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WO2018184769A1 - Rotor für einen bürstenlosen gleichstrommotor, insbesondere für einen innenläufer-elektromotor, und elektromotor mit einem solchen rotor - Google Patents

Rotor für einen bürstenlosen gleichstrommotor, insbesondere für einen innenläufer-elektromotor, und elektromotor mit einem solchen rotor Download PDF

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WO2018184769A1
WO2018184769A1 PCT/EP2018/055019 EP2018055019W WO2018184769A1 WO 2018184769 A1 WO2018184769 A1 WO 2018184769A1 EP 2018055019 W EP2018055019 W EP 2018055019W WO 2018184769 A1 WO2018184769 A1 WO 2018184769A1
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WO
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rotor
electric motor
ring magnet
stator
ring
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Application number
PCT/EP2018/055019
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English (en)
French (fr)
Inventor
Patrick Budaker
Joachim Heizmann
Michael PALSULE DESAI
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to US16/603,290 priority patent/US20210111601A1/en
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Definitions

  • Rotor for a brushless DC motor in particular for an internal rotor electric motor, and electric motor with such a rotor
  • the invention relates to a rotor for an electric motor, in particular for an internal rotor electric motor. Furthermore, the invention relates to an electric motor with a rotor according to the invention.
  • An electric motor is an energy converter that converts electrical energy into mechanical energy.
  • Such an electric motor includes a stator that forms the stationary motor part and a rotor that forms the moving motor part.
  • the annular or cylindrical rotor generally encloses the motor shaft on which it is also fastened, and in turn is enclosed by the stator which is spaced apart from the rotor in the radial direction.
  • the stator is usually provided with a stator yoke, on which radially to the center, inwardly projecting stator teeth are arranged, whose rotor-facing ends form the so-called pole piece.
  • the associated stator of the motor coils must be interconnected in a certain way. The way this interconnection is defined by applied to the stator teeth windings, which generate a magnetic field in the electromotive operation.
  • the stator material is usually metallic, for example soft magnetic iron.
  • the winding scheme may for example describe a star connection of the coils or a delta connection of the coils. Belongs to the stator a plurality of coils to be interconnected with each other, then the interconnection is very expensive, since the respective coils are to be connected by individual wires in a certain way with each other.
  • a disadvantage of the design of the rotor with ring magnets is that the ring magnets are mechanically less robust due to their manufacturing process and can not absorb the centrifugal forces occurring at large rotor radii and / or high rotational speeds without damage. As a result, the motor powers of electric motors with such rotors are generally comparatively low.
  • the object of the invention is to improve the above-mentioned disadvantages and to provide a rotor for an electric motor, which at the same time has a comparatively high magnetic flux and a low leakage flux, but at the same time is suitable for high rotational speeds. Furthermore, the invention has the object to further develop an electric motor and a hand tool according to.
  • the invention comprises a rotor for a brushless DC motor having a shaft, a rotor core arranged on the shaft, wherein the rotor core serves as a return body, and a ring magnet attached to the rotor core and surrounding the rotor core.
  • the ring magnet is designed in the form of an annular disk, wherein a radial direction and a circumferential direction are defined by the annular disk shape.
  • the winding of the rotor is connected in delta connection.
  • the delta connection proves to be advantageous in the production, since they usually smaller wire diameter required in brushless DC motor with small turns and large wire diameters (eg in battery-powered hand tool) than the star connection, the delta connection is advantageous in the production.
  • Adapting the form of the source voltage to the current form results in higher machine utilization and a more uniform torque curve.
  • the ring magnet has a radial anisotropic grain structure.
  • ring magnets deliver a higher overall magnetic flux due to the larger pole width and the lower leakage flux.
  • the magnetic remanence flux density can be increased, which in turn reduces the active axial length of the motor and / or the electrical resistance and the power density of the electric motor can be increased in comparison.
  • the ring magnet is preferably a multi-pole magnetized NdFeB ring magnet on the outer circumference.
  • the ring magnet has at least three pole pairs, preferably at least 8 pole pairs, more preferably at least 18 pole pairs.
  • the ring magnet is a sintered rare earth magnet of SmCo powder, a sintered ferrite magnet of NdFeB powder, a hot-pressed / hot-formed magnet, or a bonded magnet, wherein the radially anisotropic grain structure is produced by a two-stage compaction method.
  • the radially oriented anisotropic injection molded ring magnets are usually manufactured by electromagnetic orientation technology. Unlike simple permanent magnet orientation, magnets made by electromagnetic orientation are demagnetized before sinking, and then polarized according to the desired requirements.
  • the ring magnet By producing the ring magnet by hot pressing the NdFeB powder, an increased mechanical strength or robustness of the ring magnet can be ensured.
  • the radial anisotropy introduced in a separate production step of the grain structure of the ring magnet leads to a remanent flux density which is again increased by approximately 10% compared to conventionally sintered ring magnets and thus to an increased power density.
  • the production of the ring magnet can also be produced by another method, for example by the extrusion method.
  • the ring magnet is attached to the rotor core by one of the attachment methods from the group gluing, soldering, thermal shrinking, welding.
  • the geometry and topology of the stator can vary as the number of pole pairs of the ring magnet depending on the design.
  • An inventive radial anisotropic ring magnet is not subject to any restrictions in terms.
  • Another object of the present invention is an electric motor, preferably brushless internal rotor electric motor.
  • the electric motor comprises a stator and a rotor.
  • the stator has an annular disk-shaped stator yoke through which a radial direction and a circumferential direction are defined, as well as a defined number of pole teeth projecting radially inward from the stator yoke.
  • the rotor is enclosed by the stator in the radial direction. Between the stator and the rotor, a gap is arranged with a defined width.
  • the electric motor comprises a number of coils corresponding to the number of pole teeth, the coils being wound around the corresponding pole teeth. According to the invention, it is provided that the rotor according to one of the disclosed in the claims 1 to 12 and above embodiments is formed.
  • the electric motor has an idling speed of at least 24,000 revolutions per minute and a rotor diameter of the rotor of 30mm.
  • the coils of the electric motor are electrically connected in parallel.
  • a further subject of the present invention is a handheld power tool comprising an electric motor according to any one of claims 13 to 15.
  • FIG. 1 shows a detail of a rotor according to the invention and of an electric motor according to the invention
  • FIG. 2 shows an example of a delta connection with a parallel single-tooth winding
  • Fig. 4 is a schematic representation of a ring magnet with radially isotropic orientation of the magnetic preferred direction.
  • the rotor 10 of the electric motor 100 comprises inter alia a shaft 12, a rotor core 14 arranged on the shaft 12, wherein the rotor core 14 serves as a return body. Furthermore, the electric motor 100 comprises at least one ring magnet 16 fastened to the rotor core 14 and surrounding the rotor core 14.
  • the ring magnet 16 is of cylindrical ring shape, a radial direction and a circumferential direction being defined by the circular ring disk shape or cylinder ring shape.
  • the at least one ring magnet 16 is attached to the rotor core 14 by one of the attachment methods of the bonding, soldering, thermal shrinking, or welding group.
  • the electric motor 100 comprises a stator 20, wherein the stator 20 is an annular disc-shaped stator yoke 22, through which a radial direction and a circumferential direction is defined, and a defined number of from the stator yoke 22 to radially inwardly projecting pole teeth 24 has.
  • the pole teeth 24 are wound with a corresponding number of coils 30.
  • the ring magnet 16 has a radially anisotropic grain structure.
  • this radial anisotropy can be achieved in a compaction step following the first hot pressing, thus by a two-stage compaction process.
  • the ring magnet 16 may be a sintered ring magnet 16 of SmCo powder or NdFeB powder, wherein the radially anisotropic grain structure is also made by a two-stage compaction process.
  • the radially oriented anisotropic injection molded ring magnets 16 are typically manufactured by electromagnetic orientation technology. Unlike simple permanent magnet orientation, magnets made by electromagnetic orientation are demagnetized before sinking, and then polarized according to the desired requirements. In this way, for example, a ring magnet 16 shown in FIG. 4 can be produced with a radially isotropic orientation of the preferred magnetic direction.
  • the ring magnet 16 By producing the ring magnet 16 by hot pressing the NdFeB powder, an increased mechanical strength or robustness of the ring magnet can be ensured.
  • the radial anisotropy introduced in a separate production step of the grain structure of the ring magnet 16 leads to a remanent flux density which is again increased by approximately 10% compared to conventionally sintered ring magnets 16 and thus to an increased power density.
  • the production of the ring magnet 16 can also be produced by another method, for example by the extrusion method.
  • the anisotropy improves the magnetic remanence flux density up to 10% compared to conventional sintered NdFeB magnets and by a factor of 2.2 compared to the usual plastic-bonded NdFeB magnets.
  • This gain in magnetic flux across the ring magnet 16 can reduce the active axial length of the electric motor 100 and / or its electrical resistance. In accordance with the invention, this makes it possible to increase the power density of the electric motor 100 and at the same time its mechanical robustness. As a result, high speeds are possible even with large rotor diameters.
  • an electric motor 100 designed according to the invention can drive a rotational speed of more than 24000 rpm when idling at a rotor diameter of 30 mm.
  • Comparable values are currently provided in the prior art only with rotors with buried magnets, but with the above-mentioned disadvantages, which brings this construction with it.
  • the ring magnet 16 has at least three pole pairs, preferably at least 8 pole pairs, more preferably at least 18 pole pairs.
  • the number of pole pairs of the ring magnet varies depending on the design in terms of size and power of the electric motor, with a radially anisotropic ring magnet in this respect is subject to any restrictions.
  • the higher magnetic flux in a rotor according to the invention also requires larger cross sections in the stator geometry.
  • the number of poles is in principle not limited in the construction according to the invention, since a larger number of pole pairs reduces the cross section of the iron yoke. This is because the magnetic flux can divide to a higher number of pole pairs.
  • induced source voltage also called electromotive force or induced EMF voltage of the electric motor
  • the current waveform in the figure has a typical 120 ° block commutation
  • the induced source voltage is trapezoidal. This results in a high machine utilization and a largely uniform torque curve.
  • the trapezoidal shape of the source voltage achieves the largest possible machine utilization or largest power factor of the electric motor.
  • the induced source voltage is sinusoidal.
  • FIG. 4b shows a top view of the radially isotropic ring magnet 16 with an exemplary representation of the preferred magnetic direction.
  • 4a shows a corresponding sectional view.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung umfasst einen Rotor für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Welle, einem auf der Welle angeordneten Rotorkern, wobei der Rotorkern als Rückschlusskörper dient, und einem an dem Rotorkern befestigten und den Rotorkern umgebenden Ringmagneten. Der Ringmagnet ist kreisringscheibenförmig ausgebildet, wobei durch die Kreisringscheibenform eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definiert ist. Ferner ist eine Lochzahl q durch die Gleichung q=N/(2pm) definiert, wobei N die Anzahl von Nuten in dem Rotor repräsentiert, p eine Polpaarzahl des Rotors, und m eine Phasenanzahl. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wicklung des Rotors in Dreieckschaltung geschaltet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Rotor für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, insbesondere für einen Innenläufer-Elektromotor, und Elektromotor mit einem solchen Rotor
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Elektromotor, insbesondere für einen Innenläufer-Elektromotor. Ferner betrifft die Erfindung einen Elektromotor mit einem erfindungsgemäßen Rotor.
Ein Elektromotor ist ein Energiewandler, der elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Ein derartiger Elektromotor umfasst einen Stator, der das feststehende Motorteil bildet, und einen Rotor, der das sich bewegende Motorteil bildet. Bei einem Innenläufermotor umschließt der kreisringförmige oder zylinderringförmige Rotor in der Regel die Motorwelle, auf welcher er auch befestigt ist, und wird seinerseits wiederum von dem in radialer Richtung vom Rotor beab- standeten Stator umschlossen.
Der Stator ist üblicherweise mit einem Statorjoch versehen, an dem radial zur Mitte, nach innen ragende Statorzähne angeordnet sind, deren dem Rotor zugewandten Enden den sogenannten Polschuh bilden. Zur Gewährleistung der Funktion eines Elektromotors müssen unter anderem die dem Stator des Motors zugehörigen Spulen in bestimmter Weise miteinander verschaltet werden. Die Art und Weise dieser Verschaltung wird durch auf die Statorzähne aufgebrachte Wicklungen, die im elektromotorischen Betrieb ein Magnetfeld erzeugen definiert. Zur Führung und Verstärkung des durch die bestromten Wicklungen erzeugten magnetischen Feldes ist das Statormaterial üblicherweise metallisch, beispielsweise weichmagnetisches Eisen. Dabei kann das Wickelschema beispielsweise eine Sternschaltung der Spulen oder eine Dreieckschaltung der Spulen beschreiben. Gehört dem Stator eine Vielzahl von miteinander zu verschaltenden Spulen an, dann ist die Verschaltung sehr aufwendig, da die jeweiligen Spulen durch Einzeldrähte in bestimmter Weise miteinander zu verbinden sind.
Nachteilig bei der Bauform des Rotors mit Ringmagneten ist jedoch, dass die Ringmagnete aufgrund ihres Herstellungsverfahrens mechanisch weniger robust sind und so die bei großen Rotorradien und/oder hohen Umdrehungsgeschwin- digkeiten auftretenden Fliehkräfte nicht unbeschadet aufnehmen können. Infolge dessen sind die Motorleistungen von Elektromotoren mit solchen Rotoren im allgemeinen vergleichsweise niedrig.
Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu verbessern und einen Rotor für einen Elektromotor anzugeben, der gleichzeitig einen vergleichsweise hohen magnetischen Fluss sowie einen geringen Streufluss aufweist, gleichzeitig jedoch für hohe Drehzahlen geeignet ist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Elektromotor und eine Handwerkzeugmaschine entsprechend weiterzubilden.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch einen Rotor nach Anspruch 1 sowie durch einen Elekt- romotor nach Anspruch 13 und eine Handwerkzeugmaschine nach Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Varianten und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung umfasst einen Rotor für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Welle, einem auf der Welle angeordneten Rotorkern, wobei der Rotorkern als Rückschlusskörper dient, und einem an dem Rotorkern befestigten und den Rotorkern umgebenden Ringmagneten. Der Ringmagnet ist kreisringscheibenför- mig ausgebildet, wobei durch die Kreisringscheibenform eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definiert ist. Ferner ist eine Lochzahl q durch die Glei- chung q=N/(2pm) definiert, wobei N die Anzahl von Nuten in dem Rotor reprä- sentiert, p eine Polpaarzahl des Rotors, und m eine Phasenanzahl. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wicklung des Rotors in Dreieckschaltung geschaltet ist. Grundsätzlich erweist sich die Dreieckschaltung als vorteilhaft in der Herstellung, da sie bei bürstenlosen Gleichstrommotor mit kleinen Windungszah- len und großen Drahtdurchmessern (z.B. in akkubetriebenen Handwerkzeugmaschinen) in der Regel kleinere Drahtdurchmesser benötigt als die Sternschaltung, ist die Dreieckschaltung vorteilhaft in der Herstellung.
Bevorzugterweise weist eine Rotorwicklung eine Lochzahl q von q=0,5 auf, wobei die Form einer Quellenspannung des Elektromotors an die Stromform angepasst ist. Bei Anpassung der Form der Quellenspannung auf die Stromform (beides nahezu trapezförmig) ergibt sich eine höhere Maschinenausnutzung und ein gleichförmigerer Drehmomentverlauf. Dabei ist es von Vorteil, dass die Form der Quellenspannung einen im nahezu trapezförmigen oder einen im nahezu sinusförmigen Verlauf hat, wobei durch die Kombination aus Lochzahl q=0,5 (z.B.: 9-slot / 6-pol) und Dreieckschaltung der Wicklung eine besonders günstige nahezu Trapezform der induzierten die Quellenspannung von Phase zu Phase erzielt werden kann.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor eine Blockkommutierung von 120° verwendet wird. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Trapezform der die Quellenspannung bei 120° Blockkommutierung des elektrischen Stroms die größtmögliche Maschinenaus- nutzung bzw. den größtmöglichen Leistungsfaktor dieser Maschine erreicht werden kann, wobei sich vorteilhafterweise auch kleinere Drahtdurchmesser mit geringerem Drahtzug kompakter und effizienter nadelwickeln lassen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Ringmagnet eine ra- dial anisotrope Kornstruktur auf. Grundsätzlich liefern Ringmagnete im Vergleich einen höheren magnetischen Gesamtfluss durch die größere Polebreite und dem geringeren Streufluss. Durch einen erfindungsgemäßen Rotor kann die magnetischen Remanenzflussdichte erhöht werden, wodurch wiederum im Vergleich die aktive axiale Länge des Motors und/oder den elektrischen Widerstand verringert und die Leistungsdichte des Elektromotors erhöht werden kann. Bevorzugterweise ist der Ringmagnet ein mehrpolig am Außenumfang magneti- sierter NdFeB-Ringmagnet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Ringmagnet zumindest drei Polpaare, vorzugsweise zumindest 8 Polpaare, besonders bevorzugterweise zumindest 18 Polpaare auf.
Vorteilhafterweise ist der Ringmagnet ein gesinterten Seltenerdmagnet aus SmCo-Pulver, ein gesinterten Ferritmagnet aus NdFeB-Pulver, ein heißgepress- ter/ heißverformter Magnet oder ein gebundenen Magnet, wobei die radial anisotrope Kornstruktur durch ein zweistufiges Kompaktierungsverfahren hergestellt wird. Die radial orientierten anisotropen spritzgegossenen Ringmagnete werden üblicherweise durch elektromagnetische Orientierungstechnologie hergestellt. Anders als die einfache Permanentmagnetorientierung werden Magneten, die durch elektromagnetische Orientierung hergestellt werden, vor dem Sinken entmagnetisiert, und anschließend entsprechend den gewünschten Anforderungen polarisiert.
Durch die Herstellung des Ringmagnets durch Heißpressen des NdFeB Pulvers kann eine erhöhte mechanische Belastbarkeit bzw. Robustheit des Ringmagneten gewährleistet werden. Außerdem führt die in einem separaten Herstellungsschritt eingebrachte radiale Anisotropie der Kornstruktur des Ringmagneten zu einer gegenüber herkömmlich gesinterten Ringmagneten nochmals um etwa 10% erhöhten Remanenzflussdichte und somit einer gesteigerten Leistungsdichte.
Alternativ kann die Herstellung des Ringmagneten auch nach einem anderen Verfahren hergestellt werden, beispielsweise nach dem Fließpressverfahren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ringmagnet an dem Rotorkern durch eines der Befestigungsverfahren aus der Gruppe Aufkleben, Löten, thermisches Aufschrumpfen, Schweißen befestigt.
Weiterhin kann die Geometrie und Topologie des Stators so wie die Polpaarzahl des Ringmagneten je nach Auslegung variieren. Ein erfindungsgemäßer radial anisotroper Ringmagnet unterliegt in der Hinsicht keiner Restriktionen. Einen weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet ein Elektromotor, bevorzugterweise bürstenloser Innenläufer-Elektromotor. Der Elektromotor um- fasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator weist ein kreisringscheibenförmi- ges Statorjoch, durch welches eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definiert ist, sowie eine definierte Anzahl an von dem Statorjoch nach radial innen abstehende Polzähne auf. Der Rotor ist von dem Stator in radialer Richtung eingeschlossen. Zwischen dem Stator und dem Rotor ist ein Spalt mit definierter Breite angeordnet. Ferner umfasst der Elektromotor eine mit der Anzahl der Polzähne korrespondierende Anzahl Spulen, wobei die Spulen um die korrespondierenden Polzähne gewickelt sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Rotor gemäß nach einer der in den Ansprüchen 1 bis 12 offenbarten und oben genannten Ausführungsformen ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise weist der Elektromotor eine Leerlaufdrehzahl von zumindest 24000 Umdrehungen pro Minute und einen Rotordurchmesser des Rotors von 30mm aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen des Elektromotors elektrisch parallel verschaltet.
Einen weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet eine Handwerkzeugmaschine die einen erfindungsgemäßen Elektromotor nach einem der Ansprüche 13 bis 15 umfasst.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche in den Figuren dargestellt sind. Die Beschreibung, die zugehörigen Figuren sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale, insbesondere auch die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele, auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Dabei ist zu beachten, dass die dargestellten Merkmale nur einen beschreibenden Charakter haben und auch in Kombination mit Merkmalen anderer oben beschriebener Weiterentwicklungen verwendet werden können und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind schematisch und zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Rotor sowie aus einem erfindungsgemäßen Elektromotor;
Fig. 2 ein Beispiel einer Dreieckschaltung mit einer parallelen Einzelzahnwicklung;
Fig. 3 ein Beispiel einer angepassten Form einer induzierten Quellenspannung; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ringmagnetes mit radial isotroper Ausrichtung der magnetischen Vorzugsrichtung.
Figur 1 zeigt ein Segment von 120° aus einem Teilquerschnitt eines erfindungsgemäßen Elektromotors 100. Der Rotor 10 des Elektromotors 100 umfasst unter anderem eine Welle 12, einen auf der Welle 12 angeordneten Rotorkern 14, wobei der Rotorkern 14 als Rückschlusskörper dient. Ferner umfasst der Elektromotor 100 zumindest einen an dem Rotorkern 14 befestigten und den Rotorkern 14 umgebenden Ringmagneten 16. Der Ringmagnet 16 ist kreisringringscheibenför- mig der zylinderringförmig ausgebildet, wobei durch die Kreisringscheibenform bzw. die Zylinderringform eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definiert ist.
Der zumindest eine Ringmagnet 16 ist an dem Rotorkern 14 durch eines der Befestigungsverfahren aus der Gruppe Aufkleben, Löten, thermisches Aufschrumpfen, oder Schweißen befestigt.
Es ist ferner erkennbar, dass der Elektromotor 100 einen Stator 20 umfasst, wobei der Stator 20 ein kreisringscheibenförmiges Statorjoch 22, durch welches eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definiert ist, sowie eine definierte Anzahl an von dem Statorjoch 22 nach radial innen abstehende Polzähne 24 aufweist. Die Polzähne 24 sind mit einer korrespondierende Anzahl Spulen 30 umwickelt. Dieser prinzipielle Aufbau ist bei Innenläufer-Elektromotoren an sich bekannt und wird nicht weiter im Detail beschrieben.
Erfindungsgemäß weist der Ringmagnet 16 eine radial anisotrope Kornstruktur auf. In einer Ausführungsform, in welcher der Ringmagnet 16 ein aus NdFeB Pulver heißgepresster Ringmagnet 16 ist, kann diese radiale Anisotropie in einem dem ersten Heißpressen nachgeschalteten Kompaktierungsschritt, somit durch ein zweistufiges Kompaktierungsverfahren, erreicht werden.
Alternativ dazu und gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Ringmagnet 16 ein gesinterter Ringmagnet 16 aus SmCo-Pulver oder aus NdFeB-Pulver sein, wobei die radial anisotrope Kornstruktur ebenfalls durch ein zweistufiges Kompaktierungsverfahren hergestellt wird. Die radial orientierten anisotropen spritzgegossenen Ringmagnete 16 werden üblicherweise durch elektromagnetische Orientierungstechnologie hergestellt. Anders als die einfache Permanentmagnetorientierung werden Magneten, die durch elektromagnetische Orientierung hergestellt werden, vor dem Sinken entmagnetisiert, und anschließend entsprechend den gewünschten Anforderungen polarisiert. Auf diese Art und Weise kann beispielsweise ein in Figur 4 dargestellter Ringmagnet 16 mit radial isotroper Ausrichtung der magnetischen Vorzugsrichtung hergestellt werden.
Durch die Herstellung des Ringmagnets 16 durch Heißpressen des NdFeB Pulvers kann eine erhöhte mechanische Belastbarkeit bzw. Robustheit des Ringmagneten gewährleistet werden. Außerdem führt die in einem separaten Herstellungsschritt eingebrachte radiale Anisotropie der Kornstruktur des Ringmagneten 16 zu einer gegenüber herkömmlich gesinterten Ringmagneten 16 nochmals um etwa 10% erhöhten Remanenzflussdichte und somit einer gesteigerten Leistungsdichte. Alternativ kann die Herstellung des Ringmagneten 16 auch nach einem anderen Verfahren hergestellt werden, beispielsweise nach dem Fließpressverfahren.
Die Anisotropie verbessert die magnetische Remanenzflussdichte bis zu 10% genüber herkömmlichen gesinterten NdFeB Magneten und um den Faktor 2,2 gegenüber den üblichen kunststoffgebundenen NdFeB Magneten. Durch diesen Gewinn an magnetischem Fluss über den Ringmagneten 16 kann die aktive axiale Länge des Elektromotors 100 und/oder sein elektrischer Widerstand verringert werden. Erfindungsgemäß lässt sich dadurch die Leistungsdichte des Elekt- romotors 100 und gleichzeitig seine mechanische Robustheit erhöhen. Hierdurch sind hohe Drehzahlen auch bei großen Rotordurchmessern möglich.
Beispielsweise hat sich gezeigt, dass ein erfindungsgemäß konstruierter Elektromotor 100 eine Drehzahl von über 24000 rpm im Leerlauf bei einem Rotordurch- messer von 30mm fahren kann. Vergleichbare Werte werden im Stand der Technik derzeit nur mit Rotoren mit vergrabenen Magneten geliefert, allerdings mit den oben genannten Nachteilen, die diese Bauweise mit sich bringt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der der Ringmagnet 16 zumindest drei Polpaare vorzugsweise zumindest 8 Polpaare, besonders bevorzugterweise zumindest 18 Polpaare auf. Generell variiert die Polpaarzahl des Ringmagneten je nach Auslegung hinsichtlich Größe und Leistung des Elektromotors, wobei ein radial anisotroper Ringmagnet in dieser Hinsicht keinerlei Restriktionen unterliegt.
Es sei nochmals angemerkt, dass im Gegensatz hierzu die Bauweise mit vergrabenen Magneten den Nachteil aufweise, dass die Anzahl der Magnete und somit der Polpaare durch die Breite der Stege des Rotorblechs zwischen den Magneten begrenzt ist.
Der bei einem erfindungsgemäßen Rotor höhere magnetische Fluss erfordert auch größere Querschnitte in der Statorgeometrie. Hierbei ist es von Vorteil, dass die Anzahl der Pole bei der erfindungsgemäßen Bauweise prinzipiell nicht limitiert ist, da eine höhere Anzahl an Polpaaren den Querschnitt des Eisenrückschlusses verringert. Dies, weil sich der magnetische Fluss auf eine höhere Anzahl Polpaare aufteilen kann.
Des Weiteren benötigt man für hohe Drehzahlen bei höherem magnetischem Fluss weniger Windungen im Stator. Das bedeutet wiederum, dass die Kupfer- drahtquerschnitte steigen müssen, um mit weniger Windungen die Statornut gleichermaßen befüllen zu können. In der Regel werden hierbei Nadelwickelmaschinen eingesetzt, wobei die Nadel, die den Draht durch die Nuten führt, einen Draht mit maximal knapp über 1 mm im Drahtdurchmesser führen kann.
Wie in Figur 2 dargestellt ist erfindungsgemäß die Wicklung des Rotors in Dreieckschaltung geschaltet mit parallelen Einzelzahnwicklungen, wobei eine Rotorwicklung bevorzugterweise eine Lochzahl q von q=0,5 aufweist.
Dabei ist die Lochzahl q durch die Gleichung q=N/(2pm) definiert, wobei N die Anzahl von Nuten in dem Rotor repräsentiert, p eine Polpaarzahl des Rotors, und m eine Phasenanzahl.
Wie in Figur 3a dargestellt, ist eine Form einer induzierten Quellenspannung, auch elektromotorische Kraft oder induzierte EMK-Spannung des Elektromotors genannt, an eine Stromform angepasst. Während die Stromform in der Abbildung eine typische 120° Blockkommutierung hat, ist die induzierte Quellenspannung trapezförmig. Hierdurch ergibt sich eine hohe Maschinenausnutzung und ein weitestgehend gleichförmiger Drehmomentenverlauf. In der dargestellten Konfiguration der 120°-Blockkommutierung erreicht nahezu die Trapezform der Quellenspannung die größte mögliche Maschinenausnutzung bzw. den größten Leistungsfaktor des Elektromotors. Wie in Figur 3b dargestellt, ist in einer alternativen Ausführungsform bei gleicher Stromform die induzierte Quellenspannung sinusförmig.
Die Figur 4b zeigt eine Draufsicht des radial isotropen Ringmagnetes 16 mit einer beispielhaften Darstellung der magnetischen Vorzugsrichtung. Die 4a zeigt eine entsprechende Schnittansicht.
Neben den beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen sowie Kombinationen von Merkmalen umfassen können.

Claims

Ansprüche
1 . Rotor (10) für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, umfassend: eine Welle (12), einen auf der Welle (12) angeordneten Rotorkern (14), wobei der Rotorkern (14) als Rückschlusskörper dient, zumindest einen an dem Rotorkern (14) befestigten und den Rotorkern (14) umgebenden Ringmagneten (16), wobei der Ringmagnet (16) kreisringschei- benförmig oder zylinderringförmig ausgebildet ist, wobei durch die Kreisringscheibenform bzw. die Zylinderringform eine radiale Richtung und eine Um- fangsrichtung definiert ist; wobei ferner eine Lochzahl q durch die Gleichung q=N/(2pm) definiert ist, wobei N die Anzahl von Nuten in dem Rotor repräsentiert, p eine Polpaarzahl des Rotors, und m eine Phasenanzahl, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wicklung des Rotors in Dreieckschaltung geschaltet ist.
2. Rotor (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotorwicklung eine Lochzahl q von q=0,5 aufweist und
3. Rotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form einer induzierten Quellenspannung des Elektromotors an die Stromform an- gepasst ist.
4. Rotor (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die induzierte Quellenspannung einen nahezu trapezförmigen Verlauf hat.
5. Rotor (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die induzierte Quellenspannung einen nahezu sinusförmigen Verlauf hat.
6. Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor eine Blockkommutierung von 120° verwendet wird.
7. Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringmagnet (16) eine radial anisotrope Kornstruktur aufweist.
8. Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringmagnet (16) ein mehrpolig am Außenumfang magnetisierter SmCo- oder NdFeB-Ringmagnet (16) ist.
9. Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringmagnet (16) zumindest drei Polpaare, vorzugsweise zumindest 8 Polpaare, besonders bevorzugterweise zumindest 18 Polpaare aufweist.
10. Rotor (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringmagnet (16) ein heissgepresster Ringmagnet (16) aus SmCo-Pulver oder aus NdFeB-Pulver ist, wobei die radial anisotrope Kornstruktur durch ein zweistufiges Kompaktierungsverfahren hergestellt wird.
1 1 . Rotor (10) nach einem der Ansprüche 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringmagnet (16) ein gesinterter Ringmagnet (16) aus NdFeB-Pulver ist, wobei die radial anisotrope Kornstruktur durch ein zweistufiges Kompaktierungsverfahren hergestellt wird.
12. Rotor (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringmagnet (16) an dem Rotorkern (14) durch eines der Befestigungsverfahren aus der Gruppe Aufkleben, Löten, thermisches Aufschrumpfen, Schweißen befestigt ist.
13. Elektromotor (100), bevorzugterweise bürstenloser Innenläufer-Elektromotor, umfassend
- einen Stator (20), wobei der Stator (20) ein kreisringscheibenförmiges oder zylinderringförmiges Statorjoch (22), durch welches eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definiert ist, sowie eine definierte Anzahl an von dem Statorjoch (22) nach radial innen abstehende Polzähne (24) aufweist,
- eine mit der Anzahl der Polzähne (24) korrespondierende Anzahl Spulen (30), wobei die Spulen (30) um die korrespondierenden Polzähne (24) gewickelt sind, - einen Rotor (10), der von dem Stator (20) in radialer Richtung eingeschlossen ist, wobei zwischen dem Stator (20) und dem Rotor (10) ein Spalt (40) mit definierter Breite angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist.
Elektromotor (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (100) eine Leerlaufdrehzahl von zumindest 24000 Umdrehungen pro Minute und einen Rotordurchmesser des Rotors (10) von 30mm aufweist.
Elektromotor (100) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (30) des Elektromotors (100) elektrisch parallel verschaltet sind.
Handwerkzeugmaschine, umfassend einen Elektromotor (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 15.
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