotors vorgesehen. Die Arme können entsprechende Vertiefungen aufweisen, in welche die Permanentmagnete eingesetzt werden können.
Die Permanentmagnete und die Wicklungszähne sind vorteilhaft in gleicher Zahl oder in einem ganzzahligen Teilungsverhältnis zueinander vorhanden.
Die Wicklungen werden vorteilhaft so bestromt, dass in einer Ausgangsstellung, in der die Wicklungszähne sowie die Permanentmagnete und magnetisierbaren Element einander gegenüberliegen, eine abstoßende Magnetisierung bezüglich der Permanentmagnete erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Drehfelderzeugung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wicklungen so bestromt werden, dass auf die Permanentmagnete eine abstoßende Kraft ausgeübt wird und sich die zu ihnen benachbarten magnetisierbaren Elemente zu den Wicklungszähnen ausrichten. Dadurch kommt es zu einem strompropotionalen Drehmoment, das auf den Rotor wirkt.
Vorteilhaft wird bei nebeneinander liegenden Permanentmagneten und magnetisierbaren Elementen, wenn diese die Wicklungszähne überdecken, über den Polwinkel der Permanentmagnete eine magnetische Abstoßung und über den Polwinkel der magnetisierbaren Elemente eine magnetische Anziehung bei Bestromung der Wicklung erzeugt. Auf diese Weise lässt sich zuverlässig das Drehfeld erzeugen.
Vorteilhaft wird vor einer Ausrichtung der Permanentmagnete relativ zu den Wicklungszähnen eine Kommutierung vorgenommen.
Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen

1 in einem Radialschnitt einen erfindungsgemäßen magnetgestützten EC-Motor als Außenläufer,
2a bis 2j den Magnetfluss des magnetgestützten EC-Motors gemäß 1 in verschiedenen Phasenlagen,
3 im Radialschnitt einen einsträngig magnetgestützten EC-Motor als Innenläufer,
4 in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen magnetgestützten EC-Motor als Außenläufermotor,
5 in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen magnetgestützten EC-Motor als Innenläufermotor,
6 im Radialschnitt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen magnetgestützten EC-Motors, der als Außenläufermotor ausgebildet ist.

Der magnetgestützte EC-Motor gemäß den 1 und 4 ist ein einsträngig magnetgestützter Synchron-EC-Außenläufermotor. Er hat einen Rotor 1 mit einem zylindrischen Rotortopf 2, der einen Stator 3 umgibt. Der Rotortopf 2 kann als tiefziehbearbeiteter Stahltopf ausgebildet sein. Der Rotortopf 2 kann aber auch aus einzelnen ringförmigen Blechlamellen bestehen, die zu einem Lamellenpaket gestapelt und fest miteinander verbunden sind. Die Blechlamellen können beispielsweise aus einem Blechband gestanzt oder beispielhaft mittels Laser oder einer sonstigen Schneidvorrichtung herausgetrennt werden. Die im Paket aufeinanderliegenden Lamellen können in bekannter Weise miteinander verbunden sein, beispielsweise durch Verkleben.
Wie 4 zeigt, hat der Außenläufermotor ein zylindrisches Gehäuse 34, das durch einen Deckel 35 geschlossen ist und in dem sich die Elektronik für den Betrieb des Motors befindet. Das Gehäuse 34 ist vorteilhaft einstückig mit einem Statorflansch 36 ausgebildet, der das Gehäuse 34 radial überragt und an dessen Unterseite Kühlrippen 37 vorgesehen sind, die über den Umfang des Statorflansches 36 verteilt angeordnet sind. Die Kühlrippen 37 können jede geeignete Form haben.
Den Kühlrippen 37 liegen mit geringem Abstand Kühlrippen 38 gegenüber, die von einem Ringflansch 39 in Richtung auf die Kühlrippen 37 abstehen. Der Ringflansch 39 ist fest mit dem Rotortopf 2 verbunden oder auch einstückig mit ihm ausgebildet. Wenn der Rotortopf 2 im Betrieb des Motors um seine Achse dreht, wird durch die einander gegenüberliegenden Kühlrippen 37, 38 ein Kühlluftstrom erzeugt, der insbesondere die kritischen Elektronikteile im Gehäuse 34 kühlt.
An der zylindrischen Innenseite 4 des Rotortopfes 2 sind Permanentmagnete 5 befestigt, beispielsweise angeklebt. Sie liegen in Winkelabständen von 90° mit Abstand voneinander und erstrecken sich über mehr als die halbe axiale Länge des Rotortopfes 2. Die Permanentmagnete 5 sind abwechselnd als Nord- und Südpole ausgebildet. Die Segmentwinkel α der Permanentmagnete 5 können zur Maximierung der Momentenkräfte bzw. der Minimierung der Momentenwelligkeit optimiert und angepasst werden. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Segmentwinkel α beispielhaft etwa 50°. Alle vier Permanentmagnete 5 sind in vorteilhafter Weise gleich ausgebildet.
Die eine Stirnseite 6 der Permanentmagnete 5 kann am Übergang zur inneren Umfangsfläche 7 mit einer Fase 8 versehen werden.
Die gegenüberliegende Stirnseite 9 der Permanentmagnete 5 ist wie die andere Stirnseite 6 eben ausgebildet und liegt wie diese in einer Axialebene des Rotors 1. Im Unterschied zur Stirnseite 6 hat die Stirnseite 9 keine oder nur eine geringe Fase und schließt direkt an die Umfangsfläche 7 an.
An die Stirnseite 9 der Permanentmagnete 5 schließt jeweils ein magnetisierbares Element 10 an, das vorteilhaft aus Eisen besteht und im Folgenden als Eisensegment bezeichnet wird. Für die Elemente 10 kommen alle geeigneten magnetisierbaren Materialien in Betracht. Die Eisensegmente 10 erstrecken sich in Richtung auf die Stirnseite 6 des benachbarten Permanentmagneten 5 und enden mit Abstand von ihm. Die axiale Länge der Eisensegmente 10 entspricht der axialen Länge der Permanentmagnete 5.
Die Eisensegmente 10 liegen über ihre Umfangslänge an der Innenseite 4 des Rotortopfes 2 an bzw. können mit diesem aus einem Stanzteil bestehen. Die radial innere Umfangsfläche 11 der Eisensegmente 10 bildet eine Fortsetzung der Umfangsfläche 7 der Permanentmagnete 5. Die Eisensegmente 10 haben über mehr als ihre halbe Umfangslänge konstant radiale Breite und verjüngen sich dann stetig in Richtung auf ihr freies Ende derart, dass die Eisensegmente 10 flach auslaufen, im Radialschnitt gesehen. Die Auslaufkante 12 des Eisensegmentes 10 liegt mit Abstand zur Stirnseite 6 des benachbarten Permanentmagneten 5.
Wie bei den Permanentmagneten 5 kann der Segmentwinkel β der Eisensegmente 10 zur Maximierung der Momentenkräfte bzw. der Minimierung der Momentenwelligkeit optimiert und angepasst werden. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Segmentwinkel β beispielhaft etwa 35°.
Auch die Umrissform der Permanentmagnete 5 und/oder der Eisensegmente 10 kann im Hinblick auf die Maximierung der Momentenkräfte bzw. der Minimierung der Momentenwelligkeit gestaltet sein. Im Ausführungsbeispiel sind die Fasen 8 an den Permanentmagneten 5 sowie die Verjüngung der Eisensegmente 10 nur als ein Beispiel für eine solche Optimierung bzw. Anpassung im Hinblick auf die Momentenkräfte und die Momentenwelligkeit zu sehen.
Die inneren Umfangsflächen 7, 11 der Permanentmagnete 5 und der Eisensegmente 10 liegen auf einem gemeinsamen Zylindermantel, der koaxial zur Drehachse des Rotors 1 verläuft.
Die Permanentmagnete 5 und die Eisensegmente 10 des Rotors 1 umgeben den Stator 3 unter Bildung eines Luftspaltes 13, dessen Breite über den Umfang des Rotors 1 bzw. des Stators 3 unterschiedlich ist. Erreicht wird dies durch eine entsprechende Formgestaltung der Zähne 14 des Stators 3. Im Bereich des kürzeren Zahnteiles 14b ist der Luftspalt 13 breiter als im Bereich des längeren Zahnteiles 14a. Bei der Weiterdrehung des Rotors 1 gelangen die Statorzähne 14 über die Eisensegmente 10 des Rotors 1 hinaus, wodurch ein bremsendes Moment durch die Eisensegmente 10 entsteht (magnetisches Kleben). Dieses bremsende Moment wird durch die Verkürzung des in Drehrichtung des Rotors 1 rückwärtigen Zahnteiles 14b und den in Drehrichtung zunehmenden Luftspalt 13 im Bereich des kürzeren Zahnteiles 14b minimiert.
Der Stator 3 weist in vorteilhafter Weise aufeinanderliegende Blechlamellen auf, die in bekannter Weise beispielsweise aus einem Blechband gestanzt oder aus ihm geschnitten werden. Die aufeinanderliegenden Lamellen sind in bekannter Weise fest miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verklebt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Stator 3 vier rechtwinklig zueinander liegende, radial verlaufende Arme 15, die an ihren freien Enden mit den Zähnen 14 versehen sind und über ihre radiale Länge konstante Breite haben. Die Zähne 14 und die Arme 15 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel einstückig miteinander ausgebildet und stehen in Umfangsrichtung unterschiedlich weit über die Arme 15 vor. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass die Zähne 14 gleich weit über die Arme 15 vorstehen.
Die den Permanentmagneten 5 zugewandte Außenseite 16 der Zähne 14 begrenzt zusammen mit den Innenseiten 7, 11 der Permanentmagnete 5 und der Eisensegmente 10 den Luftspalt 13. Im Bereich des längeren Zahnteiles 14a hat der Luftspalt 13 konstante Breite. Im Bereich des kürzeren Zahnteiles 14b nimmt die Breite des Luftspaltes 13 in Richtung auf das freie Ende des Zahnteiles 14b stetig zu. Zudem ist dieser Zahnteil 14b gegenüber dem Zahnteil 14a verkürzt, um das verzögernde Drehmoment bei der Weiterdrehung zu minimieren.
Die Arme 15 sind jeweils von einer Wicklung 17 umgeben. Bei ihr handelt es sich um eine einsträngige Wicklung. Sie ermöglicht eine gute Wickelraumausnutzung und damit eine Wirkungsgradverbesserung.
Grundsätzlich ist auch ein zweisträngiger Wicklungsaufbau mit zwei bifilar angeordneten Wicklungssträngen auf jedem Arm 15 möglich, die vorteilhaft über zwei Transistoren angesteuert werden. Bei der dargestellten einsträngigen Variante erfolgt die Ansteuerung des Wicklungsstranges dementsprechend durch vier Transistoren.
Im Bereich zwischen den Eisensegmenten 10 und den benachbarten Permanentmagneten 5 befindet sich jeweils ein Luftbereich 18.
Der Rotor 1 ist in bekannter Weise mit einer (nicht dargestellten) Rotorwelle in einer (nicht dargestellten) Lagerbuchse des Stators 3 drehbar gelagert.
Die Drehfelderzeugung mit der einsträngigen Wicklung 17 beruht auf einer wechselnden Kraftwirkung durch die magnetischen Anziehungs- bzw. Abstoßungskräfte der Permanentmagnete 5 und dem auf die Eisensegmente 10 zurückgehenden drehwinkelabhängigen, stromproportionalen magnetischen Reluktanzmoment. Die Zahl der rotorseitigen Permanentmagnete 5 entspricht im Ausführungsbeispiel der Zahl der Statorzähne 14.
Im Ruhezustand richten sich die Permanentmagnete 5 zu den Statorzähnen 14 aus. Wird die Wicklung derart bestromt, dass eine abstoßende Magnetisierung erfolgt, richten sich die benachbarten Eisensegmente 10 des Rotors 1 gegenüber den Statorzähnen 14 aus, wodurch es zu einem stromproportionalen Drehmoment kommt. Wenn jeweils gleich große Polbögen der nebeneinander liegenden Permanentmagnete 5 und Eisensegmente 10 des Rotors 1 einen Statorzahn 14 überdecken, kommt es über den Polwinkel der Permanentmagnete 5 zu einer Abstoßung und über den Polwinkel der Eisensegmente 10 zu einer magnetischen Anziehung. Dies führt zu einer Ausrichtung der Eisensegmente 10 zur magnetischen Mitte des Statorzahns 14. Gleichzeitig wird durch die sich annähernden, magnetisch gegenpoligen Permanentmagnete 5 in Drehrichtung des Rotors 1 ein zusätzliches Drehmoment erzeugt, welches die abnehmenden Reluktanzkräfte ersetzt. Kurz vor der Ausrichtung zwischen den Statorzähnen 14 und den Permanentmagneten 5 erfolgt die Kommutierung des Statorstroms, so dass der Zyklus zur Drehmomentenerzeugung fortgesetzt wird.
Die elektrische Bestromung erfolgt stets in gleicher Weise durch einen einphasigen Wechselstrom, der beispielsweise über eine hallsensorgesteuerte Rotorlageerfassung oder über eine auf einer Stromspannungsmessung basierenden geberlosen Lageerfassung erfolgt. Alle Motorspulen können ohne Ausführungen zur Kontaktierung in Reihe oder auch gruppenweise parallel geschaltet über zwei gegenphasige Leistungshalbleiterbrücken gespeist werden.
Die Ansteuerung kann je nach den Anforderungen an die Momentenwelligkeit blockkommutiert oder über eine stromprofilgesteuerte, beispielsweise sinusförmige, Pulsweitenmodulation erfolgen.
Anhand der 2a bis 2j wird der gesamte Momentenverlauf über eine 90°-Drehung des Rotors 1 dargestellt. Nach jeweils einer 90°-Drehung des Rotors 1 wiederholt sich das Kommutierungsmuster der elektrischen Bestromung.
Bei der Darstellung gemäß den 2a bis 2j wird der Rotor 1 als Bezugssystem angesehen, zu dem sich der Stator 3 relativ dreht. In der Praxis dreht selbstverständlich der Rotor 1.
Zur besseren Unterscheidung der wechselweise wirkenden Momentenkräfte werden die durch die Permanentmagnete 5 erzeugten anziehenden und abstoßenden Kräfte als magnetische Anziehung bzw. Abstoßung bezeichnet. Die durch die Bestromung der Statorwicklung 17 hervorgerufenen Anziehungskräfte auf die rotorseitigen Eisensegmente 10 werden als Reluktanzmomente bezeichnet.
2a zeigt den Reluktanzmotor in Ruhestellung (0°-Stellung). Die rotorseitigen Permanentmagnete 5 sind so gegenüber den Statorzähnen 14 ausgerichtet, dass sie sich über den größten Teil der Umfangslänge der Zähne 14 erstrecken. Die Eisensegmente 10 ragen geringfügig über den längeren Zahnteil 14a vor.
Die Statorarme 15 sind mit I bis IV bezeichnet, um die nachfolgende Erläuterung des Magnetflusses zu erleichtern.
In der Ruhestellung verlaufen die Magnetlinien vom linken Arm IV in den benachbarten, rechtwinklig zu ihm verlaufenden Arm I und von dort über den Permanentmagneten 5 in den als Rückschlussteil wirkenden Rotortopf 2. Von hier verlaufen die Magnetlinien über das anschließende Eisensegment 10 wieder zurück in den Rotortopf 2 und dann über den benachbarten Permanentmagneten 5 zurück in den Arm IV. Ein solcher Kreislauf der Magnetlinien findet auch zwischen den anderen Armen I bis IV des Stators 3 statt.
2b zeigt die magnetische Anziehung in der 0°-Stellung. Erkennbar ist der parallele Magnetfluß in den Statorarmen I bis IV. In den Eisensegmenten 10 ist der Magnetfluß schräg zur Umfangsrichtung des Rotors 1 gerichtet. Es erfolgt eine magnetische Anziehung zwischen den Permanentmagneten 5 bzw. den Eisensegmenten 10 und den Statorarmen I bis IV bzw. ihrer Zähne 14.
2c zeigt die Verhältnisse nach einer 10°-Drehung des Rotors 1 relativ zum Stator 3. Aufgrund dieser Drehung ragt der längere Zahnteil 14a in Umfangsrichtung über das Eisensegment 10 vor, während der kurze Zahnteil 14b Abstand von der geraden Stirnseite 6 des Permanentmagneten 5 hat.
Während in der 0°-Stellung die Statorzähne 14 je zur Hälfte von den Permanentmagneten 5 und den Eisensegmenten 10 überdeckt sind, in Radialrichtung gesehen, erfolgt in der 10°-Stellung die Überdeckung der Statorzähne 14 derart, dass die Permanentmagnete 5 über die kurzen Zahnteile 14b in Umfangsrichtung vorstehen, während die Eisensegmente 10 gegenüber den freien Enden der langen Zahnteile 14a zurückstehen. Es erfolgt weiterhin ein Parallelfluss der Magnetlinien, wobei zwischen den Permanentmagneten 5 bzw. den Eisensegmenten 10 und den Statorzähnen 14 eine magnetische Anziehungskraft wirkt. Aufgrund der Drehung des Rotors 1 tritt außerdem eine Reluktanzkraft auf. Wie bei magnetgestützten EC-Motoren üblich bilden zwei Statorzähne 14 und zwei Permanentmagnete 5 einen Ring.
2d zeigt die Situation, dass in der 10°-Stellung die Kommutierung vorgenommen wird. Sie führt zu einer magnetischen Abstoßung und zu einem Entstehen eines Reluktanzmomentes. Im Eisensegment 10 verlaufen die Magnetlinien etwa radial.
Die magnetische Abstoßung führt dazu, dass der Stator 3 weiter im Gegenuhrzeigersinn relativ zum Rotor 1 gedreht wird, wobei die Statorzähne I bis IV vom nunmehr benachbarten Permanentmagneten 5 angezogen werden. 2e zeigt die 20°-Stellung. Die Magnetlinien verlaufen durch das Eisensegment 10 weiterhin etwa radial. Die längeren Zahnteile 14a der Statorzähne reichen bis nahe an die Stirnseite 6 des in Drehrichtung folgenden Permanentmagneten 5.
Wenn der Stator 3 weiter im Gegenuhrzeigersinn dreht (2f), überdecken die Zähne I bis IV mit ihren längeren Zahnteilen 14a die in Drehrichtung folgenden Permanentmagnete 5 teilweise, während die kürzeren Zahnteile 14b noch den vorangehenden Permanentmagneten 5 und das zugehörige Eisensegment 10 überdecken, in Radialrichtung gesehen. Aufgrund der durch die Kommutierung hervorgerufenen Flussrichtungsumkehr werden die Statorzähne I bis IV zunehmend vom jeweils nachfolgenden Permanentmagneten 5 angezogen. Das Reluktanzmoment nimmt mit zunehmender Luftspaltweite gleichförmig ab.
Bei der in 2g dargestellten 45°-Stellung übergreifen die längeren Zahnteile 14a der Statorzähne I bis IV über ihre Länge den in Drehrichtung jeweils nachfolgenden Permanentmagneten 5. Der kürzere Zahnteil 14b der Statorzähne I bis IV übergreift noch das Eisensegment 10 des vorhergehenden Permanentmagneten 5. Das Reluktanzmoment nimmt wieder ab.
In der in 2h dargestellten 60°-Stellung des Stators 3 wird der nachfolgende Permanentmagnet vom längeren Zahnteil 14a sowie etwa zur Hälfte vom Arm 15 der Statorzähne I bis IV übergriffen. Die Überdeckung der kürzeren Zahnteile 14b mit dem Eisensegment 10 des vorhergehenden Permanentmagneten ist nur noch gering. In dieser 60°-Stellung wirken nur noch magnetische Anziehungskräfte, während das Reluktanzmoment im Wesentlichen 0 beträgt.
In der 90°-Stellung, wie sie in 2j abgebildet ist, liegen die gleichen Verhältnisse vor wie in der 0°-Stellung gemäß 2a. Die Permanentmagnete 5 und die zugehörigen Eisensegmente 10 überdecken vollständig die Statorzähne I bis IV. Der Magnetlinienverlauf ist gleich wie bei der Stellung gemäß 2a.
Bei den beispielhaft dargestellten vierpoligen magnetgestützten EC-Motoren erfolgt der beschriebene Momentenverlauf über jeweils eine 90°-Drehung des Rotors 1. In der 0°-Ruhestellung (2a) sowie in der 90°-Stellung (2j) kommt es zur vollständigen Überdeckung der Permanentmagnete 5 und Eisensegmente 10 durch den jeweiligen Statorzahn I bis IV. Dies führt bei einer Bestromung der Wicklungen 17 zu einer hälftigen Abstoßung über den Polwinkel der Permanentmagnete 5 und gleichzeitig zur hälftigen magnetischen Anziehung über die Eisensegmente 10. Dadurch erfolgt eine Ausrichtung der Eisensegmente 10 zur magnetischen Mitte des Statorzahnes I bis IV.
Bei der Drehung des Rotors 1 wird durch die sich annähernden, magnetisch gegenpoligen Permanentmagnete 5 in Drehrichtung ein zusätzliches Drehmoment erzeugt, welches die abnehmenden Reluktanzkräfte ersetzt. Wie anhand von 2 beschrieben, erfolgt kurz vor Ausrichtung zwischen den Statorzähnen I bis IV und den Permanentmagneten 5 bzw. den Eisensegmenten 10 die Kommutierung des Statorstroms.
Die Statorzähne I bis IV mit den bestromten Wicklungen 17 ziehen die jeweils nächstgelegenen Permanentmagnete 5 bzw. Eisensegmente 10 des Rotors 1 an. Kurz bevor die Permanentmagnete 5 und Eisensegmente 10 in der beschriebenen Weise den sie anziehenden Statorzähnen I bis IV gegenüberliegen, wird die Bestromung des einen Statorzahnes abgeschaltet und die nächste Phase auf den anderen Statorzähnen I bis IV eingeschaltet. Auf diese Weise wird der Rotor 1 in Drehung versetzt.
Damit die Umschaltung zum richtigen Zeitpunkt erfolgt, ist der magnetgestützte EC-Motor vorteilhaft mit dem Rotorlagegeber versehen. Grundsätzlich kann die rechtzeitige Umschaltung auch durch geberlose Steuerverfahren anhand des Statorstroms oder des Drehmomentes vorgenommen werden.
Der beschriebene magnetgestützte EC-Motor eignet sich hervorragend zum Einsatz in einem kleineren Leistungsbereich bis etwa 200 W. Der Wicklungsaufbau kann aus einer wechselnden Links-Rechts-Bewicklung ohne Kreuzung des Wickeldrahtes realisiert werden.
Wie 2 zeigt, schwankt die Flussänderung in dem als magnetischer Rückschluss dienenden Rotortopf 2 um einen gleichförmigen mittleren Wert. In den reluktanzmomentbildenden Eisensegmenten 10 des Rotors 1 variiert der magnetische Fluss zwischen einer radialen und einer in Umfangsrichtung ausgerichteten Flusskomponente. Dadurch ist die Herstellung des Rotortopfes 2 aus aufeinandersitzenden Lamellen nicht zwingend erforderlich. Aus fertigungstechnischer Sicht ist ein solcher Aufbau des Rotortopfes 2 möglich.
Die Eisensegmente 10 können ebenfalls aus einzelnen, aufeinandergesetzten Blechlamellen bestehen, die beispielsweise an die zylindrische Innenseite 4 des Rotortopfes 2 angeklebt sind. Bei einem stanzpaketierten Aufbau sind der Rotortopf 2 und die Eisensegmente 10 vorteilhaft mit Kunststoff oder einem Aluminiumdruckguss umspritzt.
Das beschriebene Motorenprinzip kann auch für eine Innenläufervariante eingesetzt werden. Ein Beispiel einer solchen Innenläufer-Ausbildung des magnetgestützten EC-Motors zeigt 3 in schematischer Darstellung. Bei diesem Motor umgibt der Stator 3 den rotierenden Rotor 1. Der Stator 3 hat ein zylindrisches Gehäuse 19, das als Statorrückschluss dient.
An der zylindrischen Innenseite 20 des Gehäuses 19 sind in Winkelabständen von 90° Zähne 21 vorgesehen, die jeweils eine Wicklung 22 aufweisen. Die inneren Umfangsflächen 23 der Zähne 21 liegen auf einer gemeinsamen Zylinderfläche, die koaxial zur Drehachse 24 des Rotors 1 liegt. Die Zähne 21 liegen in Umfangsrichtung mit Abstand hintereinander.
Der Rotor 1 ist mit vier Permanentmagneten 5 versehen, die ebenfalls in Winkelabständen von 90° hintereinander angeordnet sind und von einem Grundkörper 33 abstehen. Wie bei der Außenläufervariante sind die Permanentmagnete abwechselnd als Nord- und Südpol vorgesehen.
Der Rotor 1 hat vier im Wesentlichen radial verlaufende Arme 25, die vorteilhaft einstückig miteinander verbunden sind und von einem Grundkörper 33 abstehen.
Der Grundkörper 33 mit den Armen 25 sitzt drehfest auf einer Rotorwelle 40 (5), die aus dem Stator 3 ragt. Er ist an seiner Außenseite vorteilhaft mit Kühlrippen 41 versehen, über die die im Motor entstehende Wärme nach außen abgeleitet werden kann. Der Innenläufermotor ist auf einem Träger 42 befestigt. Der Innenläufermotor hat einen Controller 43, der in einem Gehäuse 44 untergebracht ist. Es ist an der Außenseite des Stators 3 in bekannter Weise befestigt.
Die freien Enden der Arme 25 sind jeweils mit einer Vertiefung 26 versehen, welche die Permanentmagnete aufnehmen. Sie sind so ausgebildet, dass ihre äußere Umfangsfläche 27 eine stetige Fortsetzung der äußeren Umfangsflächen 28 der Arme 25 bildet. Die dem jeweils benachbarten Arm 25 zugewandten Seitenflächen 29 der Permanentmagnete 5 bilden stetige Fortsetzungen der entsprechenden Seitenflächen 30 der Arme 25.
Die Permanentmagnete 5 liegen mit ihrer anderen Seitenfläche 31 an der Seitenfläche 32 der Vertiefung 26 an.
Die Umfangsflächen 27, 28 der Permanentmagnete 5 und der Arme 25 liegen auf einem gemeinsamen Zylindermantel, der koaxial zur Drehachse 24 des Rotors 1 ist. Die Umfangsflächen 27, 28 des Rotors 1 liegen unter Bildung des Luftspaltes 13 den Umfangsflächen 23 der Statorzähne 21 gegenüber.
Die in Umfangsrichtung neben den Permanentmagneten 5 befindlichen Bereiche der Arme 25 bilden die Eisensegmente 10. Sie sind somit durch die radial außen liegenden Bereiche der Arme 25 gebildet und dementsprechend einstückig mit ihnen ausgebildet. Bei der Außenläufervariante gemäß den 1 und 2 sind die Eisensegmente 10 an die Innenseite 4 des Rotortopfes 2 angeklebt. Grundsätzlich besteht aber auch dort die Möglichkeit, die Eisensegmente 10 einstückig mit dem Rotortopf 2 auszubilden. Wird der Rotortopf 2 aus aufeinandersitzenden Lamellen gebildet, dann können die Eisensegmente 10 gleich mitgestanzt werden.
Wie 3 zeigt, befinden sich zwischen den Statorzähnen 21 sowie zwischen den benachbarten Rotorarmen 25 die Luftbereiche 18.
Die Drehfelderzeugung beim Innenläufer gemäß 3 erfolgt in gleicher Weise wie beim Außenläufermotor gemäß den 1 und 2. Die Wicklungen 22 können einsträngig oder zweisträngig sein. Die Drehfelderzeugung beruht auf der wechselnden Krafteinwirkung durch die magnetischen Anziehungs- bzw. Abstoßungskräfte der Permanentmagnete 5 und dem drehwinkelabhängigen, stromproportionalen magnetischen Reluktanzmoment. Im Ruhezustand (stromlos) richten sich die Statorzähne 21 gegenüber den in gleicher Anzahl vorhandenen Rotorarmen 25 aus. Die Erzeugung des Drehfeldes sowie das Auftreten der Reluktanzmomente erfolgt in gleicher Weise, wie anhand der 2 erläutert worden ist.
Die Materialien für die Permanentmagnete 5 sind beliebig. Bei Außenläufermotoren (1, 2 und 4) liegen die Permanentmagnete 5 im Außenbereich und damit im Bereich des größer werdenden Umfanges. In Richtung zum Stator 3 und damit zur Motormitte verjüngen sich die Querschnitte und führen zu einer erhöhten Flussdichte, die sich bei einer guten konstruktiven Auslegung in einem optimalen magnetischen Arbeitspunkt des Permanentmagneten befindet. Darum können Außenläufermotoren vorteilhaft mit preiswerten Ferritmagneten bestückt werden.
Bei Innenläufermotoren (3 und 5) werden die vom Magnetfluss durchströmten Flächen mit zunehmenden Durchmesser größer und die Flussdichte entsprechend kleiner. Darum kann es bei Innenläufermotoren vorteilhaft sein, Seltenerd-Magnete, wie Neodym-Eisen-Bor, für die Permanentmagnete 5 einzusetzen.
Die Zahl der Permanentmagnete 5 und die Zahl der Statorzähne 4 kann auch in einem ganzzahligen Teilungsverhältnis zueinander stehen. Beispielsweise können vier Statorzähne und zwei Permanentmagnete oder vier Statorzähne und acht Permanentmagnete vorgesehen sein.
Eine solche Ausführungsform zeigt beispielhaft 6. Der Rotortopf 2 weist an seiner zylindrischen Innenseite 4 über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Vertiefungen 45 auf, in denen jeweils ein Permanentmagnet 5 untergebracht ist. Die Innenseite 11 der Permanentmagnete 5 bildet eine stetige Fortsetzung der Innenseite 4 des Rotortopfes 2. Die Permanentmagnete 5 sind außerdem so ausgebildet, dass sie die Vertiefungen 45 vollständig ausfüllen. Die Permanentmagnete 5 sind in jeder geeigneten Weise in den Vertiefungen 45 befestigt, beispielsweise verklebt.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind über den Umfang des Rotors 1 acht Permanentmagnete 5 vorgesehen, die jeweils gleichen Abstand voneinander haben. Die Permanentmagnete 5 selbst sind untereinander gleich ausgebildet. Die Permanentmagnete 5 sind jeweils paarweise abwechselnd als Nord- und Südpole ausgebildet.
Die Bereiche zwischen benachbarten Permanentmagneten 5 bilden die Eisensegmente 10, die vorteilhaft einstückig mit dem Rotortopf 2 des Rotors 1 ausgebildet sind. Wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen sind die Eisensegmente 10 in Umfangsrichtung zumindest etwa gleich lang wie die Permanentmagnete 5.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Permanentmagnete 5 innerhalb des Rotormantels 2 angeordnet sind, hat er größere Dicke als der Rotortopf 2 der vorigen Ausführungsbeispiele.
Der Rotor 1 mit den Permanentmagneten 5 und den Eisensegmenten 10 umgibt den Stator 3 unter Bildung des Luftspaltes 13, dessen Breite über den Umfang des Rotors 1 bzw. des Stators 3 in der beschriebenen Weise unterschiedlich ist.
Der Stator 3 ist gleich ausgebildet wie bei der Ausführungsform gemäß 1 und hat die vier Arme 15, die jeweils rechtwinklig zueinander liegen und am radial äußeren Ende mit den Zähnen 14 versehen sind.
Die Wirkungsweise des Motors ist gleich wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen. Im Ruhezustand richten sich die Permanentmagnete 5 zu den Statorzähnen 14 aus. Sobald die Wicklung 17 bestromt wird, erfolgt eine abstoßende Magnetisierung, wodurch sich die benachbarten Eisensegmente 10 des Rotors 1 relativ zu den Statorzähnen 14 ausrichten. Es kommt dadurch zu dem stromproportionalen Drehmoment. Da acht Permanentmagnete 5 und vier Statorzähne 14 vorgesehen sind, ergibt sich ein besonders vorteilhafter Drehmomentenverlauf, verglichen mit einer Ausbildung entsprechend 1, bei der vier Permanentmagnete 5 und vier Statorzähne 14 vorgesehen sind.
Die paarweise magnetisierten Permanentmagnete 5 gewährleisten einen sehr gleichmäßigen Drehmomentenverlauf.

Claims

Magnetgestützter EC-Motor, insbesondere magnetgestützter Synchron-EC-Motor, mit einem Rotor und einem Stator, mit Permanentmagneten und einer ein- oder zweisträngigen Wicklung, die sich auf Zähnen des Stators befindet, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Permanentmagneten (5) in Umfangsrichtung benachbart ein magnetisierbares Element (10) zugeordnet ist.
Magnetgestützter EC-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (5) und die magnetisierbaren Elemente (10) so angeordnet sind, dass sie in einer Ausgangsstellung die Wicklungszähne (14,15; 21), in Radialrichtung gesehen, überdecken.
Magnetgestützter EC-Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (5) und die magnetisierbaren Elemente (10) in Umfangsrichtung des Rotors (1) bzw. des Stators (3) zumindest etwa gleich lang sind.
Magnetgestützter EC-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (5) und die magnetisierbaren Elemente (10) in Umfangsrichtung aneinander anschließen.
Magnetgestützter EC-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass magnetisierbaren Elemente (10) an der Innenseite (4) eines Rotortopfes (2) vorgesehen sind.
Magnetgestützter EC-Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Elemente (10) an die Innenseite (4) des Rotortopfes (2) angeklebt sind.
Magnetgestützter EC-Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Elemente (10) einstückig mit dem Rotortopf (2) ausgebildet sind.
Magnetgestützter EC-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Elemente (10) an Armen (25) des Rotors (1) vorgesehen sind.
Magnetgestützter EC-Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Elemente (10) einstückig mit den Armen (25) des Rotors (1) ausgebildet sind.
Magnetgestützter EC-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (5) und die Wicklungszähne (14, 15; 21) in gleicher Zahl oder in einem ganzzahligen Teilungsverhältnis zueinander vorhanden sind.
Magnetgestützter EC-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (17, 22) so bestromt wird, das eine abstoßende Magnetisierung bezüglich der Permanentmagnete (5) erfolgt.
Verfahren zur Drehfelderzeugung bei einem magnetgestützten EC-Motor, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem auf Wicklungszähnen befindliche Wicklungen bestromt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (17, 22) so bestromt werden, dass auf die Permanentmagnete (5) eine abstoßende Kraft ausgeübt wird und sich die benachbarten magnetisierbaren Elemente (10) zu den Wicklungszähnen (14, 15; 21) ausrichten.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei nebeneinander liegenden Permanentmagneten (5) und magnetisierbaren Elementen (10) bei einer Überdeckung der Wicklungszähne (14, 15; 21), in Radialrichtung des Rotors (1) bzw. des Stators (3) gesehen, über den Polwinkel der Permanentmagnete (5) eine magnetische Abstoßung und über den Polwinkel der magnetisierbaren Elemente (10) eine magnetische Anziehung bei Bestromung der Wicklung (17, 22) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausrichtung der Permanentmagnete (5) und den Wicklungszähnen (14, 15; 21) eine Kommutierung vorgenommen wird.