EP1922799B1

Abstract

The invention relates to electric derive having a stationary outer and inner stator (5, 6; 11, 11a) and a rotor, a plurality of permanent magnet elements (14, 34, 54) being disposed on the rotor for producing an excitation flux and at least one electrical field coil (12, 15, 32) being provided. The rotor comprises at least one bell-shaped part (8, 28, 38, 58) having a cylindrical wall (8a, 28a, 38a, 58a) and a base wall (8b, 28b, 38b, 58b). Said base wall (8b, 28b, 38b, 58b) is mounted perpendicularly and the cylindrical wall (8a, 28a, 38a, 58a) coaxially in relation to the axis of the rotor shaft (1, 39, W). The base wall (8b, 28b, 38b, 58b) is connected to the rotor shaft (1, 39, W) for transmitting a force or a torque. The permanent magnet elements (14, 34, 54) rest on one side on the cylindrical wall (8a, 28a, 38a, 58a) and are secured side by side to the rotor of the drive in the peripheral direction. The permanent magnet elements (14, 34, 54) interact with the outer and inner stator (5, 6; 11, 11a) to give magnetic circles which completely extend through the cylindrical part of the rotor in the radial direction, the permanent magnet elements (14, 34, 54) being arranged only on the exterior of the cylindrical wall (8a, 28a, 38a, 58a).
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Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

[0002] Diese Erfindung baut auf  dem Offenbarungsgehalt der PCT/EP2005/00241 WO 2006/00260 auf. In Ergänzung zu PCT/EP2005/002441 des gleichen Anmelders soll in dieser Erfindung die Effizienz des magnetischen Kreises weiter verbessert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Glocke als dünnwandige Innenglocke aus insbesondere ferromagnetischen Material ausgeführt ist und die Magnete außen an der Glocke angebracht sind.

[0003] Die in Fig. 1 der PCT/EP2005/002441 dargestellte Ausführung des Glockenläufers hat den Nachteil, dass sich der magnetische Fluß über die Glocke zum Stator kurzschließt, sofern die Glocke aus ferromagnetischen Material ausgeführt ist. Dieser Streufluss führt zu einer Drehmomentenreduzierung. Wenn die Glocke aus nicht ferromagnetischen Material ausgeführt ist, wird der    20 Arbeitsluftspalt erhöht. Dies führt ebenfalls zu magnetischen Streuverlusten.

[0004] Aus der WO02/093719 ist ein Antrieb bekannt, bei dem ein topfförmiger Läufer an seiner Außenseite mit Permanentmagneten bestückt ist, welche in Aussparungen angeordnet sind. Die Permanentmagnete erstrecken sich lediglich über einen Teil der axialen Längserstreckung der zylindrischen Wandung des topfförmigen Läufers. Der Topf ist aus einem nichtmagnetischen Metall ausgebildet, um die magnetischen Streuflüsse zu minimieren. Die Permanentmagnetelemente haben eine radiale Dicke, die ungefähr der Dicke der zylindrischen Wandung des topfförmigen Teils, mit Ausnahme der Bereiche der Aussparungen, entspricht. Das topfförmige Teil ist als Drehteil ausgebildet, wobei die Bodenwandung wesentlich dicker als die zylindrische Wandung ausgebildet ist. Zusätzlich müssen die Aussparungen für die Permanentmagnetelemente außen in die  zylindrische Wandung eingefräst werden, in denen die Permanentmagnete einliegen, d.h. die Permanentmagnete liegen nicht außen an der zylindrischen wandung an, sondern zum Teil in der Wandung eingebettet. Hierdurch ist der topfförmige Läufer relativ aufwendig und teuer in der Herstellung.

[0005] Aus der WO92/22122 und der 45 WO2006/000260 sind elektrische Antriebe bekannt, die einen einstückigen topfförmigen Läufer aufweisen, bei dem die Permanentmagnete innen an der zylindrischen Wandung anliegen.

[0006] Wird dagegen die Glocke als Innenglocke aus ferromagnetischen Material ausgeführt, stellt die Glocke faktisch einen magnetischen Leiter dar und es wird sichergestellt, dass der magnetische Fluß des Erregerjoches die Permanentmagnete ohne nennenswerten schädlichen Streufluss durchsetzt. Durch die Innenglockenausführung kann das Drehmoment im Vergleich zur Aussenglockenausführung vorteilhaft um ca- 20-30% erhöht werden.

[0007] Ein weiterer Vorteil der Innenglocke besteht darin, dass die kraftwirksame Länge der Permanentmagnete bei gegebenem Bauraum weiter erhöht werden kann. Während bei der Aussenglocke der Glockenboden, insbesondere bei der Gestaltung als beidseitige Glocke, eine Trennung der Permanentmagnete erfordert, kann bei der Innenglocke in axialer Richtung die Glocke auf der ganzen Länge mit Permanentmagneten bestückt werden.

[0008] Bei hoher Belastung, z.B. hohen Drehzahlen, ist eine Komplettkapselung bzw. Ummantelung der Magnete vorteilhaft, damit ein Ausbrechen oder Absplittern der Magnete in Radialrichtung verhindert wird. Dies kann beispielsweise durch ein nichtmagnetisches Material, z.B. eine Folie oder einen Schrumpfschlauch bzw. durch Verklebung an der Oberfläche erreicht werden.

[0009] Die Erfindung sieht ebenfalls vor, dass zwei topfförmige Teile bzw. Glocken axial nebeneinander auf der Welle angeordnet sind und zusammen den Rotor bilden. Dabei können die bodenförmigen Wandungen zweier benachbart angeordneten Töpfe durch eine gemeinsame Bodenwandung gebildet sein. Es ist ebenso möglich, dass die zylindrische Wandung zweier benachbarter topfförmiger Teile durch eine gemeinsame Hülse gebildet ist, wobei dann die Kraftübertragung über eine gemeinsame oder durch zwei oder mehrere Bodenwandungen von der zylindrischen Wandung auf die Welle erfolgt.

[0010] Es ist selbstverständlich ebenso möglich, mehrere Permanentmagnete in axialer Richtung nebeneinander in einem topfförmigen Teil anzuordnen. Gleiches gilt auch für die Anordnung von mehreren axial nebeneinander angeordneten topfförmigen Teilen, welche ebenfalls jeweils mehrere axial nebeneinander angeordnete Permanentmagnete aufweisen können. Der Vorteil mehrerer aneinander gereihter Magnete mit kleinem Abstand besteht darin, dass die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Permanentmagneten und Glocke sich nicht negativ auswirken. Auch kann die axiale Länge der axial nebeneinander angeordneten topfförmigen Teile unterschiedlich sein.

[0011] Eine vorteilhafte Einbettung bei gleichzeitig leichter Montage kann dadurch erreicht werden, dass die Permanentmagnete jeweils einseitig an einer Ausdrückung bzw. Sicke der Glocke anliegen und jeweils zwei benachbarte Magnete durch ein Füllmaterial mit großen Temperaturkoeffizienten, z.B. Giesharz, Kleber, im Abstand zueinander fixiert werden. Das Füllmaterial gewährleistet eine Temperaturkompensation bei Erwärmung des Motors. Vorzugsweise werden die Permanentmagnetelemente auf der Glockenauflagefläche verklebt. Dies ist erforderlich, da die Permanentmagnete einen sehr kleinen Ausdehnungskoeffizienten besitzen.

[0012] Die vorbeschriebenen topfförmigen Teile sind ähnlich den Glocken bekannter Glockenläufer ausgestaltet. Die zylindrische Wandung stützt sich radial jedoch nur über die Bodenwandung an der Welle ab.

[0013] Der Antrieb wird entweder als kontinuierlich drehender Motor, Schrittmotor oder Segmentmotor verwendet. Ebenso ist es möglich, den Antrieb auch als Linearantrieb zu verwenden. Beim Linearantrieb wird der Rotor nicht um seine Achse verdreht, sondern in axialer Richtung vom Magnetfeld hin und her verstellt.

[0014] Auch ist es möglich, dass die Spulen des 5 Außenstators und die Permanentmagnete des Rotors wie bei einem Transversalflußmotor angeordnet sind. Ein derartiger Transversalflußmotor ist z.B. im "Handbuch Elektrische Kleinantriebe", Carl Hanser Verlag, beschrieben. Der Innenstator ist dabei entsprechend auszugestalten.

[0015] Nachfolgend werden verschiedene Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antriebs anhand von Zeichnungen näher erläutert.

[0016] Es zeigen:

  • Fig. 1: Erfindungsgemäßer elektrischer Antrieb mit zwei Glocken als Innenläufer;
  • Fig. 1a: Detaildarstellung der Konstruktion der Glocken;
  • Fig. 1b: Querschnittsdarstellung durch eine Glocke;
  • Fig. 2: Antrieb mit nur einer einseitigen Glocke;
  • Fig. 3: erfindungsgemäßer Antrieb als Segmentmotor;
  • Fig. 4: erfindungsgemäßer Antrieb als Linearmotor;

[0017] Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebs. Zur Übertragung des im Antrieb erzeugten Drehmoments ist eine Antriebswelle 1 vorgesehen, die mit zwei Wälzlagern 2 drehbar im Gehäuse des Antriebs gelagert ist. Das Gehäuse setzt sich aus den beiden Gehäusehälften 4 und dem Gehäusemantel 3 zusammen. Die Gehäusehälften 4 weisen zylindrische Wandungen 4a auf, die an den stirnseitigen Gehäusewänden 4b angeformt sind. Die zylindrischen Wandungen 4a tragen den Innenstator 11, 11a, welcher zweigeteilt ist und einen Zwischenraum Z in der Mitte bildet. Durch den Zwischenraum Z greifen die Bodenwandungen 8b der topfförmigen Teile 8 hindurch und stützen sich mit ihrem nach außen gerichteten Kragen 8c ab, welcher durch ein entsprechendes Profil die Drehmomentübertragung zwischen Rotor und Welle gewährleistet. In axialer Richtung sind die topfförmigen Teile 8 gegen axiales Verschieben mittels Sicherungsringen 13 gesichert, welche in Nuten des mittleren Bereichs 1a der Welle 1 formschlüssig einliegen. Die topfförmigen Elemente sind mit ihren scheibenförmigen Bodenwandungen 8b zueinander zugewandt, sodass die Innenstatoren 11, 11a, welche auf den zylindrischen Wandungen 4a der Gehäuseteile 4 angeordnet sind, in die Töpfe mit den daran angeordneten Permanentmagneten axial von außen montierbar sind.

[0018] Jedes topfförmige Teil 8 hat eine radial außen an der Bodenwandung 8b angeformte zylindrische Wandung 8a. Außen an der zylindrischen Wandung 8a sind die Permanentmagnete 14 angebracht. Die Glocke ist am äußeren Ende 8d umgestülpt, was die Magnete axial fixiert und zu einer merklichen Versteifung beiträgt.

[0019] Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Antrieb ist als sogenannter Innenläufer ausgebildet, das heißt, lediglich der Außenstator 5, 6 trägt Erregerspulen 12. Der Innenstator 11, 11a dient lediglich für den magnetischen Rückschluss. Zwischen der Glocke und dem Innenstator 11 ist ein Luftspalt 10, zwischen Glocke und dem Außenstator 5 ein zweiter Luftspalt 7 vorgesehen. Vorzugsweise sind die Luftspalte 7 und 10 gleich groß. Die Pole der Außen- und Innenstatoren sind derart ausgebildet, dass sie zusammen mit den im topfförmigen Teil 8 befindlichen Permanentmagneten 14 Magnetkreise bilden, die die zylindrische Wandung 8a und Ummantelung 9 vollständig durchdringen. Die Permanentmagnete 14 sorgen dabei für eine magnetische Vorspannung.

[0020] Die Permanentmagnete 14 sind außen auf die zylindrische Wandung 8a aufgeklebt. Sie können jedoch auch andersartig an der zylindrischen wandung befestigt werden.

[0021] Die Fig. 1a zeigt lediglich Ausschnitte des Rotors, der eine Abdeckung bzw. Ummantelung 9 der Magnete aufweist. Die Abdeckung ist vorzugsweise als Folie oder Schrumpfschlauch ausgeführt, und gewährleistet, dass die Permanentmagnete am Absplittern oder Ausbrechen gehindert werden, wenn hohe radiale Belastungen, z.B. Zentrifugalkräfte durch hohe Drehzahlen, auf den Rotor wirken. Die Abdeckung ist vorzugsweise sehr dünnwandig ausgeführt, so dass der Abstand der Permanentmagnete zum Erregerstator möglichst gering ist. Ferner ist dargestellt, dass die Magnete 14a, 14b in axialer Richtung mehrteilig ausgeführt sind. Aus Kostengründen ist es sinnvoll, dass in axialer Richtung möglichst viele Magnete angeordnet sind, damit das Verhältnis der Länge der Magnete zur Breite und Höhe möglichst klein wird. Außerdem ist der unterschiedliche Ausdehnungskoeffizient der Permanentmagnete und der Glocke somit besser beherrschbar.

[0022] Die Fig. 1b zeigt einen Querschnitt durch ein Segment des Rotors. Die zylindrische Wandung 8a des äußeren Topfes weist Sicken bzw. Einkerbungen 8f auf, an denen die Permanentmagnetelemente 14 einseitig anliegen. Der verbleibende Zwischenraum zwischen den Magneten wird mit einem Füllmaterial, z.B. Gießharz 16, gefüllt ist, welches die Ausdehnungsunterschiede der einzelnen Teile zueinander bei Temperaturschwankungen ausgleicht. Bekanntlich haben die Magnete quer zur Magnetisierungsrichtung sehr kleine oder negative Ausdehnungskoeffizienten. Ferner ist in Fig. 1b ein Ausschnitt des Erregerjoches 5 dargestellt, welches konusförmige Schenkel 5a aufweist und die Erregerspulen 12 trägt. Das Innenjoch 11 ist vorzugsweise als zylindrisches Blechpaket ohne Pole ausgeführt. Die Vermeidung von Polen beim Innenjoch wirkt sich vorteilhaft auf das Rastmoment aus. Die konusförmige Gestaltung der Erregerjochschenkel ermöglicht hohe Durchflutungen sowie eine einfache Spulenmontage. Das Innen und auch Außenjoch hat ein entsprechendes Profil, welches in das Gehäuse 4 hineinragt und damit verdrehsicher ist.    

[0023] Die Fig. 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, mit lediglich einer Glocke 28, die mit ihrer Bodenwandung 28b durch Befestigungsmittel 30 an dem Bereich 1b der Welle 1 drehsicher befestigt ist. Die Glocke 28 umgreift mit ihrer gesamten axialen Länge 10 den Innenstator 11. Der Innenstator 11 ist auf einer zylindrischen Wandung 24a des rechten Gehäuseteils 24 gelagert. Das Gehäuse selbst ist durch die zylindrische Mantelfläche 3 und das weitere Gehäuseteil 25 verschlossen, wobei die Welle 1 über Lager 26 drehbar im 15 Gehäuse gelagert ist. Die Glocke 28 weist eine zylindrische Wandung 28a auf, an der außenliegend die Permanentmagnete 14 anliegen und mit dem Außenstator 5 einen Luftspalt 7 bilden. Von außen werden die Permanentmagnete über einen Schrumpfschlauch  29 gehalten. Zwischen Glocke 28 und Rückschluss bzw. Innenstator 11 ist ein zweiter Luftspalte 10 vorgesehen, der vorzugsweise gleich so groß ist wie der Luftspalt 7. Durch eine nicht dargestellte Lagerstelle für die Welle im Gehäuse 24a, kann das Gehäuse 25 auf dieser Seite 25 geschlossen ausgebildet werden.

[0024] Die Fig. 3 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebs, wobei dieser als Segmentmotor ausgebildet ist. Der Segmentmotor weist eine asymmetrische Glocke 38 auf. Die Magnete    30 34 sind außerhalb der Glocke angeordnet  und  stützen sich in Umfangsrichtung an den Sicken 38d ab, wobei zwischen den benachbarten Permanentmagneten 34 Temperaturausgleichselemente 36 angeordnet sind. Der Außenstator 31 trägt die Erregerspule 32. Der Innenstator 11 ist als zylindrisches Segment ausgeführt. Die Glocke 38 ist über ihre Bodenwandung 38b an dem Übertragungsglied 40 mit der Welle 39 verbunden. Die Kraftübertragung vom zylindrischen Mantel 38a und dem Übertragungsglied 40 kann entweder am Ende einer Glocke oder zwischen zwei Glocken erfolgen. Die Glocke 38 hat hierfür eine entsprechende Aussparung 42. Von dem Übertragungsglied 40 kann über die Lagerbohrung 41 ein nicht gezeichnetes Kopplungsglied angeschlossen werden.

[0025] Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebs als Linearantrieb. In der dargestellten Ausführungsform trägt der Außenstator 51 eine oder mehrere Erregerspulen 59. In dieser Ausgestaltung sind die Magnete 54 außen an der Glocke 58 50 angeordnet, wobei sie durch Temperaturausgleichselemente 56 voneinander beabstandet sind und durch Sikken oder Stegen 58d in der Glocke sowie einem optionalen und nach außen gerichteten Kragen (nicht dargestellt) in Position gehalten sind. Die zylindrische Wandung 58a ist über die Bodenwandung 58b mit der Welle W in Verbindung. Zwischen der zylindrischen Außenfläche der zylindrischen Wandung 58a und dem Innenstator 51 ist ein Luftspalt. Ebenfalls ist ein Luftspalt zwischen dem Außenstator 55 und den Permanentmagnetelementen 54. Der magnetische Fluß durchdringt die zylindrische Wandung 58a sowie beide Luftspalte und bildet zusammen mit den Permanentmagnetelementen 54 sowie beider Statoren mehrere Magnetkreise.

[0026] Auch bei dem Antrieb gem. der Figur 4 kann optional eine nicht dargestellte Ummantelung vorgesehen werden.

[0027] Die Glocke kann rund, oval oder auch als Rechteck oder Kastenprofil ausgebildet sein. Sie ist aus ferromagnetischem Material ausgeführt und über die beiden Lager L und über die Welle W in axialer Richtung verschieblich gelagert. An der Welle W kann zum Beispiel ein Ventil V eines Verbrennungsmotors befestigt sein, welches durch den sich auf- und ab bewegenden Rotor periodisch öffnet bzw. schließt.

[0028] Sofern die Magnete an ihrer Kontaktfläche zur zylindrischen Wandung des Rotors flach ausgebildet sind, sollte der Kontaktbereich der zylindrischen Wandung ebenfalls flach ausgebildet sein, damit die Permanentmagnetelemente vollflächig an der zylindrischen Wandung anliegen. Hierdurch können geometrisch einfach und kostengünstig herstellbare Magnete einfach und vollflächig mit der Wandung verklebt werden.

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