本发明涉及一种电驱动马达、一种包含这种电驱动马达的家用器具以及一种用于求取和运行所述电驱动马达的方法，所述电驱动马达包含定子和永磁体转子，该永磁体转子具有马达轴和处于该马达轴上的叠片组，其中，定子和永磁体转子通过空气隙彼此分离。
背景技术
电驱动马达、尤其bldc电机(无刷直流电机)经常使用在家用器具中。在此使用的电驱动马达应该满足限定的功率范围或转速/转矩范围。此外，应该改善重要的应用特性、例如功率密度以及噪声产生。
在现有技术中已知不同的电驱动马达，所述电驱动马达尤其也可以使用在家用器具中。
公开文献wo2016/026831a1描述一种用于家用器具的电机的转子，该转子具有多个永磁体和一个转子组，所述永磁体在转子的圆周方向上以交替的极性分布布置并且在切线方向上被磁化，所述转子组由能够导磁的材料构成，其中，所述转子组具有多个通孔，所述通孔在转子的轴向方向上延伸并且在转子的圆周方向上彼此间隔地分布布置，其中，永磁体被如此布置到通孔中，使得从相应的永磁体出发的磁通在转子的切线方向上延伸，其中，在相邻的通孔之间分别构造有转子组的一个区段，该区段构造用于将相应的永磁体的磁通聚集在电机的空气隙中，其中，与转子组相比，永磁体在转子的轴向方向上具有更大的延伸。
公开文献wo2014/082839a2描述一种永磁辐条转子(spoke-rotor)，该永磁辐条转子在定子内部构成电机的旋转部分，并且该永磁辐条转子在定子的内表面与其自身之间具有空气隙，该永磁辐条转子包括圆柱形的铁磁芯、构成旋转轴线的轴(schaft)、布置在芯中心并且具有支承轴的轴孔的毂、围绕毂布置的一个以上的磁极段、磁极段之间的一个以上的磁体槽(magnetaussparung)、布置在磁体槽中并且在径向方向上向外延伸的一个以上的磁体、以及两个由非磁性材料构成的端环，所述端环借助注塑法制成在芯的前平面表面/后平面表面上。在轴向方向上的长度大于磁体槽长度的磁体被嵌入到端环中。
如果适当地影响原因或传播路径，则可以阻止或至少减少在电驱动马达运行时产生噪声。噪声的一个原因是转矩波动。通常可以通过扩宽(aufweiten)空气隙或至少适当地构型空气隙来降低电驱动马达的转矩波动。在这方面已知所谓的“花形(flowershape)”。但是这通常伴随着功率密度的降低。
此外，已知通过如下方式影响振动：改变总系统的频率特性。这例如可以通过阻尼元件或加固(增强壁部、借助塑料进行注塑包封等)来实现。
即使在负载转矩恒定的情况下，电驱动马达的转矩的时间变化过程也始终加载有谐波。这可能具有不同的原因(齿槽转矩、定子与转子之间非理想的空气隙场、非理想施加的电流)。在任何情况下，这些谐波会提高激励不期望的噪声的风险。取决于电驱动马达所处的可振动系统的频率范围和特性、尤其在谐振频率的情况下，这可能会是有问题的。因此期望的是，降低或者完全抑制电驱动马达的转矩的确定的谐波。
可以通过选择合适的拓扑结构(例如槽/极数组合)来降低或者排除确定的谐波。然而，选择在噪声产生方面有利的拓扑结构经常又伴随着其他缺点，使得经常无法使用这些拓扑结构。噪声的其他可能的原因例如是转子与定子之间的径向力、不平衡或轴承振动。
在现有技术中，已经对谐波的降低进行过研究，以便减小转矩波动并且因此有助于减少电驱动马达情况下的噪声产生。
公开文献ep2104208a2描述一种马达，其包括转子，该转子具有成型的极，所述成型的极用于使齿槽转矩(“coggingtorque”)和电动势的谐波最小化；该马达还包括定子，该定子具有齿元件，其中，齿元件包含端部件，所述端部件部分地限定具有第一尺寸的槽开口以及通过端部件限定的具有第二尺寸的凹口
公开文献us7,417,347b2描述一种骨架式(skelett-typ)bldc电机，所述bldc电机通过减小齿槽效应(nutrasten)来降低谐振噪声。该bldc电机包括具有椭圆柱形构型的转子，该转子包括具有北极和南极的椭圆柱形构型的磁体，所述北极和南极通过分离平面和固定在磁体的内圆周面处的磁体框架(magnetrahmen)分离，其中，旋转轴固定在磁体框架的中心处，并且在分离平面与转子的外直径相切所在的点处的转子直径小于沿转子外圆周的所有其他点处的转子直径，以便使由于较高程度的齿槽效应而引起的谐振噪声最小化。
技术实现要素：
在所述背景下，本发明的任务是，提供一种具有更低的噪声产生的电驱动马达、尤其无刷直流电机(bldc电机)。此外，应该提供一种包含这种电驱动马达的家用器具以及一种用于运行所述电驱动马达的方法。
根据本发明，所述任务的解决方案通过具有相应的独立权利要求的特征的一种电驱动马达、一种包含所述电驱动马达的家用器具以及一种用于求取(ermittlung)和运行所述电驱动马达的方法来实现。根据本发明的电驱动马达的优选实施方式在从属权利要求中所列举。即使在此未明确指出，根据本发明的电驱动马达的优选实施方式也相应于根据本发明的家用器具的优选实施方式以及用于求取和运行所述电驱动马达的方法的优选实施方式。
因此，本发明的主题是一种电驱动马达，其包含定子和永磁体转子，该永磁体转子具有马达轴和处于马达轴上的叠片组，其中，定子和永磁体转子通过空气隙彼此分离，其中，定子和永磁体转子在它们朝向空气隙的表面上分别具有v个彼此等间距的卡锁位置，所述卡锁位置分别通过表面中的凸部或凹部实现。在此，在定子和永磁体转子的表面上，通常要么仅存在凸部要么仅存在凹部。
原则上虽然可以通过凸部(所谓的凸起)、即通过局部减小空气隙的宽度来产生卡锁位置。但是由于空气隙出于技术上的原因而大多已经在尽可能小的宽度方面被优化，所以卡锁位置优选分别通过凹部实现。
凹部(即空气隙的局部扩宽)优选是切口(einkerbung)，所述切口可以不同地成形，例如球形、尤其半球形、或锥形。根据本发明特别优选的是，卡锁位置是锥形切口。
在结构上无法实现切口的位置处，例如在槽缝(nutschlitz)中，可以省略所述切口。因此卡锁位置的数量v也包括槽缝的数量。因为受迫谐波(erzwungeneharmonische)的相位位置由定子与永磁体转子之间的相互作用得出，所以这不取决于卡锁位置的绝对位置、尤其切口的绝对位置。相反地，切口在转子上的位置与在定子上的位置对彼此是至关重要的。根据本发明，这通过如下方式实现：对于定子和永磁体转子来说，卡锁位置的数量v是相同的。
在本发明的一种特别优选的实施方式中——该实施方式尤其适用于产生反相的48次谐波，v等于48，使得卡锁位置沿所述表面的基本上圆形的周长以7.5°的间距被引入。
原则上，本发明可以应用于任意电驱动马达，然而特别优选应用于能够在家用器具中使用的电驱动马达。该电驱动马达特别优选是无刷直流电机、即bldc电机。
空气隙的宽度通常由不同的因素所确定。在此，通常由于制造条件而保持最小间隙、例如0.4mm。鉴于永磁体的最佳利用率、即空气隙中尽可能大的磁通，间隙应该尽可能小。然而空气隙越小，则齿槽效应表现得越强烈，并且因此可能的噪声产生表现得越强烈。通常，在齿槽效应与磁通的利用率之间调节到最佳值。根据本发明，在此已经发现最佳空气隙长度δ处于0.5至0.7mm的范围内、尤其是0.6mm。
在本发明的电驱动马达的情况下，永磁体转子的叠片组优选由多个单叠片的堆叠构成。
根据本发明的电驱动马达的永磁体转子可以不同地构型，其中，尤其使用两种不同的拓扑结构。
一种拓扑结构包括具有表面安装的磁体的转子。在此，通常将叠片式的转子磁轭(rotorjoch)压到轴上。然后将永磁体安装到转子磁轭上并且通常借助绷带(bandage)固定永磁体。这种拓扑结构可以用于不同的轴向长度，其中，转子磁轭的长度由叠片组中优选使用的单叠片的数量所确定。轴以及永磁体在它们的轴向长度上匹配于相应的变型方案。通常，转子组使用与定子组相同数量的叠片，使得可以借助非常少量的边角料来执行通常用于制造的冲压工艺。
在此优选的第二拓扑结构借助所谓的辐条设计中的径向嵌入的永磁体来实施。在此，永磁体辐条形
因此，在根据本发明的电驱动马达的一种特别优选的实施方式中，所述叠片组至少具有相应于永磁体转子的极数的数量的袋状部(tasche)，在所述袋状部中，在径向方向上分别布置有一个永磁体，所述永磁体在永磁体转子的圆周方向上以交替的极性分布布置并且在切线方向上被磁化，使得从相应的永磁体出发的磁通在永磁体转子的切线方向上延伸，其中，永磁体在永磁体转子的轴向方向上延伸超出叠片组，其中，在相邻的袋状部之间分别布置有叠片组的一个区段，该区段构造用于将相应的永磁体的磁通聚集在空气隙中。
在此优选的是，分别一个永磁体上方的叠片组在空气隙的侧上构成在永磁体转子的轴向方向上延伸的桥接件，该桥接件将叠片组的两个区段彼此连接。在此再次优选的是，该桥接件具有桥接元件和桥接凹槽。
在根据本发明的电驱动马达的一种特别优选的实施方式中，桥接凹槽由开口的单叠片的堆叠构成，并且桥接元件由闭合的单叠片的堆叠构成。在此，概念“开口的单叠片”表示具有开口的袋状部凹口(taschenausschnitt)的单叠片，并且概念“闭合的单叠片”表示具有连续的桥接部的单叠片。在此优选地，基于开口的和闭合的单叠片的总和，闭合的单叠片的份额处于5至20％的范围内、更优选处于10至15％的范围内。
优选地，在根据本发明的电驱动马达中构造有弹簧装置，以便将置入袋状部中的永磁体分别在径向方向上向外预紧地固定在该袋状部内部，其中，该弹簧装置分别由分别伸入袋状部中的一个或多个弹性凸起构成，并且每个袋状部在马达轴远端具有止挡装置，该止挡装置固定在叠片组上，并且分别置入到该袋状部中的一个中的永磁体通过所涉及的袋状部的一个或多个的凸起被弹簧预紧地压到该止挡装置上。在此优选的是，叠片组由单叠片的堆叠构成，并且弹簧装置、尤其所述一个或多个弹性凸起由单叠片的窗口(fensterausschnitte)的向内突出的边缘区段构成。
优选地，根据本发明的电驱动马达中的叠片组包含单叠片，所述单叠片构造成闭合的单叠片、即具有连续桥接部的单叠片，其中，弹簧装置的弹性凸起由单叠片的窗口的向内突出的边缘区段构成。
为了最佳地固定永磁体，在电驱动马达中，置入叠片组的袋状部中的永磁体优选通过塑料注塑包封。
永磁体转子的外轮廓可以具有不同的形状。然而已经显示出：如果永磁体转子的外轮廓是圆形的，则获得特别安静地运行的电驱动马达。
此外，已经非常有利地得出：置入叠片组的袋状部中的永磁体通过塑料注塑包封。在此有利地，如果通过借助塑料对叠片组进行注塑包封将置入到袋状部中的永磁体通过硬化的塑料最终固定在其位置中，那么可选地存在于电驱动马达中的弹簧装置或包含在该弹簧装置中的簧片或凸起可以用于在制造和/或安装永磁体转子期间暂时地固定置入到袋状部中的永磁体。通过弹簧装置或簧片对置入到袋状部中的永磁体的这种仅暂时的固定能阻止永磁体在如下情况下在袋状部中移动或甚至完全脱落：在将还没被注塑包封的永磁体转子置入到注塑模具中之前，永磁体、尤其叠片组在制造期间发生运动或在借助塑料注塑包封之前被预热。弹簧装置或置入其中的簧片或凸起也能够阻止，置入袋状部中的永磁体在通过液态塑料流的注塑包封过程期间发生移动。即必要时可以在借助塑料进行注塑包封之后省去弹簧装置的弹簧预紧作用。如果不借助塑料对永磁体进行注塑包封，则相反地应该始终保持弹簧装置的弹簧预紧作用，即不仅在永磁体转子的制造和/或装配期间而且也在电驱动马达的运行期间保持所述弹簧预紧作用。
此外，本发明的主题是一种具有在此描述的电驱动马达的家用器具。在此，不对该家用器具进行限制。然而，所述家用器具尤其是洗碗机、洗衣机、烘干机、抽油烟机或吸尘器。
此外，本发明的主题是一种用于确定电驱动马达的方法，所述电驱动马达尤其适用于在家用器具中运行，该电驱动马达具有减小的由于磁性原因而造成的转矩波动，其中，该电驱动马达包含定子和永磁体转子，该永磁体转子具有马达轴和处于马达轴上的叠片组，其中，定子和永磁体转子通过空气隙彼此分离，其中，定子和永磁体转子在它们朝向空气隙的表面上分别具有v(例如v等于48)个彼此等间距的卡锁位置，所述卡锁位置分别通过表面中的凸部或凹部实现，所述方法包括以下步骤：
(a)在运行电驱动马达的情况下，对于不同的谐波根据负载转矩l求取由于磁性原因造成的转矩波动中的谐波；
(b)在(a)中求取的谐波中找出具有由于磁性原因造成的最大转矩波动的v次谐波；
(c)在定子和永磁体转子上施加v个卡锁位置，所述卡锁位置分别具有d1的深度或分别具有h1的高度；
(d)根据负载转矩l求取根据特征(c)设有卡锁位置的电驱动马达的v次谐波情况下的转矩波动；
(e)确定负载转矩lmax，直至该负载转矩实现v次谐波的减小；
(f)确保其他谐波在它们的幅度h方面未如此受到影响，使得它们的幅度h已经超过了预给定的增量δh>δhset和/或利用率a已经减小了值δa>δaset。
通过凹部的深度d或凸部的高度h、优选通过凹部的深度d、尤其锥形切口的深度可以影响谐波的幅度、尤其48次谐波的幅度。为了确定电驱动马达，可以改变d和h。因此，尤其可以通过切口的深度以及切口的位置以如下方式实现优化：尽可能在很大程度上补偿所涉及的谐波，其中，取决于预给定的应用情况，可以调节最大可能的负载范围或至少一个重要的负载范围。
在此，可以如此实现确定合适的电驱动马达，使得上述方法可以转换到不同的马达阶次(motorordnung)上。在此应该注意的是，所述阶次必须包含在转矩中。以这种方式，例如由于转子与定子之间的径向力而引起的激励可以不受影响。优选应该检查，是否存在对其他马达阶次的、尤其对所降低的马达阶次的倍数的负面影响。通常，应该避免由于可能过大的、即尤其过深的切口引起空气隙的过度扩张，因为非常多和/或非常深的缺口可能导致空气隙中的磁通显著降低并且因此导致利用率降低。
最后，本发明的主题也是一种用于运行电驱动马达的方法，所述电驱动马达尤其适用于在家用器具中运行，所述电驱动马达包含定子和永磁体转子，所述永磁体转子具有马达轴和处于马达轴上的叠片组，其中，定子和永磁体转子通过空气隙彼此分离，其中，定子和永磁体转子在它们朝向空气隙的表面上分别具有v个彼此等间距的卡锁位置，所述卡锁位置分别通过表面中的凸部或凹部实现，其中，所述方法具有以下步骤：
(i)根据负载转矩l求取电驱动马达的v次谐波的情况下的转矩波动；
(ii)确定负载转矩lmax，直至该负载转矩实现v次谐波的减小；
(iii)确保其他谐波在它们的幅度h方面未如此受到影响，使得它们的幅度h已经超过了预给定的增量δh>δhset和/或利用率a已经减小了值δa>δaset；
(iv)以负载转矩l≤lmax运行电驱动马达。
本发明具有许多优点。因此本发明能够实现，必要时降低马达转矩的确定的频率分量、即谐波或阶次。因此，可以有针对性地降低噪声激励并且因此降低噪声产生。在本发明的实施方式中(在遵守确定的边界条件的情况下)，这能够在不降低马达的利用率并且不增强其他阶次的情况下实现。
根据本发明的电驱动马达可以在同时减小噪声产生的情况下以非常高的效率运行，因为转矩的谐波可以通过有针对性引起的反相谐波而得到补偿。
附图说明
本发明的其他细节由根据本发明的电驱动马达的对于本发明重要的部件的以下描述中得出。在此参考图1至6。所述实施例的确定的单个特征可以不管它们结合哪些具体方面被提出、必要时也可以单独地或以不同于所示出的组合的形式示出本发明的一般特征。
附图示出：
图1示出示例性的电驱动马达的立体视图，所述电驱动马达尤其适用于诸如洗衣机的家用器具；
图2示出根据本发明的电驱动马达的定子和转子在所述定子与转子之间的空气隙的区域内的截面图，其中，图2(b)是图2(a)的局部放大示图；
图3示出根据本发明的电驱动马达的定子和转子在所述定子与转子之间的空气隙的区域内的截面图，所述截面图相对于图2中的示图更显著地放大；
图4示出根据本发明的电驱动马达的测量值与非根据本发明的电驱动马达的测量值的比较，其中，图4(a)示出随负载转矩变化的电流需求，图4(b)示出24次谐波的幅度，图4(c)示出48次谐波的幅度；
图5示出具有用于在此未示出的永磁体的袋状部的永磁体转子，其中，未示出根据本发明设置的卡锁位置；
图6示出在根据本发明的电驱动马达的一种实施方式中使用的永磁体转子的截面立体视图，所述永磁体转子具有叠片组以及布置在叠片组的袋状部中的永磁体，其中，未示出根据本发明设置的卡锁位置。
具体实施方式
图1示出示例性的电驱动马达1的立体视图，所述电驱动马达尤其适用于诸如洗衣机的家用器具。在所述实施方式中，电驱动马达1具有固定的定子2和可旋转支承的转子3。4表示内轴。
图2示出在其他方面未进一步示出的根据本发明的电驱动马达的定子2和永磁体转子3在所述定子与转子之间的空气隙6的区域内的截面图，其中，图2(b)是图2(a)的局部放大示图。9、10表示卡锁位置，所述卡锁位置在此构造成锥形切口。
图3示出在其他方面未进一步示出的根据本发明的电驱动马达的定子2和永磁体转子在所述定子与转子之间的空气隙6的区域内的截面图。该示图相对于图2中的示图更显著地放大。9、10表示卡锁位置，所述卡锁位置在此构造成锥形切口。7表示定子2的朝向空气隙6的表面，并且8表示永磁体转子3的朝向空气隙6的表面。
图4示出根据本发明的电驱动马达的测量值(虚线)与非根据本发明的电驱动马达的测量值(实线)的比较，其中，图4(a)示出随负载转矩变化的电流需求，图4(b)示出随负载转矩变化的24次谐波的幅度并且图4(c)示出随负载转矩变化的48次谐波的幅度。在此所涉及的电驱动马达是洗衣机的bldc电机，所述bldc电机构型成所谓的内转子，其具有嵌入式磁体、即径向布置的永磁体。所述bldc电机加强地激励48次马达阶次、即48次谐波。这主要作为由齿槽转矩和磁阻所决定的转矩波动引起的24次马达阶次的倍数出现。在电动马达的确定的工作点中，48次马达阶次导致总系统的谐振，使得产生不期望的噪声。在此，该激励的表现是与负载相关的。转矩波动(总体上)和(尤其)48次马达阶次随着负载的增加而增大。在此，相位角也发生变化，但是这在以下不进一步进行讨论。48次马达阶次随负载变化而移位。这基本上归因于定子场的影响，所述定子场随着负载(即负载转矩)的增加越来越显著地影响空气隙中的磁场，并且另一方面改变饱和特性并且因此改变磁阻。
图4(a)表明根据本发明设置的卡锁位置施加不会导致电驱动马达的利用率降低。
图4(b)表明根据本发明设置的卡锁位置施加对24次谐波的幅度几乎没有影响。
图4(c)表明根据本发明设置的卡锁位置施加导致，直至负载转矩l的确定的最大值，48次马达阶次的幅度明显减小。在此，直至1.2nm的负载转矩值，该48次谐波(在此也称为48次马达阶次)表现出幅度减小。从电磁角度来看，在对利用率或其他重要谐波不存在不利评估的情况下实现了改善。为了能够在此降低48次马达阶次，通过根据本发明采取的措施已经将与第48次马达阶次的平均角度反相的受迫转矩分量引入。
图5示出永磁体转子3，如其在根据本发明的电驱动马达的一种优选但不受限制的实施方式中所使用的那样，该永磁体转子具有用于在此未示出的永磁体的袋状部11，其中，根据本发明设置的卡锁位置同样未被示出。5在此表示转子3的叠片组。在径向方向上，在袋状部11的端部分别布置有一个桥接件14。桥接件14包含桥接元件15，所述桥接元件由与叠片组5相同的材料构成并且尤其用于永磁体转子3的稳定性。桥接凹槽16位于桥接元件15之间。13表示转子的区段。
图6示出在根据本发明的电驱动马达的一种实施方式中所使用的永磁体转子3的截面立体视图，所述永磁体转子具有叠片组5和布置在叠片组的袋状部11中的永磁体12，其中，根据本发明设置的卡锁位置未被示出。在此，永磁体转子3具有多个极、尤其八个极。永磁体转子3的每个永磁体12配属有叠片组5中的一个袋状部11。
单个永磁体12分别置入在袋状部11中的一个中并且尤其固定在其中以防止滑动。在在此所示出的实施方式的情况下，永磁体转子3的所有永磁体12相同地构造，其中，所述永磁体在此分别具有长方体形的构型。永磁体12在永磁体转子3的圆周上均匀分布地布置。
每个袋状部11可以具有相应于永磁体6的构型的形状，其中，袋状部11构造得稍大，使得可以分别将单个永磁体12置入到一个袋状部11中。永磁体转子3的叠片组5在此由多个、尤其冲压的叠片冲裁件(blechzuschnitt)构成，所述叠片坯料在此以未进一步明显示出的方式彼此完全重叠地堆叠并且彼此连接成紧凑的组。就此而言，叠片组5可以通过冲压打包(stanzpaketierung)制造。彼此叠合堆叠的单叠片例如可以通过焊接、铆接、夹紧或冲压打包或粘合打包连接。
在此示出的永磁体转子3具有弹簧装置17，所述弹簧装置构造成将置入袋状部11中的永磁体12分别在径向方向上向外预紧地——如在图6中通过箭头p说明的那样——固定在袋状部11内部。弹簧装置17原则上可以由一个部件构成，但是也可以由多个部件构成。弹簧装置17将每个单个永磁体12在其相应的袋状部11内部压到在径向上尽可能处于外部的位置中。在此，每个袋状部11处的永磁体转子3可以具有在径向上尽可能处于外部的止挡装置19，相应的处于其袋状部11中的永磁体12通过弹簧装置17压到所述止挡装置上。优选地，所有的止挡装置18处于相同的半径上，使得通过弹簧装置17将所有永磁体12定位到相同的外半径上。因此可以确保，所有的永磁体12(即永磁体转子3的所有极)在本发明的电驱动马达的环状间隙中产生相同的磁效应。
附图标记
1电驱动马达
2定子
3永磁体转子
4马达轴
5叠片组
6(定子与转子之间的)空气隙
7定子的朝向空气隙的表面
8永磁体转子的朝向空气隙的表面
9卡锁位置
10表面中的凹部、锥形缺口
11袋状部
12永磁体
13区段
14桥接件、桥接区域
15桥接元件
16桥接凹槽
17弹簧装置
18凸起、簧片
19止挡装置