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Dokumentenidentifikation DE102006028201A1 27.12.2007
Titel Antrieb für Waschmaschine
Anmelder Schaeffler KG, 91074 Herzogenaurach, DE
Erfinder Lipfert, Robby, 98693 Ilmenau, DE;
Schmidt, Dirk, 98527 Suhl, DE;
Pecher, Alfred, Dr., 97488 Stadtlauringen, DE
DE-Anmeldedatum 20.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028201
Offenlegungstag 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse D06F 37/30(2006.01)A, F, I, 20060620, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 1/02(2006.01)A, L, I, 20060620, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Waschmaschine mit einem Elektromotor (2), der eine Wäschetrommel direkt antreibt. Dabei weist der Elektromotor (2) wenigstens einen Permanentmagneten (4) auf und dieser Permanentmagnet (4) weist ein Material auf, welches ein chemisches Element aus der Gruppe der seltenen Erden enthält.

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Waschmaschine bzw. einen Antrieb für eine Waschmaschine. Waschmaschinen und deren Antriebe sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. Dabei war es früher üblich, Waschmaschinen bzw. deren Wäschetrommeln mit Hilfe eines Riemenantriebs anzutreiben. Diese Riemenantriebe erlauben zwar eine hohe Flexibilität in der Herstellung, führen jedoch beispielsweise durch Schlupf auch zu Energieverlusten. Daneben erzeugen Riemenantriebe ein vergleichsweise hohes Laufgeräusch der Waschmaschine.

Daher ist man im Stand der Technik teilweise dazu übergegangen, die Wäschetrommel nicht mehr mittels eines Riemenantriebs, sondern mittels eines Direktantriebs anzutreiben. Dabei ist es beispielsweise möglich, den Rotor des antreibenden Elektromotors direkt auf der Welle der Trommel anzuordnen bzw. anzuflanschen. Bei dieser Vorgehensweise werden insbesondere Geräusche am Antrieb reduziert. Daneben kann auch Bauraum in der Waschmaschine eingespart werden, der beispielsweise zugunsten einer größeren Trommel genutzt werden kann. Die gesamten Antriebe der Motore stellen dabei relativ schwere und auch teuere Bauteile dar. Daneben ist auch die Bauhöhe der im Stand der Technik bekannten direkt antreibenden Motoren oft in denjenigen Fällen problematisch, in denen größere Wäschetrommeln eingesetzt werden sollen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine direkt angetriebene Waschmaschine zur Verfügung zu stellen, und gleichzeitig die Bauhöhe des antreibenden Motors unter Beibehaltung von elektrischen Leistungsgrößen zu verringern.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine Waschmaschine nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Waschmaschine weist einen Elektromotor auf, der eine Wäschetrommel der Waschmaschine direkt antreibt. Erfindungsgemäß weist der Elektromotor wenigstens einen Permanentmagneten auf und dieser Permanentmagnet wiederum weist ein Material auf, welches ein chemisches Element aus der Gruppe der seltenen Erden enthält. Die Elemente der seltenen Erden werden auch als Lanthaniden bezeichnet. Bevorzugt ist eine Vielzahl von Permanentmagneten vorgesehen, die Materialien mit Elementen der seltenen Erden enthalten.

Unter einem Direktantrieb der Wäschetrommel wird dabei verstanden, dass die Wäschetrommel nicht über einen Riemenantrieb angetrieben wird, sondern der Elektromotor direkt an der Welle der Wäschetrommel angeordnet ist.

Vorzugsweise ist das chemische Element aus einer Gruppe von Elementen ausgewählt, welches Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Neodym, Samarium, Kombinationen hieraus und dergleichen enthält. Diese genannten Materialien haben sich als besonders geeignet für die Herstellung von Permanentmagneten erwiesen. Insbesondere handelt es sich bei dem chemischen Element um Neodym.

Vorzugsweise ist das Material, welches der Permanentmagnet aufweist, Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) bzw. eine Legierung aus diesen Elementen. Permanentmagnete aus diesem Material haben sich im Verhältnis zur jeweiligen Größe als besonders leistungsfähig erwiesen. Ein weiteres mögliches Material für einen Permanentmagneten wäre beispielsweise eine aus den Elementen Samarium und Kobalt bestehende Legierung. Der Vorteil der hier besonders bevorzugt anzuwendenden Legierung NdFeB liegt darin, dass deren Koerzitivfeldstärke wesentlich höher ist als diejenige von herkömmlichen Magneten wie beispielsweise Magneten aus AlNiCo und Permanentmagnete aus NdFeB erheblich günstiger sind als Permanentmagnete beispielsweise aus SmCo.

Bei der Herstellung wird besonders bevorzugt zur Verbesserung der Eigenschaften eine NdFeB Legierung zu Pulver gemahlen, gepresst, gesintert und mit einer Oberflächenbeschichtung versehen. Diese Oberflächenvergütung ist vorteilhaft, da eine NdFeB Legierung chemisch relativ leicht reagiert und beispielsweise ohne Schutz korrodiert. Vorzugsweise sind die Permanentmagnete an dem Rotor des Elektromotors angeordnet. Dabei sind unterschiedliche Ausführungsformen denkbar, beispielsweise eine Ausführung, bei der der Rotor im inneren des Stators angeordnet ist sowie Ausführungsformen, bei denen der Stator des Elektromotors radial innerhalb der Permanentmagnete angeordnet ist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor ein Synchronmotor. Vorzugsweise wird der Elektromotor mit Drehstrom bzw. allgemein mit einem dreiphasigen Strom betrieben. Es wäre jedoch auch möglich, den Elektromotor als Asynchronmotor auszuführen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor an einer Welle der Wäschetrommel befestigt. Damit sind bei dieser Ausführungsform sowohl der Motor als auch die Wäschetrommel auf einer Welle angeordnet. Beim Betrieb ist es möglich, dass sich die Motordrehzahl langsam einem gewissen vorgegebenen Sollwert anpasst.

Vorzugsweise wird ein elektrisch kommutierter Direktantrieb verwendet, d. h. Gleichstrom wird mechanisch oder elektrisch in Wechsel- oder Drehstrom umgewandelt.

Der Stator des Motors ist besonders bevorzugt an dem Träger der Waschmaschine beispielsweise an einem kreuzförmigen Träger der Waschmaschine angeordnet. Der Stator weist eine Höhe zwischen 4mm und 14mm, bevorzugt zwischen 5mm und 10mm und besonders bevorzugt von ca. 6mm auf.

Durch die Verwendung von Motoren mit Permanentmagneten aus NdFeB hebt sich insgesamt das erfindungsgemäße Motorkonzept technologisch und preislich günstig von bestehenden Motoren in Waschmaschinen ab. Daneben wurde erreicht, dass durch geeignete Dimensionierung der Wicklungen des Motors ungewünschte Stoß- bzw. Rütteleffekte, die auch als Cogging bezeichnet werden, erheblich (um bis zu eine Zehnerpotenz) verringert wurden. Daneben konnte durch die Wahl von NdFeB-Magneten die Bauform des Motors deutlich reduziert werden.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen:

Darin zeigen:

1 einen Stator eines erfindungsgemäßen Elektromotors;

2 eine Seitenansicht des Stators aus 1 mit einem Rotor;

3 eine Detailansicht eines Stators mit einem Rotor; und

4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Leistungsmerkmale des erfindungsgemäßen Motors.

1 zeigt den Stator 3 eines erfindungsgemäßen Elektromotors. Dieser Stator 3 ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, aus einer Vielzahl von im Wesentlichen gleichartigen Blechen zusammengesetzt, die aufeinander gelegt sind. Der Stator 3 weist eine Vielzahl von Vorsprüngen 14 auf, um die jeweils (nicht gezeigte) Spulen gewickelt sind. Zwischen diesen Vorsprüngen bzw. Spulen sind jeweils Zwischenräume 9 vorgesehen. Die Windungszahl der einzelnen Spulen beträgt hier 200.

Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform sind insgesamt 48 solche Spulen vorgesehen. Das Bezugszeichen 15 bezieht sich auf Bohrungen, mit denen die Blechpakete in ihrer Position arretiert werden.

2 zeigt eine Seitenansicht des in 1 gezeigten Stators 3 zusammen mit einem Rotor 7. Dabei beziehen sich die Bezugszeichen 12 und 13 auf jeweils einen Verguss, in dem die Spulen angeordnet sind. Das Bezugszeichen 16 bezieht sich auf einen Kabelanschluss zur elektrischen Versorgung der Spulen und das Bezugszeichen 2 auf den Elektromotor selbst.

Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet einen an dem Rotor 7 angeordneten Permanentmagnet aus NdFeB. Das Blechpaket wird mit Hilfe eines Adapterrings 17 zusammengehalten. Zwischen dem Permanentmagneten 4 und dem Stator 3 wird jeweils ein Luftspalt 5 (3) ausgebildet.

3 zeigt eine detaillierte Darstellung eines Stators 3 mit einem Rotor 7. Man erkennt, dass an dem Rotor 7 eine Vielzahl von Permanentmagneten 4 angeordnet ist, wobei die Polaritäten dieser Permanentmagneten 4 in der Umfangsrichtung des Rotors jeweils abwechselnd zueinander angeordnet sind. Bei der hier gezeigten Ausführungsform sind 44 Permanentmagnete und damit 22 Polpaare vorgesehen. Damit ist die Anzahl der Permanentmagnete geringer als die Anzahl der Spulen. Weiterhin wird aus 3 deutlich, dass sich die Permanentmagnete 4 in Umfangsrichtung des Motors weiter erstrecken als die Endabschnitte 14a der Vorsprünge. Sämtliche Permanentmagnete 4 bestehen aus NdFeB oder weisen dieses Material auf.

Es wäre jedoch auch möglich, eine höhere oder geringe Anzahl von Permanentmagneten 4 vorzusehen.

Die Höhe des Stators 3 beträgt bei der in den 13 gezeigten Ausführungsform ca. 6 mm. Bei einer vergleichbaren Ausführungsform unter Einsatz eines konventionellen Permanentmagneten wäre eine Statorhöhe von etwa 20 mm nötig, um vergleichbare technische Daten zu erreichen. So wurden beispielsweise eine Ferrit-Variante und NdFeB-Varianten gegenüber gestellt, welche jeweils eine maximale Drehzahl von 1600 Umdrehungen pro Minute erreichen und jeweils 22 Polpaare aufweisen. Dabei konnte das Gewicht des Kupfers bedingt durch die geringere Statorhöhe von 1,55 kg auf 0,93 kg reduziert werden. Hinsichtlich des so genannten Coggins, d. h. des ungewollten Rüttelns der Motoren, lieferten die NdFeB-Variante und die Ferrit-Variante in etwa vergleichbare Werte.

Auch die so genannte Gegenspannungskonstante ku liegt im Falle der beiden NdFeB-Varianten in einem ähnlichen Bereich wie im Falle der Ferrit-Variante. Die Gegenspannungskonstante ku bezeichnet diejenige Spannung, die induziert wird, wenn die Klemmen des Motors offen bleiben und der Motor sich gleichzeitig dreht. Diese Spannung ist im linearen Bereich (wenn also das Eisen durch den Magnetfluss nicht gesättigt ist) proportional zur Drehzahl des Motors.

Damit fällt auch die so genannte Momentenkonstante km bei den NdFeB-Varianten geringer aus als im Falle der Ferrit-Variante. Diese Momentenkonstante steht in direktem mathematischen Zusammenhang mit der Gegenspannungskonstante ku.

4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der technischen Daten. Dabei wurden auf der Abszisse bzw. x-Achse die Drehzahl des Motors bzw. der Wäschetrommel aufgetragen, auf der Ordinate bzw. linken y-Achse das jeweilige Drehmoment des Motors und auf der rechten Seite die mechanische Wirkleistung. Der durch das Bezugszeichen 22 gekennzeichnete Verlauf kennzeichnet die mechanische Wirkleistung so dass insoweit die rechte y-Achse maßgeblich ist. Der Verlauf 22 spaltet in die Verläufe 22a und 22b auf. Der Verlauf 22a kennzeichnet den Verlauf bei Vorliegen einer Feldschwächung und der Verlauf 22b den Verlauf ohne Feldschwächung. Die Feldschwächung wird alleine über einen Regler erreicht, der die Phasenverschiebung zwischen Motorwirkstrom und Motorblindstrom festlegt. Durch die Phasendifferenz werden die Induktivitäten der Spulen genutzt, wodurch eine schnellere Drehung des Motors möglich wird.

Der Verlauf 24, der in die Verläufe 24a und 24b aufspaltet, bezeichnet das Drehmoment des Motors, so dass hier die linke y-Achse maßgeblich ist. Auch hier kennzeichnet das Bezugszeichen 24a den Verlauf mit Feldschwächung und das Bezugszeichen 24b den Verlauf ohne Feldschwächung.

Man erkennt, dass bei beiden Verläufen 22 und 24, welche miteinander korreliert sind, ohne Feldschwächung nur Drehzahlen von ca. 1200 rpm möglich sind, da ohne Feldschwächung die mechanische Wirkleistung und das Drehmoment ab Drehzahlen von ca. 500 rpm stark absinken. Bei Anwendung von Feldschwächung sind hingegen wesentlich höhere Drehzahlen erreichbar bzw. bleibt auch bei höheren Drehzahlen die aktive Wirkleistung auf einem relativ hohen Niveau.

Das in 4 gezeigte Diagramm wurde für den erfindungsgemäßen Motor aufgenommen und zeigt, dass dieser Motor trotz erheblich verringerter Bauhöhe für den Stator und daher den Motor insgesamt hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit nicht hinter den aus dem Stand der Technik bekannten Motoren zurückbleibt.

Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

3
Stator
4
Permanentmagnet
5
Luftspalt
7
Rotor
9
Zwischenräume
12, 13
Verguss
14
Vorsprünge
14a
Endabschnitte der Vorsprünge
15
Bohrungen
16
Kabelanschluss
17
Adapterring
18
Bohrung
22
Verlauf Wirkleistung-Drehzahl
22a
Verlauf bei Feldschwächung
22b
Verlauf ohne Feldschwächung
24
Verlauf Drehmoment-Drehzahl
24a
Verlauf bei Feldschwächung
24b
Verlauf ohne Feldschwächung


Anspruch[de]
Waschmaschine mit einem Elektromotor (2), der eine Wäschetrommel direkt antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) wenigstens einen Permanentmagneten (4) aufweist und dieser Permanentmagnet (4), ein Material aufweist, welches ein chemisches Element aus der Gruppe der seltenen Erden enthält. Waschmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Element aus einer Gruppe von Elementen ausgewählt ist, welche Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (Lt), Cer (Ce), Neodym (Nd), Samarium (Sm) Kombinationen hieraus und dergleichen enthält. Waschmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material NdFeB ist. Waschmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) des Elektromotors (2) eine Bauhöhe aufweist, die zwischen 4mm und 14mm, bevorzugt zwischen 5mm und 10mm und besonders bevorzugt bei ca. 6mm liegt. Waschmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Permanentmagneten NdFeB aufweisen. Waschmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete an dem Rotor (7) des Elektromotors (2) angeordnet sind. Waschmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) des Elektromotors (2) radial innerhalb der Permanentmagnete (4) angeordnet ist. Waschmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) ein Synchronmotor ist. Waschmaschine nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) an einer Welle der Wäschetrommel befestigt ist.






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