Bezeichnung der Erfindung

Waschmaschinen-Direktantrieb

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine zum elektrischen Direktantrieb einer Waschmaschine geeignete Antriebsvorrichtung. Unter einer Waschmaschine wird im folgenden jegliche zur Behandlung von Wäsche geeignete, mit einer rotierenden Trommel arbeitende Wäschebehandlungsvorrichtung, beispielsweise auch ein Wäschetrockner oder eine kombinierte Wasch- und Trockenvorrichtung, verstanden.

Hintergrund der Erfindung

Ein Direktantrieb für Waschmaschinentrommeln ist beispielsweise aus der EP 0 909 477 B1 bekannt. Es handelt sich hierbei um einen elektronisch kom- mutierten Motor, dessen Stator am kreuzförmigen Träger der Waschmaschine und dessen Rotor direkt an der Achse der Waschmaschinentrommel befestigt ist. Die Anzahl der Statorpole beträgt das 1 , 333-fache der Anzahl der Rotorpole. Weiter ist ein Statorpol-Zwischenraum-Breitenverhältnis zwischen den Statorpolen von 1 ,868 festgelegt. Damit soll ein direkter Antrieb der Waschmaschinentrommel mit niedrigem Schallpegel und relativ hohem Drehmoment möglich sein.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Waschmaschinen- Direktantrieb mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Raumausnut- zung bei gleichzeitig gutem Laufverhalten, insbesondere geringer Geräuschentwicklung, anzugeben.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Waschmaschinen- Direktantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieser Waschmaschinen- Direktantrieb umfasst einen fest mit einem Laugenbehälter einer Waschmaschine verbundenen Stator und einen fest mit der Waschtrommel der Waschmaschine verbundenen Rotor. Der Antrieb ist als permanentmagneterregter Synchronmotor ausgebildet, wobei auf einem metallischen Statorkern, auch als Statorpaket bezeichnet, bestrombare Spulen angeordnet sind, die mit am Rotor befestigten Permanentmagneten wechselwirken. Jede Spule erstreckt sich, bezogen auf die Rotationsachse des Motors, in radialer Richtung, wobei die Ausdehnung der Spule in dieser Richtung als Spulenlänge bezeichnet ist. Die radial nach außen gerichteten Abschnitte des Statorpakets, um welche jeweils eine Spule gewickelt ist, werden allgemein als Zähne bezeichnet. Unter dem Begriff „Statorpakethöhe" wird die in axialer Richtung gemessene Stärke des Statorpakets verstanden. Die Richtungsangaben „axial" und „radial" beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, stets auf die Rotationsachse des elektrischen Direktantriebs.

Zwischen dem Stator und dem Rotor des Direktantriebs existiert ein Luftspalt, der einen Ringraum bildet, dessen innerer Durchmesser als Luftspaltdurchmesser bezeichnet wird. Der Luftspaltdurchmesser ist in jedem Fall geringer als der Rotoraußendurchmesser des Direktantriebs. Ein Bruch, dessen Zähler das Produkt aus dem Rotoraußendurchmesser und der Spulenlänge ist und dessen Nenner das Produkt aus der Statorpakethöhe und dem Luftspaltdurchmesser ist, hat einen Wert von mindestens 5/3 und höchstens 9/2. Vorzugsweise weicht der genannte Bruch vom Wert 8/3 um nicht mehr als 20% ab. Es hat sich gezeigt, dass damit eine besonders hohe Leistungsdichte bei einem gleichzeitig sehr gleichförmigen, geräuscharmen Lauf des Motors realisierbar ist. Besonders vorteilhaft ist der geringe Bauraumbedarf des Direktantriebs in axialer Richtung der Waschtrommel.

Ein besonders guter Kompromiss zwischen mechanischer Leistungsabgabe

und benötigtem Bauraum, das heißt eine besonders hohe spezifische Leistung, erreicht der elektrische Direktantrieb mit vierlagig gewickelten Spulen. Bei den Permanentmagneten, mit welchen der Rotor bestückt ist, handelt es sich bevorzug um Seltenerdmagnete. Diese Magnete enthalten mindestens eines der Elemente Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Neodym oder Samarium. Ein geeignetes Magnetmaterial ist beispielsweise NdFeB. Radial außerhalb der Permanentmagnete ist ein vorzugsweise einlagiger Rückschlussring im Rotor befestigt. Eine stabile Befestigung im Rotor wird durch einen ringförmig umlaufenden Absatz begünstigt, an welchem der Rückschlussring anschlägt und da- mit in einer axialen Richtung fixiert ist.

Das den Rückschlussring sowie die Permanentmagnete aufnehmende Gehäuse des Rotors ist vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt. Zur Erhöhung der Stabilität des Rotorgehäuses eignen sich auf dessen Außenseite, das heißt auf der dem Stator abgewandten Seite, angeordnete, in radialer Richtung verlaufende Verstärkungsrippen. Zusätzlich sind in vorteilhafter Ausgestaltung auch auf der Innenseite des Rotorgehäuses in radialer Richtung verlaufende Verstärkungsrippen ausgebildet. Die insgesamt sternförmige Anordnung der Verstärkungsrippen auf der Außenseite des Rotorgehäuses ist gegenüber der e- benfalls sternförmigen Rippenanordnung auf der Innenseite des Rotorgehäuses vorzugsweise winkelversetzt, so dass unnötige Materialanhäufungen vermieden sind. Dies ist insbesondere bei Herstellung des Rotorgehäuses im Spritzgussverfahren relevant. Die dünnwandige Ausbildung des Rotorgehäuses mit weitest möglicher Vermeidung von Materialanhäufungen ermöglicht eine besonders rationelle und zugleich präzise Fertigung mit nur kurzen Haltezeiten im Spritzgusswerkzeug. Die Anzahl der Verstärkungsrippen auf der Innenseite sowie auf der Außenseite des Rotorgehäuses beträgt vorzugsweise jeweils 6, das heißt die Verstärkungsrippen sind mit 60°-Teilung angeordnet.

Zusätzlich zu einer zentralen, konturierten öffnung, die zur formschlüssigen Ankopplung an eine mit der Waschtrommel verbundene Welle dient, weist das Rotorgehäuse in bevorzugter Ausgestaltung mehrere ebenfalls in axialer Richtung verlaufende Durchgangsbohrungen auf, die bei geeigneter Winkeleinstel-

lung des Rotors mit Befestigungsbohrungen im Stator fluchten. Die Durchgangsbohrungen sind damit zum Einen bei der Montage des Stators am Laugenbehälter von Nutzen, zum Anderen begünstigen sie auch die Zufuhr von Kühlluft zum Stator. Darüber hinaus leisten die Durchgangsbohrungen auch einen Betrag zur Gewichtsreduzierung des Rotorgehäuses.

Die genannten Befestigungsbohrungen des Stators befinden sich vorzugsweise in einer Kunststoffhalbschale, wobei zwei zusammengesetzte Kunststoffhalbschalen das Statorpaket sandwichartig umgeben. Im Sinne einer gewichtsspa- renden Konstruktion ist es vorteilhaft, wenn lediglich eine der Kunststoffhalbschalen Befestigungsvorrichtungen, insbesondere Befestigungsbohrungen, zur Halterung des Stators am Laugenbehälter aufweist. Ebenfalls zur Gewichtseinsparung tragen ringförmig umlaufende Verstärkungsrippen bei, die auf der Außenseite, das heißt auf der dem Rotor zugewandten Seite, einer der Kunst- stoffhalbschalen angeordnet und einstückig mit dieser ausgebildet sind. Vorzugsweise ist diese Verrippung in Form zweier konzentrischer Stege aufgebaut. Zusätzlich zur Erhöhung der Stabilität hat die Verrippung zwei weitere Funktionen: Sie bildet einen Anschlag für die auf dem Statorkern angeordneten Spulen und erfüllt zugleich eine Schutzfunktion bei unbeabsichtigtem Anschla- gen des Rotors am Stator. Insbesondere verhindert die Verrippung am Stator, das der am Stator anschlagende Rotor dort elektrische Funktionsteile beschädigt. Die genannten geometrischen Merkmale der Kunststoffhalbschalen, insbesondere die Verrippung, sind auch bei einer einstückigen Kunststoffumman- telung des Statorpakets realisierbar.

Die Zähne des Statorpakets, um welche die Spulen des elektrischen Direktantriebs gewickelt sind, weisen an deren äußerem Ende jeweils einen im Vergleich zum übrigen Zahn verbreiterten Zahnkopf auf. Kraftrippel beim Betrieb des Elektromotors, das heißt ein ungleichmäßiger, beispielsweise sägezahnar- tiger, Kraft- oder Momentenverlauf, können wirksam dadurch unterdrückt werden, dass sich die Zahnköpfe radial nach außen verjüngen. Jeder Zahnkopf ist symmetrisch zu einem mittig durch den Zahn verlaufenden Radialstrahl ausgebildet. In einer hinsichtlich des erreichbaren Drehmoments sowie eines gleich-

förmigen, geräuscharmen Laufes besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der Zahnkopf Zahnflanken auf, deren Schrägstellung relativ zum Radialstrahl nach außen hin abnimmt. Die Zahnflanken sind damit zumindest abschnittweise konkav gekrümmt. Im Gegensatz hierzu ist eine an den Luftspalt grenzende Stirnfläche des Zahnkopfes ausschließlich konvex gewölbt. Der Krümmungsradius ist dabei geringer als der Radius des Stators im selben Bereich, das heißt geringer als der halbe Luftspaltdurchmesser.

Die im Rotorgehäuse befestigten Permanentmagnete, vorzugsweise 44 Stück, sind in Umfangsrichtung voneinander beabstandet. Hierbei beträgt das Verhältnis zwischen der in Umfangsrichtung gemessenen Breite eines Permanentmagneten und der Summe aus dieser Breite und der Breite der sich an den Permanentmagnet anschließenden Lücke bis zum nächsten Permanentmagnet mindestens 0,78 und höchstens 0,83. Dieser Quotient wird auch als Polüber- deckungsverhältnis bezeichnet.

Eine weitere Kennzahl des Waschmaschinen-Direktantriebs berücksichtigt das axiale Flächenträgheitsmoment, auch als axiales Flächenmoment zweiter Ordnung bezeichnet, sowie das kurz Trägheitsmoment genannte Massenträg- heitsmoment des Rotors: Der Quotient aus dem auf die Rotationsachse des Antriebs bezogenen Trägheitsmoment und dem axialen Flächenträgheitsmoment des Rotorgehäuses beträgt vorzugsweise mindestens 0,09 kg/cm ² und maximal 0,18 kg/cm ² .

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 einen Waschmaschinen-Direktantrieb in einer Explosionsdarstellung,

Figur 2 den Waschmaschinen-Direktantrieb nach Fig. 1 in

einer Schnittdarstellung,

Figur 3 ein Detail der Anordnung nach Figur 2,

Figur 4 - 7 den Stator sowie den Rotor des Waschmaschinen-

Direktantriebs nach Fig. 1 in verschiedenen Ansichten,

Figur 8 ein Detail der Anordnung nach Figur 7, und

Figur 9 in einer Ansicht analog Fig. 3 ein Detail einer alternativen Ausgestaltung eines Waschmaschinen- Direktantriebs.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Ein Waschmaschinen-Direktantrieb 1 einer nicht weiter dargestellten Waschmaschine setzt sich zusammen aus einem zur Befestigung am Laugenbehälter der Waschmaschine vorgesehenen Stator 2 und einem zur drehfesten Verbin- düng mit der Waschtrommel der Waschmaschine vorgesehenen Rotor 3. Einzelteile des Stators 2 sind ein zwischen Kunststoffschalen 4, 5 angeordnetes Statorpaket 6 aus Blech sowie bestrombare Spulen 7, die um Zähne 8 des Statorpakets 6 gewickelt sind. Der Rotor 3 weist als Einzelteile ein Rotorgehäuse 9, einen Rückschlussring 10 sowie Permanentmagnete 11 , nämlich Magnete aus seltenen Erden, auf. Aus Figur 2 und 3 gehen diverse Abmessungen, nämlich der Rotoraußendurchmesser D _R , der Luftspaltdurchmesser D _L , die Spulenlänge Ls sowie die Statorpakethöhe H _s , hervor. Der Luftspaltdurchmesser D _L ist auf den radial inneren Rand des zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 3 gebildeten Luftspaltes 12 bezogen. Das Verhältnis zwischen dem Rotoraußen- durchmesser D _R und der Statorpakethöhe H _s liegt zwischen 23,3 und 31 ,7. Das Verhältnis zwischen dem Luftspaltdurchmesser D _L und der Spulenlänge L _s beträgt mindestens 7,1 und höchstens 13,8. Der Quotient aus dem erstgenannten Verhältnis und dem zweitgenannten Verhältnis ist damit größer als 5/3 und

kleiner 9/2.

Der Rückschlussring 10, welcher spanlos oder spangebend hergestellt sein kann, ist in jedem Fall einstückig ausgebildet und liegt in axialer Richtung an einem Absatz 13 im Rotor 3 an. Zugleich ist der Rückschlussring 10 unmittelbar von einer zylindermantelförmigen, an den Absatz 13 anschließenden Wandung 14 des Rotors umgeben. Die Wandung 14 sowie der Absatz 13 sind zusammen mit einer Frontfläche 15 integrale Bestandteile des aus Kunststoff gefertigten Rotorgehäuses 9. An der dem Stator 2 abgewandten Vorderseite der Frontfläche 15 weist das Rotorgehäuse 9 sechs strahlenförmig von der Rotationsachse ausgehende Verstärkungsrippen 16 auf, die als außenseitige Verstärkungsrippen bezeichnet werden. Auf der gegenüberliegenden Seite der Frontfläche 15, das heißt auf der Innenseite des Rotorgehäuses 9, sind sechs ebenfalls eine Sternstruktur bildende Verstärkungsrippen 17 ausgebildet. Die innenseitigen Verstärkungsrippen 17 sind gegenüber den außenseitigen Verstärkungsrippen 16 um 30° winkel versetzt angeordnet. Mittig im Rotorgehäuse 9 befindet sich eine öffnung 18, die eine Kontur 19 zur formschlüssigen Zusammenwirkung mit einer nicht dargestellten Antriebswelle aufweist.

Radial außerhalb der Verstärkungsrippen 16, 17 befinden sich im Rotorgehäuse 9 in axialer Richtung verlaufende Durchgangsbohrungen 20. Der Abstand dieser Durchgangsbohrungen 20 von der Rotationsachse A des Direktantriebs 1 entspricht dem Abstand zwischen Befestigungsbohrung 21 im Stator 2 und der Rotationsachse A. Die Befestigungsbohrungen 21 befinden sich aus- schließlich in einer der Kunststoffhalbschale 4, 5, nämlich der rotorseitigen Kunststoffhalbschale 5. An der selben Kunststoffhalbschale 5 ist auf deren Vorderseite, das heißt der der Frontfläche des Rotors 3 zugewandten Seite, eine Verrippung 22 ausgebildet, welche aus zwei konzentrischen Stegen 23 aufgebaut ist. Bei einer eventuellen Verkippung des Rotors 3 relativ zum Stator 2 schlägt ausschließlich die Frontfläche 15 an der Verrippung 22 an, während alle anderen Teile des Stators 2 vom Rotor 3 beabstandet bleiben. Darüber hinaus dient der radial äußere Steg 23 als Anschlag für die Spulen 7.

Jeder Zahn 8 weist außenseitig einen Zahnkopf 24 auf, der an den Luftspalt 12 grenzt. Der Zahnkopf 24 weist symmetrisch zu einem mittig durch den Zahn 8 verlaufenden Radialstrahl R angeordnete Zahnflanken 25 auf, die eine konkav nach innen abgeknickte Kontur beschreiben: Ein radial außen angeordneter Abschnitt 26 der Zahnflanke 25 ist relativ zum Radialstrahl R weniger schräg gestellt als ein an den Abschnitt 26 anschließender radial weiter innen liegender Abschnitt 27 der Zahnflanke 25. Die äußeren Abschnitte 26 der Zahnflanken 25 gehen über in eine gewölbte Stirnfläche 28, deren Krümmungsradius geringer als der halbe Luftspaltdurchmesser D _L ist.

Aus Figur 8 geht im Detail auch die Anordnung der Permanentmagnete 11 hervor, deren in Umfangshchtung gemessene Breite als Magnetbreite M bezeichnet wird. Die Breite der Lücke 29 zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Permanentmagneten 11 ist mit L bezeichnet. Das Polüberdeckungsver- hältnis, das heißt das Verhältnis der Magnetbreite M zur Summe aus Magnetbreite M und Lückenbreite L beträgt 0,78 bis 0,83. Zusammen mit den vorstehend beschriebenen weiteren geometrischen Merkmalen trägt das Polüberde- ckungsverhältnis maßgeblich zu einem gleichmäßigen, leisen Lauf des Waschmaschinen-Direktantriebs 1 bei.

In der im Vergleich zur Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 8 abgewandelten Bauform nach Fig. 9 ist an Stelle von zwei separaten Kunststoffschalen 4, 5 eine einzige Kunststofummantelung 30 vorgesehen, die das Statorpaket 6 umgibt. Die Kunststofummantelung 30 ist auf rationelle Weise im Zweikomponen- tenspritzgussverfahren herstellbar. Dieses Verfahren hat zudem den Vorteil, dass die räumliche Relation zwischen dem Statorpaket 6 und Strukturen der Kunststoffummantelung 30 in der Serienfertigung des Waschmaschinen- Direktantriebs 1 mit hoher Prozesssicherheit und Präzision reproduzierbar ist.

Bezugszeichen

1 Waschmaschinen-Direktantrieb A Rotationsachse

2 Stator D _L Luftspaltdurchmesser

3 Rotor D _R Rotoraußendurchmesser

4 Kunststoffschale Hs Statorpakethöhe

5 Kunststoffschale Ls Spulenlänge

6 Statorpaket L Lückenbreite

7 Spule M Magnetbreite

8 Zahn R Radialstrahl

9 Rotorgehäuse

10 Rückschlussring

11 Permanentmagnet

12 Luftspalt

13 Absatz

14 Wandung

15 Frontfläche

16 Verstärkungsrippe

17 Verstärkungsrippe

18 öffnung

19 Kontur

20 Durchgangsbohrung

21 Befestigungsbohrung

22 Verrippung

23 Steg

24 Zahnkopf

25 Zahnflanke

26 Abschnitt

27 Abschnitt

28 Stirnfläche

29 Lücke

30 Kunststoffummantelung