WO2025021991A1

WO2025021991A1 - Rotor device and electric motor having same

Info

Publication number: WO2025021991A1
Application number: PCT/EP2024/071321
Authority: WO
Inventors: Rajesh JAYARAJ; Levente GYERKO
Original assignee: Webasto SE
Priority date: 2023-07-26
Filing date: 2024-07-26
Publication date: 2025-01-30
Also published as: DE102023207150A1

Abstract

The invention relates to a rotor device (10) for a DC current motor (100), comprising: a rotor shaft (14); a first layer which is formed on the rotor shaft (14) or on a core (30) attached to the rotor shaft; a second layer, wherein the second layer (22) is formed on an outer surface (24) of the first layer and forms a second magnetic layer (22), wherein the second magnetic layer (22) is in the form of a cylindrical jacket, wherein the cylindrical jacket of the second magnetic layer (22) has a thickness ((d2-d1)/2), measured in the radial direction from a longitudinal axis (Z) of the rotor shaft, which is constant in the circumferential direction (P), and a length (L) measured in the axial direction parallel to the longitudinal axis (Z), wherein a ratio of the length (L) to a difference (d2-d1) between an outer diameter (d2) and an inner diameter (d1) of the second magnetic layer (22) has a value in a range between 4 and 15, inclusive of the limit values.

Description

ROTORVORRICHTUNG SOWIE DIESE AUFWEISENDER ELEKTRISCHER MOTOR ROTOR DEVICE AND ELECTRIC MOTOR HAVING SAME

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Technisches Gebiet technical field

Verschiedene Aspekte betreffen eine zumindest einen Permanentmagneten aufweisende Rotorvorrichtung für einen elektrischen Motor, insbesondere einen bürstenfreien elektrischen Gleichstrommotor, sowie einen solchen Motor. Various aspects relate to a rotor device having at least one permanent magnet for an electric motor, in particular a brushless electric direct current motor, as well as to such a motor.

Technischer Hintergrund Technical Background

Es ist bekannt, dass unter anderem für den Antrieb bewegbarer Komponenten in einem Kraftfahrzeug wie beispielsweise Schiebedächer etc. bürstenfreie Gleichstrommotoren (BLDC-Motor: brushless direct-current motor) verwendet werden können. Diese umfassen im Allgemeinen einen mit Permanentmagneten bestückten Rotor sowie einen feststehenden Stator, der Spulen, die bei gesteuerter Strombeflussung ein Magnetfeld aufbauen, mit Eisenkern aufweisen kann. BLDC-Motoren können z.B. dreiphasig betrieben werden. It is known that brushless direct-current motors (BLDC motors) can be used to drive moving components in a motor vehicle, such as sunroofs, etc. These generally comprise a rotor equipped with permanent magnets and a fixed stator, which can have coils with an iron core that build up a magnetic field when a controlled current is applied. BLDC motors can be operated in three phases, for example.

Derzeitige Konzepte von BLDC-Motoren sehen einen Rotor vor, der auf der aus dem Motor zum Getriebe herausführenden Welle konzentrisch angeordnete, laminierte Stahlbleche aufweist. Die einzelnen in Umfangsrichtung hinsichtlich ihrer Polausrichtung alternierend anzuordnenden Permanentmagnete können bei Motoren vom sogenannten SPM-Typ (surface permanent magnet) beispielsweise auf einer Außenoberfläche des betreffenden Stahlblechpakts angebracht sein. Current BLDC motor concepts provide for a rotor that has laminated steel sheets arranged concentrically on the shaft leading from the motor to the gearbox. The individual permanent magnets, which are arranged in alternating polarity in the circumferential direction, can be attached to an outer surface of the steel sheet package in the case of motors of the so-called SPM type (surface permanent magnet), for example.

Alternativ können die Permanentmagnete beim IPM-Typ (internal permanent magnet) in innerhalb des Stahlblechpakets eingerichteten Aufnahmen eingesetzt sein. Alternatively, the permanent magnets of the IPM type (internal permanent magnet) can be installed in holders set up within the sheet steel package.

Magnetklebstoffe sind im Regelfall dazu verwendet, um die Permanentmagneten in beiden Fällen (SPM und IPM) durch eine dauerhafte, hochfeste Verbindung sicher in ihrer Position zu fixieren. Mindestens im Fall der SPM-Typen ist eine zusätzliche Rotorabdeckung vorgesehen, um zu verhindern, dass sich die Permanentmagnete bei hohen Drehzahlen durch die Zentrifugalkraft vom Rotor lösen. Magnetic adhesives are generally used to securely fix the permanent magnets in their position in both cases (SPM and IPM) by means of a permanent, high-strength connection. At least in the case of the SPM types, an additional Rotor cover is provided to prevent the permanent magnets from becoming detached from the rotor due to centrifugal force at high speeds.

Das beschriebene Konzept von Rotoren unterliegt allerdings einigen Problemen bzw. Nachteilen. Zum einen ist eine Mehrzahl von Einzelteilen erforderlich, so dass der Montageprozess für die Rotoreinheit aufwändig wird. Dies wiederum erhöht die Kosten. Ferner muss aufgrund des unterschiedlichen Materialaufbaus der Rotor mindestens gerade dann, wenn der Motor für hohe Drehzahlen ausgelegt ist, ausgewuchtet werden, welches einen zusätzlichen Montageschritt und ggf. auch zusätzliches Ausgleichsgewicht mit sich bringt. However, the rotor concept described is subject to a number of problems and disadvantages. Firstly, a number of individual parts are required, which makes the assembly process for the rotor unit complex. This in turn increases costs. Furthermore, due to the different material structure, the rotor must be balanced, at least if the motor is designed for high speeds, which entails an additional assembly step and possibly additional balancing weight.

Außerdem kann in verschiedenen oben beschriebenen Anwendungsfällen die Anzahl der Magnetpole aufgrund einer Begrenzung des Aspektverhältnisses, d.h. des Verhältnisses von Höhe zu Breite, der hierfür eingesetzten Sintermagneten in dem BLDC-Motor kaum erhöht werden. Der Regelfall sieht z.B. 6 Nuten am Stator und 4 Magnetpole vor. Eine Erhöhung auf z.B. 8 Magnetpole wäre aber durchaus sehr wünschenswert, um beispielsweise den Einfluss von Rastmomenten (cogging torque) im Betrieb zu reduzieren. Mithin kann der konventionelle Aufbau zu einer zu geringen Effizienz führen. In addition, in various applications described above, the number of magnetic poles can hardly be increased due to a limitation of the aspect ratio, i.e. the ratio of height to width, of the sintered magnets used in the BLDC motor. The usual case, for example, provides for 6 slots on the stator and 4 magnetic poles. However, an increase to 8 magnetic poles, for example, would be very desirable in order to reduce the influence of cogging torque during operation, for example. The conventional design can therefore lead to insufficient efficiency.

Letztendlich muss auch die nachteilhafte Geräuschentwicklung berücksichtigt werden. Die zusätzliche Anzahl der Teile im Rotor kann wie beschrieben zu einer Unwucht des Rotors führen, die sich in einer höheren Geräuschentwicklung niederschlagen kann, wenn sie nicht kompensiert wird. Finally, the disadvantageous noise development must also be taken into account. The additional number of parts in the rotor can, as described, lead to an imbalance of the rotor, which can result in higher noise development if not compensated.

Eine Lösung können hier Verbund- oder gebondete Magneten bieten. "Gebondet" ist hier nicht als "angeklebt" zu verstehen, wie es oben in Zusammenhang mit Sintermagneten beschrieben ist. Vielmehr sind dies durch Kunststoff gebundene, spritz- oder druckgegossene Magnete. Sie entstehen z.B. durch die Einbettung von Hartferritoder Seltenerd-Magnetpulver (generell können alle gesinterten Magnetwerkstoffe für Verbundteile verwendet werden (Ferrit, NdFeB, SmCo, etc.)) in thermoplastische Kunststoffe (Matrixmaterial: PA6, PA12, PPS, etc.). Der Anteil des Magnetpulvers bestimmt dabei die magnetischen und mechanischen Eigenschaften. Der Magnetpulveranteil kann beispielsweise in einem Bereich von 84% bis 94% (Gewichtsprozent) liegen. Gebondete Magnete bieten eine Vielzahl von möglichen Formen und Geometrien der Magnetisierung, insbesondere auch komplexe Formen. Composite or bonded magnets can offer a solution here. "Bonded" does not mean "glued on", as described above in connection with sintered magnets. Rather, these are plastic-bonded, injection-molded or die-cast magnets. They are created, for example, by embedding hard ferrite or rare earth magnetic powder (in general, all sintered magnetic materials can be used for composite parts (ferrite, NdFeB, SmCo, etc.)) in thermoplastics (matrix material: PA6, PA12, PPS, etc.). The proportion of magnetic powder determines the magnetic and mechanical properties. The proportion of magnetic powder can, for example, be in a range of 84% to 94% (percent by weight). Bonded magnets offer a variety of possible shapes and geometries of magnetization, especially complex shapes.

Die JP 4701641 B2 sowie die US 2018/109167 A1 beschreiben einen aus gebondeten Schichten aufgebauten Rotormagneten (Permanentmagneten). Dieser erstreckt sich im zusammengebauten Zustand rings um einen an der Rotorwelle befestigten Rotorkern. Eine an den Rotorkern angrenzende weichmagnetische Ferritschicht weist einen in Umfangsrichtung ungefähr wellen- oder sinusförmigen Verlauf der Dicke auf. Außenliegend schließt sich eine dünnere hartmagnetische Seltenerd-Schicht an, die sich innen an die wellenförmige Oberfläche anpasst und außen zylindrisch geformt ist. Die Seltenerd-Schicht bildet in den "Wellentälern" 8 Bereiche mit größerer Dicke aus, die nach Magnetisierung 8 Magnetpole ausbilden. JP 4701641 B2 and US 2018/109167 A1 describe a rotor magnet (permanent magnet) made up of bonded layers. When assembled, this extends around a rotor core attached to the rotor shaft. A soft magnetic ferrite layer adjacent to the rotor core has an approximately wave-like or sinusoidal thickness in the circumferential direction. A thinner hard magnetic rare earth layer is located on the outside, which adapts to the wave-like surface on the inside and is cylindrical on the outside. The rare earth layer forms 8 areas of greater thickness in the "wave valleys", which form 8 magnetic poles after magnetization.

Ähnlich offenbart die CN 115036092 A einen zweischichtigen Magnetaufbau mit innerem Ring aus weichmagnetischem Material und einem äußeren Ring aus hartmagnetischem Material. Die 8 Pole werden hierbei bei geeigneter Magnetisierung von außen in Abschnitten bereitgestellt, die durch von dem äußeren Ring nach innen vorstehende Trapezformen (anstatt Sinusformen wie oben) gebildet werden, so dass der äußere Ring in diesen Bereichen dicker ist. Similarly, CN 115036092 A discloses a two-layer magnet structure with an inner ring made of soft magnetic material and an outer ring made of hard magnetic material. The 8 poles are provided with suitable magnetization from the outside in sections that are formed by trapezoidal shapes protruding inwards from the outer ring (instead of sinusoidal shapes as above), so that the outer ring is thicker in these areas.

Die JP 2013-198220 A offenbart einen aus zwei zylindrischen Schichten aufgebauten Ringmagneten für eine Rotorvorrichtung zum Antreiben einer Magnetspeicher- Festplatte. JP 2013-198220 A discloses a ring magnet constructed from two cylindrical layers for a rotor device for driving a magnetic storage hard disk.

Es besteht das Bedürfnis, das Konzept eines sich durchgehend ringförmig um die Rotorwelle herum erstreckenden Permanentmagneten weiter zu verbessern, insbesondere einen Ausgleich zwischen zu hohen Kosten und nachteilhafter Einflussnahme auf Magnetisierung im zusammengebauten Zustand aufgrund des konkreten Aufbaus zu finden. There is a need to further improve the concept of a permanent magnet extending continuously around the rotor shaft in a ring shape, in particular to find a balance between excessive costs and disadvantageous Influence on magnetization in the assembled state due to the specific structure.

Darstellung verschiedener Aspekte der Erfindung presentation of various aspects of the invention

Aspekte der Erfindung, die diesem Bedürfnis Rechnung tragen, betreffen eine Rotorvorrichtung für einen Gleichstrommotor, beispielsweise für einen Dachantrieb eines Fahrzeugs, umfassend eine Rotorwelle, eine erste Schicht, die auf der Rotorwelle oder auf einem an der Rotorwelle angebrachten Kern ausgebildet ist, und eine zweite Schicht, wobei die zweite Schicht auf einer äußeren Oberfläche der ersten Schicht ausgebildet ist und eine zweite magnetische Schicht ausbildet. Aspects of the invention which address this need relate to a rotor device for a direct current motor, for example for a roof drive of a vehicle, comprising a rotor shaft, a first layer formed on the rotor shaft or on a core attached to the rotor shaft, and a second layer, the second layer being formed on an outer surface of the first layer and forming a second magnetic layer.

Die zweite magnetische Schicht weist die Form eines Zylindermantels auf, wobei der Zylindermantel der zweiten magnetischen Schicht eine von einer Längsachse der Rotorwelle aus in radialer Richtung gemessene, in Umfangsrichtung konstante Dicke und eine in axialer Richtung parallel zur Längsachse gemessene Länge besitzt. Ein Verhältnis von der Länge zu einer Differenz (d2 - d1 ) zwischen einem Außendurchmesser d2 der zweiten magnetischen Schicht und einem Innendurchmesser d1 der zweiten magnetischen Schicht beträgt einen Wert, der in einem Bereich zwischen 4 und 15 liegt, einschließlich der Grenzwerte. Die beiden Durchmesser werden senkrecht zu einer Achse der Rotorwelle gemessen. The second magnetic layer has the shape of a cylinder shell, the cylinder shell of the second magnetic layer having a thickness that is constant in the circumferential direction, measured in the radial direction from a longitudinal axis of the rotor shaft, and a length measured in the axial direction parallel to the longitudinal axis. A ratio of the length to a difference (d2 - d1) between an outer diameter d2 of the second magnetic layer and an inner diameter d1 of the second magnetic layer is a value that lies in a range between 4 and 15, including the limit values. The two diameters are measured perpendicular to an axis of the rotor shaft.

Die zweite magnetische Schicht erstreckt sich folglich kontinuierlich und ununterbrochen ringsum die Rotorwelle - eine Auflösung in Einzelmagnete, die individuell zu befestigen wären, findet nicht statt. Die Ausbildung von Polen, die bei konventionellen Einzelmagneten inherent vorhanden sind, wird durch eine Magnetisierung erreicht, die von einer Position in Umfangsrichtung abhängig ist. Da Aspektverhältnisse von Einzelmagneten vorliegend keine Rolle spielen, entfallen die entsprechenden Beschränkungen und es ist ohne weiteres möglich, 8 oder mehr Pole in Umfangsrichtung des Zylindermantels der zweiten magnetischen Schicht auszubilden. Ferner weist die zweite magnetische Schicht eine in Umfangsrichtung konstante Dicke auf. Im Stand der Technik, welcher ebenfalls ringförmige Magnetstrukturen betrifft, sind an Stellen der auszubildenden Pole Verdickungen in der betreffenden Magnetschicht eingeformt. Dies erlaubt im Gegenzug Einsparungen an wertvollem Seltenerdmaterial dort, wo keine Verdickungen erforderlich sind, nämlich zwischen den Polen. Allerdings tritt hier ein Nachteil zutage, dass die entsprechende Gussform und das einwirkende Magnetfeld zur Magnetisierung perfekt aufeinander abgestimmt bzw. ausgerichtet sein müssen, da sich eine Fehlausrichtung erheblich auswirken kann. Ferner können sich Imperfektionen in der Gussform viel stärker in Unwuchten niederschlagen, wenn die zweite magnetische Schicht eine 8-zahlige geometrische Symmetrie hat, welches bei Ausbildung einer Schicht konstanter Dicke nicht auftritt, deren Ausbildung per se einfach beherrschbar ist. The second magnetic layer therefore extends continuously and uninterruptedly around the rotor shaft - there is no breakdown into individual magnets that would have to be attached individually. The formation of poles, which are inherent in conventional individual magnets, is achieved by magnetization that depends on a position in the circumferential direction. Since aspect ratios of individual magnets are not important here, the corresponding restrictions do not apply and it is easily possible to form 8 or more poles in the circumferential direction of the cylinder shell of the second magnetic layer. Furthermore, the second magnetic layer has a constant thickness in the circumferential direction. In the prior art, which also relates to ring-shaped magnetic structures, thickenings are formed in the relevant magnetic layer at the points where the poles are to be formed. In return, this allows savings in valuable rare earth material where no thickenings are required, namely between the poles. However, a disadvantage arises here: the corresponding mold and the magnetic field acting on it for magnetization must be perfectly coordinated or aligned with one another, since misalignment can have a significant effect. Furthermore, imperfections in the mold can result in imbalances to a much greater extent if the second magnetic layer has an 8-fold geometric symmetry, which does not occur when a layer of constant thickness is formed, the formation of which is easy to control per se.

Ferner wurde gefunden, dass unter den stark variierenden thermischen Bedingungen im Betrieb gerade die zweite magnetische Schicht erheblichen Belastungen ausgesetzt ist, was z.B. die unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen erster und zweiter Schicht sowie Rotorwelle mit Kern angeht. Eine zylindermantelförmige Schicht konstanter Dicke trägt zu einer verbesserten Dauerhaftigkeit bei, die "Schwachstellen" zwischen individuellen Verdickungen vermeidet. It was also found that under the widely varying thermal conditions during operation, the second magnetic layer in particular is subjected to considerable stress, for example due to the different thermal expansion between the first and second layers and the rotor shaft with core. A cylindrical shell-shaped layer of constant thickness contributes to improved durability, which avoids "weak points" between individual thickenings.

Der vorliegenden Ausgestaltung einer Rotorvorrichtung liegt die besondere Erkenntnis zugrunde, dass die Länge des Zylindermantels der zweiten magnetischen Schicht in axialer Richtung der Rotorwelle in Relation zu dem vom gegenüberliegenden Stator einwirkenden Wechselfeld steht. Je länger der Zylindermantel der zweiten magnetischen Schicht ist, desto stärker kann das von außen anliegende Magnetfeld ausgelegt sein, um Drehmoment zu erzielen. Dem steht eine gewisse Dicke der zweiten magnetischen Schicht gegenüber, die aus Kostengründen möglichst niedrig zu halten ist. Ist sie nun zu dünn, so erweist sich das einwirkende Magnetfeld als im Vergleich dazu zu stark. Für diesen Vergleich sind die auf dem Fachgebiet bekannten Hysterese-Kurvenscharen heranzuziehen. Die Erfindung setzt folglich daran an, die Dicke der zweiten magnetischen Schicht so auszulegen, dass die mit ihr in unmittelbarem Zusammenhang stehende Differenz (d2 - d1 ) zwischen dem Außendurchmesser d2 und dem Innendurchmesser d1 der zweiten magnetischen Schicht in einem Verhältnis zur Länge steht, das sicherstellt, dass die hochfrequent angelegten Wechsel-Magnetfelder mit der fortschreitenden Betriebsdauer nicht zu einer übermäßigen Entmagnetisierung des magnetischen Materials führen. Der angegebene Wertebereich für das Verhältnis (Länge geteilt durch die zweifache Dicke) zwischen 4 und 15 (einschließlich der Grenzwerte) hat sich internen Studien zufolge als vorteilhaft erwiesen. Bei Werten oberhalb 15 für das Verhältnis ist die Entmagnetisierung bereits zu hoch, während bei Werten unterhalb 4 die Kosten für das magnetische Material mit den gewünschten Eigenschaften zu hoch werden können. The present design of a rotor device is based on the special finding that the length of the cylinder shell of the second magnetic layer in the axial direction of the rotor shaft is related to the alternating field acting from the opposite stator. The longer the cylinder shell of the second magnetic layer, the stronger the externally applied magnetic field can be designed to achieve torque. This is offset by a certain thickness of the second magnetic layer, which must be kept as low as possible for cost reasons. If it is too thin, the acting magnetic field proves to be too strong in comparison. The hysteresis curve families known in the field are to be used for this comparison. The invention therefore aims to design the thickness of the second magnetic layer in such a way that the directly related difference (d2 - d1) between the outer diameter d2 and the inner diameter d1 of the second magnetic layer is in a ratio to the length that ensures that the high-frequency alternating magnetic fields applied do not lead to excessive demagnetization of the magnetic material as the operating time progresses. The specified range of values for the ratio (length divided by twice the thickness) between 4 and 15 (including the limit values) has proven to be advantageous according to internal studies. At values above 15 for the ratio, the demagnetization is already too high, while at values below 4, the costs for the magnetic material with the desired properties can become too high.

Es ist anzumerken, dass, wenn man das Verhältnis der Länge zur einfachen Dicke betrachtet, die als vorteilhaft gefundenen Werte zwischen 8 und 30 betragen. It should be noted that if we consider the ratio of length to thickness, the values found to be advantageous are between 8 and 30.

Besonders bevorzugte Wertebereiche für das Verhältnis von der Länge zur Differenz zwischen dem Außendurchmesser und dem Innendurchmesser der zweiten magnetischen Schicht können speziellen Ausführungsbeispielen zufolge für Intervalle von 6 bis 10, einschließlich der Grenzwerte, angegeben werden, weiterbevorzugt für Intervalle von 7 bis 8, einschließlich der Grenzwerte. Particularly preferred value ranges for the ratio of the length to the difference between the outer diameter and the inner diameter of the second magnetic layer can, according to specific embodiments, be specified for intervals from 6 to 10, inclusive of the limit values, more preferably for intervals from 7 to 8, inclusive of the limit values.

Ausführungsformen der Erfindung zufolge sind bei der Rotorvorrichtung die erste Schicht und die zweite magnetische Schicht jeweils in einem Spritz- oder Druckgussverfahren kunststoffgebunden ausgebildet. Als Kunststoff-Bindemittel können ohne Beschränkung der Allgemeinheit jeweils vorzugsweise eines aus der Gruppe umfassend: Polyamid-6 (PA6), Polyamid-12 (PA12), Polyamid-66 (PA66), PBT, PET, PPS, oder auch LCP, eingesetzt sein. Bei kunststoffgebundenen, zunächst isotropen Bondmagneten zumindest im Fall der zweiten magnetischen Schicht ist man zudem in der Formgebung der Magnetschichten relativ flexibel, welches durch bewährte Spritzoder Druckgussverfahren gewährleistet ist. Bei vielen Materialien (etwa NdFeB) kann auf einen zusätzlichen Oberflächenschutz verzichtet werden. Dass die erzielbare magnetische Flussdichte zumindest schon aufgrund der Kunststoffanteile geringer ist, wird dabei in Kauf genommen, was aber durch eine entsprechend geringfügig größere Dicke der zweiten Magnetschicht ausgeglichen werden kann. Die genannten Kunststoff- bzw. Harzmaterialien haben sich als sehr temperaturbeständig und unter der vorgesehenen mechanischen Belastung (hohe Fliehkräfte, hohe Rastmomente) als dauerhaft erwiesen. According to embodiments of the invention, the first layer and the second magnetic layer in the rotor device are each plastic-bonded in an injection or die-casting process. Without limiting the generality, the plastic binder used can preferably be one from the group comprising: polyamide-6 (PA6), polyamide-12 (PA12), polyamide-66 (PA66), PBT, PET, PPS, or even LCP. With plastic-bonded, initially isotropic bond magnets, at least in the case of the second magnetic layer, there is also relative flexibility in the shape of the magnetic layers, which is ensured by proven injection or die-casting processes. With many materials (such as NdFeB), additional surface protection is not necessary. The fact that the achievable magnetic flux density is lower, at least due to the plastic content, is accepted, but this can be compensated for by a correspondingly slightly larger thickness of the second magnetic layer. The plastic or resin materials mentioned have proven to be very temperature-resistant and durable under the intended mechanical load (high centrifugal forces, high cogging torques).

Einer Weiterbildung zufolge ist die erste Schicht eine erste magnetische Schicht, die aus einem Material gebildet ist, das einen ersten Wert für eine magnetische Remanenz aufweist, d.h. einer nach Entfernen bzw. Ausschalten eines externen, die Schicht magnetisierenden Magnetfelds /-/ verbleibenden magnetischen Flussdichte (Remanenzflussdichte BR = IJO MR für H=0, Vektorzeichen weggelassen), wobei MR die Magnetisierung und po die magnetische Feldkonstante bezeichnet). Die zweite magnetische Schicht ist aus einem Material gebildet, das einen zweiten Wert für eine magnetische Remanenz aufweist, wobei der zweite Wert für die magnetische Remanenz größer ist als der erste Wert. Insbesondere kann das Material der inneren ersten magnetischen Schicht ein weichmagnetisches Material und das Material der äußeren zweiten magnetischen Schicht ein hartmagnetisches Material sein. According to a further development, the first layer is a first magnetic layer which is formed from a material which has a first value for a magnetic remanence, i.e. a magnetic flux density remaining after removal or switching off of an external magnetic field magnetizing the layer (remanence flux density BR = IJO MR for H=0, vector symbols omitted), where MR denotes the magnetization and po the magnetic field constant). The second magnetic layer is formed from a material which has a second value for a magnetic remanence, where the second value for the magnetic remanence is greater than the first value. In particular, the material of the inner first magnetic layer can be a soft magnetic material and the material of the outer second magnetic layer can be a hard magnetic material.

Die zweite magnetische Schicht erhält dadurch nach Magnetisierung eine sehr hohe verbleibende magnetische Flussdichte, wobei die Koerzitivfeldstärke materialbedingt ebenfalls sehr groß ist, so dass eine schleichende Entmagnetisierung während des Betriebs geringer ausfällt. Die zweite magnetische Schicht ist ferner im Vergleich weiter radial außen positioniert und kann dadurch im Betrieb das größere Drehmoment aufnehmen. Die erste magnetische Schicht erlaubt ein weiter nach innen (zur Rotorwelle) und nach außen gerichtetes Magnetfeld und unterstützt damit die Funktion der äußeren Magnetschicht. The second magnetic layer therefore has a very high residual magnetic flux density after magnetization, whereby the coercive field strength is also very high due to the material, so that gradual demagnetization during operation is less. The second magnetic layer is also positioned further radially outward in comparison and can therefore absorb the greater torque during operation. The first magnetic layer allows a magnetic field directed further inwards (towards the rotor shaft) and outwards, thus supporting the function of the outer magnetic layer.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist auch die erste Magnetschicht in der Form eines Zylindermantels ausgebildet. In a preferred embodiment, the first magnetic layer is also designed in the form of a cylinder shell.

Alternativ kann die erste Schicht aber durchaus auch eine nichtmagnetische Schicht sein, vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff, der im Spritz- oder Druckguss hergestellt ist, aber nun kein magnetisches Material enthält. Bevorzugt kann es sich dabei um PA66 handeln. Es wurde gefunden, dass dies eine preiswerte Alternative ist, die trotzdem das hohe Drehmoment und die thermische und mechanische Dauerhaftigkeit der äußeren zweiten magnetischen Schicht gewährleistet. Alternatively, the first layer can also be a non-magnetic layer, preferably a thermoplastic material that is injection-molded or die-cast but does not contain any magnetic material. Preferably, this can be PA66. This has been found to be a low-cost alternative that still ensures the high torque and thermal and mechanical durability of the outer second magnetic layer.

Einer weiteren Ausführungsform der Rotorvorrichtung zufolge kann die erste magnetische Schicht ein weichmagnetisches Material in Form eines Ferrit-Materials umfassen. Dies ist ein preiswertes magnetisches Material, welches die unterstützende Funktion in ausreichender Wese bereitstellt. According to a further embodiment of the rotor device, the first magnetic layer can comprise a soft magnetic material in the form of a ferrite material. This is an inexpensive magnetic material which provides the supporting function in a sufficient manner.

Die zweite magnetische Schicht kann ein hartmagnetisches Material in Form eines Seltenerdmagnet-Materials umfassen. Die Stoffe bieten eine hohe magnetische Energiedichte und Koerzitivfeldstärke sowie insbesondere im Fall von Samarium enthaltenden Materialien eine hohe Curie-Temperatur. Sie haben sich auch in Verbindung mit kunststoffgebundenem Spritz- oder Druckguss als besonders für den Einsatz in Motoren für den Antrieb von Dachsystemen (mit den entsprechenden Last- und Temperaturanforderungen) geeignet erwiesen. The second magnetic layer may comprise a hard magnetic material in the form of a rare earth magnet material. The materials offer a high magnetic energy density and coercivity and, particularly in the case of samarium-containing materials, a high Curie temperature. They have also proven particularly suitable for use in motors for driving roof systems (with the corresponding load and temperature requirements) in conjunction with plastic-bonded injection or die-casting.

Bevorzugte Stoffe sind hierbei das Seltenerdmagnet-Material eines aus der Gruppe umfassend: SmFeN, NdFeB oder SmCo, wobei jeweils weitere Legierungszusätze eingeschlossen sein können, mit denen insbesondere die Temperaturbeständigkeit des betreffenden magnetischen Zustands verbessert werden kann. Preferred materials are the rare earth magnet material from the group comprising: SmFeN, NdFeB or SmCo, whereby further alloying additives can be included in each case, with which in particular the temperature resistance of the respective magnetic state can be improved.

Eine Weiterbildung der Rotorvorrichtung sieht vor, dass die erste magnetische Schicht unmittelbar auf der Rotorwelle, oder unmittelbar auf dem an der Rotorwelle angebrachten Kern ausgebildet ist, wobei der Kern aus geschichteten Stahlblechen gebildet ist. Dies stellt einen besonders zweckmäßigen Aufbau dar. A further development of the rotor device provides that the first magnetic layer is formed directly on the rotor shaft, or directly on the core attached to the rotor shaft, wherein the core is formed from layered steel sheets. This represents a particularly practical structure.

Einer speziellen Ausführungsform der Rotorvorrichtung zufolge weist die zweite magnetische Schicht eine Magnetisierung mit mindestens 8 Polen in Umfangsrichtung auf. Diese Ausgestaltung hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen. Aspekte der Erfindung betreffen auch einen elektrischen Motor, der eine wie in vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen eingerichtete Rotorvorrichtung aufweist. Mit dieser Rotorvorrichtung wirkt eine entsprechende Statorvorrichtung zusammen. Insbesondere kann die Statorvorrichtung mit einer die Rotorvorrichtung umgreifenden Grundstruktur und einer Anzahl von Statorzähnen jeweils zur Aufnahme von Statorwicklungen ausgebildet sein. Zwischen den Statorzähnen können z.B. sechs Schlitzabschnitte gebildet sein, wenn die Rotoreinheit mit acht Magnetpolen ausgestattet ist. Durch diesen Aufbau wird erfindungsgemäß ein elektrischer Motor bereitgestellt, der aufgrund des spezifischen Verhältnisses von Schlitzabschnitten und Polen eine reduzierte Geräuscherzeugung bereitstellen kann. According to a special embodiment of the rotor device, the second magnetic layer has a magnetization with at least 8 poles in the circumferential direction. This design has proven to be very advantageous. Aspects of the invention also relate to an electric motor which has a rotor device configured as in the previously described embodiments. A corresponding stator device interacts with this rotor device. In particular, the stator device can be designed with a basic structure which encompasses the rotor device and a number of stator teeth each for receiving stator windings. For example, six slot sections can be formed between the stator teeth if the rotor unit is equipped with eight magnetic poles. This design provides an electric motor according to the invention which can provide reduced noise generation due to the specific ratio of slot sections and poles.

Die Rotorwelle kann in zwei oder mehr in einem Gehäuse des Motors vorgesehenen Lagern drehbar gehalten sein. Die Rotorwelle kann in einem Abschnitt, z.B. einem Endbereich, als Schneckenwelle ausgebildet sein, die in einem Schneckengetriebe mit einem Schneckenrad zusammenwirkt, um eine geeignetes Übersetzungsverhältnis für die spezifische Anwendung zu erzeugen. The rotor shaft can be rotatably supported in two or more bearings provided in a housing of the motor. The rotor shaft can be designed in one section, e.g. an end region, as a worm shaft which cooperates with a worm wheel in a worm gear to produce a suitable transmission ratio for the specific application.

Bei dem elektrischen Motor kann es sich um einen bürstenfreien Motor handeln, vorzugsweise einen BLDC-Motor zum Antrieb eines Dachsystems in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, das Dachsystem kann ein Schiebedach, ein Sonnendach, ein Sonnenrollo oder dergleichen beinhalten. The electric motor may be a brushless motor, preferably a BLDC motor for driving a roof system in a vehicle, in particular a motor vehicle, the roof system may include a sunroof, a sunroof, a sunblind or the like.

Aspekte der Erfindung sehen auch ein Verfahren zum Herstellen einer Rotorvorrichtung vor. Diese umfasst: Aspects of the invention also provide a method for manufacturing a rotor device. This comprises:

Bereitstellen einer Rotorwelle; Providing a rotor shaft;

Bereitstellen einer ersten Gußform, welche die Rotorwelle umschließt; Providing a first mold enclosing the rotor shaft;

Spritz- oder Druckgießen eines ersten Materials in die Gußform zur Bildung einer zylindermantelförmigen ersten Schicht auf der Rotorwelle; Injection or pressure molding a first material into the mold to form a cylinder-shell-shaped first layer on the rotor shaft;

Entfernen der ersten Gußform und Bereitstellen einer zweiten Gußform, welche die Rotorwelle umschließt; Spritz- oder Druckgießen eines zweiten magnetischen Materials in die Gußform zur Bildung einer zylindermantelförmigen zweiten magnetischen Schicht auf der ersten Schicht; Removing the first mold and providing a second mold enclosing the rotor shaft; Injection or pressure molding a second magnetic material into the mold to form a cylindrical second magnetic layer on the first layer;

Magnetisieren der zweiten magnetischen Schicht abhängig von einer Position in Umfangsrichtung nach Abschluss des Spritz- oder Druckgießens zur Ausbildung einer Anzahl von Polen. Magnetizing the second magnetic layer depending on a position in the circumferential direction after completion of injection or die molding to form a number of poles.

Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird bei dem Schritt des Spritz- oder Druckgießens des ersten Materials ein erstes magnetisches Material zur Ausbildung einer ersten magnetischen Schicht verwendet wird, wobei das Material der erste magnetischen Schicht einen ersten Wert für eine magnetische Remanenz aufweist, und das zweite Material der zweiten magnetischen Schicht einen zweiten Wert für eine magnetische Remanenz aufweist, wobei der zweite Wert für die magnetische Remanenz größer ist als der erste Wert. Ferner wird die erste magnetische Schicht während des Spritz- oder Druckgießen des ersten magnetischen Materials in die Gußform abhängig von einer Position in Umfangsrichtung magnetisiert, um die Ausbildung einer Anzahl von Polen in der zweiten magnetischen Schicht zu unterstützen. In a development of the method, in the step of injection or die-casting the first material, a first magnetic material is used to form a first magnetic layer, wherein the material of the first magnetic layer has a first value for a magnetic remanence, and the second material of the second magnetic layer has a second value for a magnetic remanence, wherein the second value for the magnetic remanence is greater than the first value. Furthermore, during the injection or die-casting of the first magnetic material into the mold, the first magnetic layer is magnetized depending on a position in the circumferential direction in order to support the formation of a number of poles in the second magnetic layer.

Das Magnetisieren während des Spritz- oder Druckgießen des ersten magnetischen Materials und das Magnetisieren nach Abschluss des Spritz- oder Druckgießens des zweiten magnetischen Materials hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Während das Magnetisieren während des Spritz- oder Druckgießens des ersten magnetischen Materials bzw. der ersten magnetischen Schicht einen getrennten Prozessschritt und dadurch Produktionszeit und Kosten einspart, kann durch das Magnetisieren des zweiten magnetischen Materials erst nach Abschluss des Spritz- oder Druckgießens in diesem Fall eine hohe magnetische Isotropie erreicht werden, so dass eine vergleichsweise höhere hohe magnetische Flussdichte erzielt wird, die im Fall des zweiten magnetischen Materials bzw. der zweiten magnetischen Schicht besonders relevant ist. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der diversen Aspekte ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen. Magnetizing during the injection or die-casting of the first magnetic material and magnetizing after completion of the injection or die-casting of the second magnetic material has proven to be particularly advantageous. While magnetizing during the injection or die-casting of the first magnetic material or the first magnetic layer saves a separate process step and thus production time and costs, by magnetizing the second magnetic material only after completion of the injection or die-casting, a high magnetic isotropy can be achieved in this case, so that a comparatively higher magnetic flux density is achieved, which is particularly relevant in the case of the second magnetic material or the second magnetic layer. Further advantages, features and details of the various aspects emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawings. In the figures, the same reference symbols designate the same features and functions.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Short description of the drawings

Es zeigen: They show:

Fig.1 in perspektivischer, Seiten- und Querschnittsansicht (von rechts nach links) einen Ausschnitt einer Rotorvorrichtung mit Rotorabschnitt und Rotorwelle gemäß einem konventionellen Beispiel; Fig.1 shows in perspective, side and cross-sectional view (from right to left) a section of a rotor device with rotor section and rotor shaft according to a conventional example;

Fig. 2 in perspektivischer Schnittansicht eine Rotorvorrichtung mit einem Rotorabschnitt und einer Rotorwelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2 shows a perspective sectional view of a rotor device with a rotor section and a rotor shaft according to an embodiment of the invention;

Fig. 3 eine Schnittansicht durch eine in einem Stator angeordnete Rotorvorrichtung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem in Graustufen dargestellten Grad der magnetischen Flussdichte; Fig. 3 is a sectional view through a rotor device arranged in a stator according to an embodiment of the invention with a degree of magnetic flux density shown in grayscale;

Fig. 4 ein Diagramm der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit von einem Positionswinkel in Umfangsrichtung an der Oberfläche des Rotormagneten für drei verschiedene Verhältnisse einer axialen Länge des Rotormagneten zur Dicke einer äußeren hartmagnetischen Schicht in radialer Richtung, entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 4 is a diagram of the magnetic flux density as a function of a position angle in the circumferential direction on the surface of the rotor magnet for three different ratios of an axial length of the rotor magnet to the thickness of an outer hard magnetic layer in the radial direction, according to an embodiment of the invention.

Bevorzugte Ausführungsform(en) der Erfindung Preferred embodiment(s) of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugte Ausführungsbeispiels ist zu berücksichtigen, dass die vorliegende Offenbarung der verschiedenen Aspekte nicht auf die Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren dargestellt sind. Alle Ausführungsbeispiele, auch die nicht in den Figuren gezeigten, können auf verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es ist des Weiteren zu berücksichtigen, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie lediglich zum Zweck der konkreten Beschreibung verwendet wird und diese sollten nicht durch den Fachmann als solche in einschränkender Weise ausgelegt werden. Ferner bezeichnen in nachfolgender Beschreibung gleiche Bezugszeichen in den Figuren gleiche oder ähnliche Merkmale oder Gegenstände, so dass in einigen Fällen auf eine wiederholte detaillierte Beschreibung derselben verzichtet wird, um die Kompaktheit und Übersichtlichkeit der Darstellung zu bewahren. In the following description of a preferred embodiment, it should be noted that the present disclosure of the various aspects is not limited to the details of the construction and arrangement of the components are limited to those shown in the following description and in the figures. All embodiments, even those not shown in the figures, can be practiced or carried out in various ways. It should also be noted that the expression and terminology used here is used only for the purpose of concrete description and should not be interpreted as such in a limiting manner by one skilled in the art. Furthermore, in the following description, like reference numerals in the figures designate like or similar features or objects, so that in some cases a repeated detailed description of the same is omitted in order to maintain the compactness and clarity of the illustration.

In Fig. 1 ist ein Beispiel einer konventionellen Rotorvorrichtung 50 für einen bürstenfreien elektrischen Motor (BLDC) gezeigt. Eine Rotorwelle 14 weist einen Kern 54 auf, auf dessen Außenoberfläche innerhalb von Ausnehmungen insgesamt vier voneinander beabstandete Magnete 56 geklebt sind, wobei es sich um Sintermagnete handelt. Die Magnete 56 sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils durch einen magnetischen Nordpol (N) und einen magnetischen Südpol (S) gebildet, die jedoch der Einfachheit halber nicht gezeigt sind. Insgesamt liegen in der gezeigten Anordnung der vier Magnete 56 also 8 Pole vor. Die 8 Pole (N, S) sind alternierend orientiert, um ein gewünschtes Magnetfeld zu erhalten. Um bei den im Fall von BLDC-Motoren oftmals hohen Drehzahlen und damit verbundenen hohen Fliehkräften ein Ablösen der Magnete 56 vorzubeugen, ist außen an der Rotorvorrichtung ein Halterung 58 eingerichtet, welche sich ringsherum erstreckt und die Magnete 56 zumindest teilweise bedeckt und in Position hält. Fig. 1 shows an example of a conventional rotor device 50 for a brushless electric motor (BLDC). A rotor shaft 14 has a core 54, on the outer surface of which a total of four spaced-apart magnets 56 are glued within recesses, these being sintered magnets. In this exemplary embodiment, the magnets 56 are each formed by a magnetic north pole (N) and a magnetic south pole (S), which are not shown for the sake of simplicity. In total, there are 8 poles in the arrangement of the four magnets 56 shown. The 8 poles (N, S) are oriented alternately in order to obtain a desired magnetic field. In order to prevent the magnets 56 from becoming detached at the high speeds that are often associated with BLDC motors and the high centrifugal forces, a holder 58 is arranged on the outside of the rotor device, which extends all the way around and at least partially covers the magnets 56 and holds them in position.

Die Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Rotorvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die perspektivische Darstellung zeigt stirnseitig einen Querschnitt senkrecht zu einer Längsachse Z einer Rotorwelle der Rotorvorrichtung 10. Direkt auf der Rotorwelle 14 ist durch Spritz- oder Druckguss eine erste magnetische Schicht 20 ausgebildet. Diese besitzt eine Außenoberfläche 26 mit in Bezug auf die Längsachse Z konstantem Radius in Umfangsrichtung P. Die Außenoberfläche 24 der ersten magnetischen Schicht besitzt einen Außendurchmesser d1 . Die Rotorwelle 14 selbst ist zylindrisch ausgebildet, so dass die erste magnetische Schicht 20 insgesamt die Form eines Zylindermantels besitzt. Fig. 2 shows a schematic representation of an embodiment of a rotor device 10 according to the present invention. The perspective representation shows a cross-section perpendicular to a longitudinal axis Z of a rotor shaft of the rotor device 10. A first magnetic layer 20 is formed directly on the rotor shaft 14 by injection or die casting. This has an outer surface 26 with a constant radius in the circumferential direction P with respect to the longitudinal axis Z. The Outer surface 24 of the first magnetic layer has an outer diameter d1. The rotor shaft 14 itself is cylindrical, so that the first magnetic layer 20 as a whole has the shape of a cylinder shell.

Entlang der Längsachse Z besitzt die erste magnetische Schicht 20 eine Länge L. Für die Herstellung wird eine Gussform bereitgestellt, durch welche hindurch sich die Rotorwelle 14 erstreckt. Die entsprechende Gussform kann innerhalb einer Magnetisierungsvorrichtung (nicht gezeigt) positioniert werden, mit welcher ein geeignetes mehrpoliges Magnetfeld aufgebaut wird, das die Gussform durchsetzt. Währenddessen wird eine Mischung aus Thermo-Elastomeren und/oder thermoplastischen Harzen und Ferrit-Pulver in die Gussform gespritzt (Spritz- oder Druckguss). Die Ferrit-Partikel richten sich hierbei im Magnetfeld aus, so dass eine Restmagnetisierung nach Abkühlung bzw. Aushärtung verbleibt. Ein Vorteil ist, dass das magnetische Material direkt auf die Rotorwelle 14 spritzgegossen werden kann. Ein nachfolgendes Zusammenfügen ist nicht mehr notwendig. The first magnetic layer 20 has a length L along the longitudinal axis Z. For production, a mold is provided through which the rotor shaft 14 extends. The corresponding mold can be positioned within a magnetization device (not shown) with which a suitable multi-pole magnetic field is built up that permeates the mold. Meanwhile, a mixture of thermo-elastomers and/or thermoplastic resins and ferrite powder is injected into the mold (injection or die casting). The ferrite particles align themselves in the magnetic field so that a residual magnetization remains after cooling or hardening. One advantage is that the magnetic material can be injection molded directly onto the rotor shaft 14. Subsequent assembly is no longer necessary.

Auf der ersten Magnetschicht 20 bzw. auf deren Außenoberfläche 24 ist eine zweite magnetische Schicht ausgebildet. Auch sie besitzt eine zylindrische Außenoberfläche 28 mit in Bezug auf die Längsachse Z konstantem Radius in Umfangsrichtung P. Die Außenoberfläche 28 der zweiten magnetischen Schicht besitzt einen konstanten Außendurchmesser d2. Der Innendurchmesser d1 der zweiten magnetischen Schicht 22 entspricht dem Außendurchmesser der ersten magnetischen Schicht 20. Durch diesen Aufbau besitzt die zweite magnetische Schicht 22 ähnlich wie die erste magnetische Schicht 20 insgesamt die Form eines Zylindermantels, ist jedoch wesentlich dünner (die Dicke beträgt (d2 - d1 )/2). A second magnetic layer is formed on the first magnetic layer 20 or on its outer surface 24. It also has a cylindrical outer surface 28 with a constant radius in the circumferential direction P with respect to the longitudinal axis Z. The outer surface 28 of the second magnetic layer has a constant outer diameter d2. The inner diameter d1 of the second magnetic layer 22 corresponds to the outer diameter of the first magnetic layer 20. Due to this structure, the second magnetic layer 22 has the overall shape of a cylinder shell, similar to the first magnetic layer 20, but is significantly thinner (the thickness is (d2 - d1)/2).

Entlang der Längsachse Z besitzt die zweite magnetische Schicht 22 die gleiche Länge L wie die erste magnetische Schicht 20. Grundsätzlich können die Längen aber auch verschieden sein. Für die nachfolgende Betrachtung ist aber die Länge L der zweiten magnetischen Schicht 22 relevant. Für die Herstellung der zweiten magnetischen Schicht 22 wird wieder eine Gussform bereitgestellt, durch welche hindurch sich die Rotorwelle 14 mit der drauf gebildeten ersten magnetischen Schicht 20 erstreckt. In diese wird eine Mischung aus Thermo- Elastomeren und/oder thermoplastischen Harzen und einem Metall-Pulver aus Seltenerdmagnet-Material in die Gussform gespritzt (Spritz- oder Druckguss). Bevorzugt ist hier eine Legierung aus SmFeN-Partikeln (Samarium-Eisen-Nitrid). Dieser Stoff weist einen hohen Widerstand gegen Entmagnetisierung auf und ist deshalb besonders geeignet. Es kommen auch SmFeN/Ferrit-Hybridmagneten auf der einen Seite oder SmFeN/NdFeB-Hybridmagneten auf der anderen Seite in Frage, letztere mit besonders hervorragenden Eigenschaften in Bezug auf Energiedichte und Koerzitivfeldstärke. Mischungen aus Thermo-Elastomeren und/oder thermoplastischen Harzen und einem Metall-Pulver aus NdFeB- oder SmCo-Partikeln sind ebenfalls besonders gut geeignet. Along the longitudinal axis Z, the second magnetic layer 22 has the same length L as the first magnetic layer 20. In principle, however, the lengths can also be different. For the following consideration, however, the length L of the second magnetic layer 22 is relevant. To produce the second magnetic layer 22, a mold is again provided through which the rotor shaft 14 extends with the first magnetic layer 20 formed on it. A mixture of thermo-elastomers and/or thermoplastic resins and a metal powder made of rare earth magnet material is injected into the mold (injection or die casting). An alloy made of SmFeN particles (samarium iron nitride) is preferred here. This material has a high resistance to demagnetization and is therefore particularly suitable. SmFeN/ferrite hybrid magnets on the one hand or SmFeN/NdFeB hybrid magnets on the other hand are also possible, the latter with particularly excellent properties in terms of energy density and coercive field strength. Mixtures of thermo-elastomers and/or thermoplastic resins and a metal powder made of NdFeB or SmCo particles are also particularly suitable.

In diesem Fall wird eine gewünschte Magnetisierung erst nach Abkühlung bzw. Aushärtung vorgenommen. Ein Vorteil ist, dass das magnetische Material direkt auf die Außenoberfläche 24 der ersten magnetischen Schicht 20 spritzgegossen werden kann. Ein nachfolgendes Zusammenfügen ist nicht mehr notwendig. In this case, the desired magnetization is only carried out after cooling or hardening. One advantage is that the magnetic material can be injection molded directly onto the outer surface 24 of the first magnetic layer 20. Subsequent assembly is no longer necessary.

In der Fig. 3 ist ein Querschnitt durch einen bürstenfreien elektrischen Motor 100 mit der Rotorvorrichtung aus Fig. 2 und einer diese umgreifenden Statorvorrichtung 40 gezeigt. Die Graustufendarstellung zeigt Ergebnisse einer Simulation hinsichtlich magnetischer Flussdichten während des Motorbetriebs. Mit dem Bezugszeichen 26 sind zwei von insgesamt acht während der vorbeschriebenen Magnetisierung eingerichteten Magnetpolen bezeichnet. Diese acht in der zweiten Magnetschicht gebildeten Magnetpole stehen 6 Schlitzen bzw. Statorzähnen 44 der Statorvorrichtung 40 gegenüber. Die Statorvorrichtung 40 weist eine äußere Grundstruktur 42 auf, von welcher sich nach innen zur Längsachse Z der Rotorwelle 14 entsprechend die sechs Statorzähne 44 erstrecken. Die Statorzähne 44 weisen je einen Statorkopf 46 auf, dessen Kopffläche mit der Außenoberfläche 28 der zweiten magnetischen Schicht 22 jeweils einen Schlitz ausbildet. Die zweite magnetische Schicht 22 besitzt wie beschrieben einen Außendurchmesser d2 in Bezug auf die Außenoberfläche 28 sowie einen Innendurchmesser d1 in Bezug auf die innen angrenzende Außenoberfläche 24 der ersten magnetischen Schicht 20. Der Innendurchmesser d1 der zweiten magnetischen Schicht 22 ist identisch mit dem Außendurchmesser d1 der ersten magnetischen Schicht 20, da beide zusammenfallen. Die Dicke der zweiten magnetischen Schicht 22 beträgt in diesem Fall in Umfangrichtung P konstant (d2-d1 )/2. Fig. 3 shows a cross section through a brushless electric motor 100 with the rotor device from Fig. 2 and a stator device 40 encompassing it. The grayscale representation shows results of a simulation with regard to magnetic flux densities during motor operation. The reference number 26 designates two of a total of eight magnetic poles set up during the magnetization described above. These eight magnetic poles formed in the second magnetic layer are opposite six slots or stator teeth 44 of the stator device 40. The stator device 40 has an outer base structure 42, from which the six stator teeth 44 extend inwards towards the longitudinal axis Z of the rotor shaft 14. The stator teeth 44 each have a stator head 46, the head surface of which forms a slot with the outer surface 28 of the second magnetic layer 22. As described, the second magnetic layer 22 has an outer diameter d2 in relation to the outer surface 28 and an inner diameter d1 in relation to the inner adjacent outer surface 24 of the first magnetic layer 20. The inner diameter d1 of the second magnetic layer 22 is identical to the outer diameter d1 of the first magnetic layer 20, since both coincide. The thickness of the second magnetic layer 22 in this case is constant (d2-d1)/2 in the circumferential direction P.

Die zweite magnetische Schicht 22 besitzt in dem Ausführungsbeispiel insbesondere eine Länge L entlang der Längsachse von 22 mm sowie eine Differenz d2-d1 zwischen dem Außendurchmesser d2 und dem Innendurchmesser d1 der zweiten magnetischen Schicht von 3 mm. Diese Differenz entspricht aus geometrischen Gründen der zweifachen Dicke der zweiten magnetischen Schicht 22. Ein Verhältnis o_m zwischen der Länge L und der genannten Differenz d2-d1 beträgt in diesem Fall gerundet 7,3. Es wurde gefunden, dass ab einem Wert weniger als o_m = 4 die erhöhten Kosten für die Herstellung der zweiten magnetischen Schicht in der Volumenproduktion zu hoch werden (im wesentlichen Materialkosten für das Seltenerdmaterial) im Vergleich zu einer Verbesserung der Lebensdauer des Motors aufgrund der verbleibenden Restmagnetisierung. Ferner wurde aber auch gefunden, dass ab einem Wert von mehr als Om = 15 das Ausmaß der Entmagnetisierung aufgrund der geringen Schichtdicke im Vergleich zur Energiedichte des einwirkenden Magnetfelds zu groß wird, im Vergleich zu den nun schon überschaubaren Kosten für das Seltenerdmaterial. In the exemplary embodiment, the second magnetic layer 22 has a length L along the longitudinal axis of 22 mm and a difference d2-d1 between the outer diameter d2 and the inner diameter d1 of the second magnetic layer of 3 mm. For geometric reasons, this difference corresponds to twice the thickness of the second magnetic layer 22. A ratio o _m between the length L and the aforementioned difference d2-d1 in this case is rounded to 7.3. It was found that from a value of less than o _m = 4, the increased costs for producing the second magnetic layer in volume production become too high (essentially material costs for the rare earth material) compared to an improvement in the service life of the motor due to the remaining residual magnetization. Furthermore, it was also found that from a value of more than Om = 15, the extent of the demagnetization becomes too great due to the small layer thickness compared to the energy density of the acting magnetic field, compared to the now already manageable costs for the rare earth material.

Die Fig. 4 zeigt einen Plot mit der über den Außenumfang (Winkel 4>) der zweiten magnetischen Schicht 22 bestimmten magnetischen Flussdichte B nach der Magnetisierung für 3 Fälle. In Fig. 4 ist insbesondere für den oben beschriebenen idealen Fall a_m = L/(d2-d1 ) = 7,3 (siehe die durch den Pfeil B gekennzeichnete Kurve), für die untere Grenze o_m = 4 (siehe die durch den Pfeil A gekennzeichnete Kurve) und für die obere Grenze o_m = 15 (siehe die durch den Pfeil C gekennzeichnete Kurve) des vorliegend gefundenen Intervalls jeweils die magnetische Flussdichte ß vor Beginn des Motorbetriebs gegen eine Winkelposition in der magnetischen Schicht 22 in Umfangsrichtung P aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass für die obere Grenze o_m = 15, d.h. eine im Vergleich zur Länge relativ dünne zweite magnetische Schicht, nur ein geringes Budget an magnetischer Flussdichte B zur Verfügung steht, das im Betrieb durch eine ständig wiederholt durchlaufene Hystereseschleife schneller abgebaut wird als etwa im Fall bei o_m = 7,3. Ab der oberen Grenze bei etwa o_m = 15 erreicht die zweite magnetische Schicht Dicken, welche mit Kosten verbunden sind, die nach derzeitigem Stand nicht mehr durch den technischen Vorteil gerechtfertigt sind. Fig. 4 shows a plot of the magnetic flux density B determined over the outer circumference (angle α) of the second magnetic layer 22 after magnetization for 3 cases. In Fig. 4, in particular for the ideal case described above a _m = L/(d2-d1 ) = 7.3 (see the curve marked by the arrow B), for the lower limit o _m = 4 (see the curve marked by the arrow A) and for the upper limit o _m = 15 (see the curve marked by the arrow C) of the interval found here, the magnetic flux density ß before the start of the motor operation is plotted against an angular position in the magnetic layer 22 in Circumferential direction P. It can be seen that for the upper limit o _m = 15, ie a second magnetic layer that is relatively thin compared to its length, only a small budget of magnetic flux density B is available, which is reduced more quickly during operation by a constantly repeated hysteresis loop than in the case of o _m = 7.3. From the upper limit at about o _m = 15, the second magnetic layer reaches thicknesses that are associated with costs that are no longer justified by the technical advantage at the current stage.

BEZUGSZEICHEN LISTE : REFERENCE SIGN LIST :

Rotorvorrichtung rotor device

Rotorwelle erste magnetische Schicht zweite magnetische Schicht rotor shaft first magnetic layer second magnetic layer

Außenoberfläche (erste magnetische Schicht) outer surface (first magnetic layer)

Pol, Magnetpol pole, magnetic pole

Außenoberfläche outer surface

Statorvorrichtung stator device

Grund Struktur basic structure

Statorzahn stator tooth

Statorkopf stator head

Statorwicklung stator winding

Rotorvorrichtung (konventionell) rotor device (conventional)

Kern core

Sintermagnete sintered magnets

Halterung elektrischer Motor electric motor mount

Claims

Claims:

1 . A rotor device (10) for a DC motor (100), comprising: a rotor shaft (14); a first layer formed on the rotor shaft (14) or on a core attached to the rotor shaft (14); a second layer, the second layer formed on an outer surface (24) of the first layer, the second layer being a second magnetic layer (22); wherein the second magnetic layer (22) has the shape of a cylinder shell, wherein the cylinder shell of the second magnetic layer (22) has a thickness ((d2-d1)/2) measured in the radial direction from a longitudinal axis (Z) of the rotor shaft, which is constant in the circumferential direction (P) and a length (L) measured in the axial direction parallel to the longitudinal axis (Z), wherein a ratio of the length (L) to a difference (d2-d1) between an outer diameter (d2) of the second magnetic layer (22) and an inner diameter (d1) of the second magnetic layer (22) is a value which lies in a range between 4 and 15, including the limit values.

2. Rotor device (10) according to claim 1, wherein the first layer and the second magnetic layer (22) are each plastic-bonded in an injection or die-casting process using a plastic binder.

3. Rotor device (10) according to claim 1 or 2, wherein the first layer is a first magnetic layer (20) formed from a material having a first value for a magnetic remanence, the second magnetic layer (22) is formed from a material having a second value for a magnetic remanence, wherein the second value for the magnetic remanence is greater than the first value.

4. Rotor device (10) according to claim 1 or 2, wherein the first layer is a non-magnetic layer, preferably a thermoplastic.

5. Rotor device (10) according to one of claims 1 to 4, wherein the value of the ratio of the length (L) to the difference (d2-d1) is in a range between 6 and 10, including the limit values.

6. Rotor device (10) according to one of claims 1 to 5, wherein the value of the ratio of the length (L) to the difference (d2-d1) is in a range between 7 and 8, including the limit values.

7. Rotor device (10) according to one of claims 1 to 6, wherein the first layer also has the shape of a cylinder jacket.

8. Rotor device (10) according to one of claims 3, or 5 to 7, as far as dependent on claim 3, wherein the first magnetic layer (20) comprises a soft magnetic material, preferably a ferrite material.

9. Rotor device (10) according to one of claims 1 to 8, wherein the second magnetic layer (22) comprises a hard magnetic material, preferably a rare earth magnet material.

10. The rotor device (10) of claim 9, wherein the rare earth magnet material is one of the group comprising: SmFeN, NdFeB or SmCo, including alloying additives.

11. Rotor device (10) according to one of claims 1 to 10, wherein the first layer is formed directly on the rotor shaft (14), or directly on the core (30) attached to the rotor shaft (14), wherein the core (30) is formed from layered steel sheets.

12. Rotor device (10) according to one of claims 1 to 11, wherein the second magnetic layer (22) has a magnetization with at least 8 poles (26) in the circumferential direction (P).

13. An electric motor (100) comprising: a rotor device (10) according to any one of the preceding claims; and a stator device (40).

14. Electric motor (100) according to claim 13, wherein the electric motor (100) is a brushless motor, preferably a BLDC motor for driving a roof system in a vehicle.

15. A method of manufacturing a rotor device comprising:

Providing a rotor shaft;

Providing a first mold enclosing the rotor shaft;

Injection or pressure molding a first material into the mold to form a cylinder-shell-shaped first layer on the rotor shaft;

Removing the first mold and providing a second mold enclosing the rotor shaft;

Injection or pressure molding a second magnetic material into the mold to form a cylindrical second magnetic layer on the first layer;

Magnetizing the second magnetic layer depending on a position in the circumferential direction after completion of injection or die molding to form a number of poles.

16. The method according to claim 15, wherein in the step of injection or pressure molding the first material, a first magnetic material is used to form a first magnetic layer, wherein the material of the first magnetic layer has a first value for a magnetic remanence, and the second material of the second magnetic Layer has a second value for a magnetic remanence, the second value for the magnetic remanence being greater than the first value; and the first magnetic layer is magnetized during injection or pressure molding of the first magnetic material into the mold depending on a position in the circumferential direction to assist in the formation of a number of poles in the second magnetic layer.