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Dokumentenidentifikation DE4002714A1 09.08.1990
Titel Permanentmagneterregter Drehfeldmotor
Anmelder Zahnradfabrik Friedrichshafen AG, 7990 Friedrichshafen, DE
Erfinder Leutner, Wilfried, 7070 Schwäbisch Gmünd, DE
DE-Anmeldedatum 31.01.1990
DE-Aktenzeichen 4002714
Offenlegungstag 09.08.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.08.1990
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf permanentmagneterregte Drehfeldmotoren mit Bruchlochwicklung.
Bei diesen Elektromotoren besteht nach wie vor das Problem eines hohen Rastmoments, welches insbesondere beim Durchdrehen des stromlosen Motors mittels eines äußeren Drehmoments unerwünscht ist.
Zur Lösung des Problems wird vorgeschlagen, daß das Rastmoment jedes einzelnen Permanentmagneten (5, 6) innerhalb jeder Halbteilung (b), die als Winkelabstand zwischen den Mittelebenen eines Stegs (2) und einer benachbarten Nut (3) des Stators (1) definiert ist, symmetrisch zur Mittelebene der Halbteilung (b) verlaufen soll und daß eine ungerade Anzahl von über- und unterzähligen Nuten vorliegt.
Als Ergänzung oder Alternative wird vorgeschlagen, eine Anzahl von Permanentmagneten (5, 6) zu wählen, die keinen gemeinsamen Teiler mit der Anzahl der über- oder unterzähligen Nuten aufweist.
Mögliches Anwendungsgebiet sind alle Antriebe mit permanentmagneterregten Drehfeldmotoren.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen permanentmagneterregten Drehfeldmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 7.

Ein solcher Elektromotor ist z. B. als permanenterregter Drehfeldmotor mit 12 Magneten (12 Polen) und 39 Nuten bzw. 39 Stegen auf dem Markt. Er besitzt eine 3-Phasen-Wicklung, die als Bruchlochwicklung, also nicht nur mit 3 mal 12 = 36 Nuten, sondern mit einer zusätzlichen Nut pro Phase ausgeführt ist (so daß die Bruchzahl 39/12 entsteht). Dank dieser Asymmetrie treffen nicht immer alle Magnete gleichzeitig auf eine Stegkante; die Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Magneten und den ihnen zugewandten Stator-Stegen addieren sich somit nicht in dem Maße auf, wie dies bei einer normalen, symmetrischen Wicklung mit hier z. B. 36 Nuten bzw. Stegen der Fall wäre.

Das Rastmoment des Motors, d. h. das Streben der Permanentmagnete zu den Stegen (die eine höhere magnetische Leitfähigkeit bieten als die Nuten), ist damit zwar deutlich niedriger als bei einer Ausführung ohne Bruchlochwicklung. Für viele Anwendungsfälle, z. B. das Durchdrehen des stromlosen Motors mittels eines äußeren, insbesondere manuell aufgebrachten, Drehmoments, ist das Rastmoment jedoch immer noch zu hoch.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Rastmoment gattungsgemäßer Drehfeldmotoren nochmals deutlich zu reduzieren und im Idealfall zu Null zu machen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die zusätzliche Verwirklichung der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 7 gelöst.

Im folgenden wird am Beispiel von Motoren mit drei zusätzlichen Nuten die Wirkungsweise der in den kennzeichnenden Merkmalen aufgeführten Maßnahmen erläutert. Drei zusätzliche Nuten bieten sich deshalb an, weil mit je der gleichen Zahl zusätzlicher Nuten pro Phase aus Symmetriegründen das aktive Moment des Motors unter Strom gleichmäßig während einer Umdrehung bleibt und weil je eine Nut pro Phase und damit insgesamt drei überzählige Nuten dafür die technisch einfachste Ausführung darstellt. Überzählige Nuten bieten gegenüber unterzähligen Nuten den Vorteil, daß im ersten Fall die meisten Nuten vollgewickelt werden können und lediglich in den überzähligen Nuten sowie in je einer danebenliegenden Nut nur die halbe Kupfermenge eingebracht wird, während im zweiten Fall umgekehrt nur die unterzähligen Nuten vollgewickelt werden können.

Wird der Rastmomentverlauf jedes Einzelmagneten durch geeignete Geometrie von Nuten, Stegen, Magnet und Luftspalt innerhalb jeder Halbteilung symmetrisch gewählt - wie es dem Fachmann durch mathematische Methoden (z. B. der finiten Elemente), Simulation und/oder experimentelle Untersuchungen möglich ist -, so wird das gesamte Rastmoment des Motors im Idealfall zu Null.

Zum Ausgleich etwaiger Fertigungstoleranzen kann ergänzend oder auch alternativ die Anzahl der Permanentmagnete so gewählt werden, daß sie nicht durch drei (überzählige Nuten) teilbar ist. Dann wirken die Permanentmagnete besonders wenig in dieselbe Richtung, und ihre Kräfte heben sich um so vollständiger auf. So etwa ist das Rastmoment eines vierpoligen (d. h. mit vier Magneten oder zwei Polpaaren ausgestatteten) Motors geringer als jenes eines sechspoligen; dasselbe gilt in gleicher vorteilhafter Weise für das Rastmoment eines zehnpoligen Motors gegenüber jenem eines zwölfpoligen.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die Abwicklung eines zweipoligen Motors mit symmetrischer Wicklung;

Fig. 2 schematisch die Abwicklung eines zweipoligen Motors mit Bruchlochwicklung mit drei zusätzlichen Nuten;

Fig. 3 den Rastmomentverlauf der Einzelmagnete eines zweipoligen Motors mit Bruchlochwicklung sowie das resultierende Rastmoment;

Fig. 4 den Rastmomentverlauf der Einzelmagnete eines zweipoligen Motors mit Bruchlochwicklung mit symmetrischem Momentverlauf innerhalb jeder Halbteilung sowie das resultierende Rastmoment;

Fig. 5 den Rastmomentverlauf der Einzelmagnete eines sechspoligen Motors mit Bruchlochwicklung sowie das resultierende Rastmoment;

Fig. 6 den Rastmomentverlauf der Einzelmagnete eines vierpoligen Motors mit Bruchlochwicklung sowie das resultierende Rastmoment;

Fig. 7 das resultierende Rastmoment eines zwölfpoligen Motors mit Bruchlochwicklung;

Fig. 8 das resultierende Rastmoment eines zehnpoligen Motors mit Bruchlochwicklung;

In Fig. 1 ist in Form einer Abwicklung der Stator 1 eines zweipoligen Motors mit sechs Stegen 2 und sechs Nuten 3 dargestellt. Die Wicklung, die in den Nuten 3 liegt, ist hier nicht dargestellt, da sie für die weitere Betrachtung keine Rolle spielt. Dem Stator 1 gegenüber ist der Rotor 4 des Motors dargestellt. Auf dem Rotor 4 sind genau gegenüberliegend zwei Permanentmagnete 5 und 6 (im folgenden kurz "Magnete" genannt) angebracht, von denen einer mit seinem Nordpol und der andere mit seinem Südpol auf die Stege 2 orientiert ist, während der magnetisch leitfähige Rotor den Rückschluß bildet.

Die Mittelebenen zweier benachbarter Stege 2 oder Nuten 3 haben den Abstand a, im folgenden als Nut-Teilung bezeichnet. Die Mittelebenen benachbarter Stege 2 und Nuten 3 haben den Abstand b, im folgenden als Halbteilung bezeichnet. Im Motor sind unter Teilungen Winkel zu verstehen.

Gemäß Fig. 1 erkennt man, daß bei einem symmetrisch gewickelten Motor der Magnet 5 die gleiche Relativlage bezüglich der ihm zugewandten Stege 2 und Nuten 3 einnimmt wie der Magnet 6 bezüglich der ihm zugewandten Stege 2 und Nuten 3. Die Momente, die durch die Magnetkräfte zwischen den Magneten 5, 6 einerseits und den Stegen 2 andererseits entstehen, haben in beiden Magneten infolge gleicher Stellung gleiche Größe und gleiche Richtung, addieren sich also auf.

Mit den gleichen Bezeichnungen wie in Fig. 1 ist in Fig. 2 nunmehr ein Motor mit Bruchlochwicklung, mit je einer zusätzlichen Nut pro Phase, dargestellt. Hier liegt der Magnet 5 zentrisch unter einem Steg 2, der Magnet 6 jedoch zentrisch unter einer Nut 3. Die Kräfte, die am Magneten 6 entstehen, entsprechen also denjenigen, die am Magneten 5 entstehen, wenn dieser um eine Halbteilung b verschoben ist.

In Fig. 3A ist als Beispiel ein Momentverlauf am Magneten 5 gezeigt, während dieser aus der Stellung in Fig. 2 um eine Nut-Teilung a weiterbewegt wird. Dabei sind nach oben die linksdrehenden Momente und nach unten die rechtsdrehenden Momente aufgezeichnet. Die Abszisse repräsentiert die Verschiebung des Magneten 5 in Fig. 2 nach rechts. Die Nut-Teilung a beträgt hier 360°/9 Nuten = 40°. Das maximale Rastmoment eines Einzelmagneten wurde auf eins normiert.

Fig. 3B zeigt den Rastmomentverlauf am Magneten 6.

Fig. 3C zeigt die Addition der Momente in Fig. 3A und Fig. 3B. Man erkennt, daß im Gegensatz zum symmetrisch ausgeführten Motor, wo die Addition als Maximalwert zwei ergeben würde, diese Überlagerung hier eine Reduzierung des resultierenden Rastmomentes auf 0,76 bewirkt.

Fig. 4 zeigt dieselbe Betrachtung wie Fig. 3 mit dem Unterschied, daß der Rastmomentverlauf innerhalb einer Nut- Teilung a als sinusförmig angenommen ist. Wie Fig. 4C zeigt, ergibt die Addition der beiden Rastmomente aus Fig. 4A und Fig. 4B in jeder Stellung Null. Das resultierende Rastmoment des Motors ist also Null.

Letzteres vorteilhaftes Ergebnis erhält man immer dann, wenn der (untereinander möglichst gleiche) Momentverlauf der Einzelmagneten innerhalb jeder Halbteilung b symmetrisch bezüglich der Mittelebene in der Halbteilung b ist. In Fig. 4 liegt die Mittelebene der ersten Halbteilung bei 10°, in der zweiten Halbteilung bei 30°.

Der Verlauf als solcher spielt dabei keine Rolle und kann z. B. auch dreieckförmig oder rechteckförmig sein oder jede andere symmetrische Form annehmen. Weiterhin gilt die Betrachtung nicht nur für zweipolige Motoren, sondern für jede beliebige gerade Polzahl (= ganze Polpaarzahl), und zwar für jede Bruchlochwicklung mit einer ungeraden Anzahl von über- oder unterzähligen Nuten.

Fig. 5A bis Fig. 5F zeigen analog zu Fig. 3 und Fig. 4 die auf eins normierten Rastmomentverläufe der sechs Einzelmagneten eines sechspoligen Motors. Die Nut-Teilung a beträgt hier 360°/21 Nuten = 17,14°. Aufgrund einer Symmetrie ergibt es sich hier, daß jeder zweite Magnet bezüglich der ihm zugewandten Stator-Nuten 3 und -Stege 2 gleich steht. Damit ergibt sich in der Addition, wie in Fig. 5G gezeigt, ein maximales resultierendes Rastmoment von 2,28.

Wesentlich weniger resultierendes Rastmoment zeigt demgegenüber ein vierpoliger Motor. In Fig. 6A bis Fig. 6D sind wieder die Rastmomentverläufe der vier Einzelmagneten dargestellt. Die Addition ergibt nach Fig. 6E ein maximales Rastmoment von nur 0,12. Die Nut-Teilung a beträgt 360°/15 Nuten = 24°.

Wenn der Motor mit höherer Polzahl ausgeführt wird, dann reduzieren sich die resultierenden Momente weiter.

Fig. 7 zeigt das resultierende Rastmoment eines zwölfpoligen Motors mit dem Maximalwert 0,35. Wiederum ist eine wesentliche Verminderung der Rastmomente zu erreichen, wenn man eine Polzahl wählt, die nicht durch sechs teilbar ist. Hierzu zeigt Fig. 8 das resultierende Rastmoment eines zehnpoligen Motors. Der Maximalwert des Rastmoments beträgt hier nur noch 0,007.

Die im Zusammenhang mit Fig. 6 und Fig. 8 beschriebenen Verbesserungen treten dadurch ein, daß bei Motoren mit nicht durch sechs teilbarer Polzahl (= mit nicht durch drei teilbarer Polpaarzahl) jeder Magnet bezüglich der Nuten 3 und Stege 2 des Stators 1 eine andere Stellung einnimmt.

Mathematisch läßt sich diese Tatsache wie folgt ausdrücken:

Bei einer Polzahl p hat ein Motor mit der beschriebenen Bruchlochwicklung 3 p + 3 Nuten/Stege, die in einem Winkelabstand (Nut-Teilung) von 360°/(3 p + 3) aufeinanderfolgen. Die Pole p (Permanentmagnete) liegen jeweils um einen Winkel von 360°/p auseinander. Wenn es zwei ganze Zahlen n (1 ≤n ≤ 3 p + 3) und m (1 ≤mp) gibt, für die n mal 360°/(3 p + 3) gleich m mal 360°/p wird, gibt es eine gemeinsame Periode für die Winkellage von Stegen und Magneten und damit eine Wiederholung gleicher Lageverhältnisse, mit dem aufgezeigten Verstärkungseffekt hinsichtlich des Rastmoments. Aus der genannten Gleichung ersieht man, daß eine Periodizität auftritt, wenn ein ganzzahliges m mit der Beziehung

m = np/[3 (p+1)]

existiert. Setzt man n = p + 1, kommt es zu einem ganzzahligen m, wenn p den Faktor 3 enthält. Da p nur geradzahlig sein darf, ist letztere Aussage äquivalent beziehbar auf die Teilbarkeit von p durch 6. Andersherum formuliert: wenn p nicht durch sechs teilbar ist, kann es nicht gleichzeitig ein ganzzahliges m und ein ganzzahliges n für obige Gleichung geben und somit keine Lagewiederholung zwischen Magneten und Stegen.

Somit läßt sich allein schon durch Wahl einer nicht durch sechs teilbaren Polzahl eine spürbare Senkung des Rastmoments erzielen, und zwar um so vollständiger, je höher die Polzahl ist.

Wenn diese Wahl zusätzlich zu der oben beschriebenen Symmetrie des Rastmomentverlaufs der Einzelmagnete getroffen wird, ist das Rastmoment technisch so weit beherrscht, daß - mit entsprechenden wirtschaftlichen Vorteilen - schließlich auch größere Toleranzen bei der Herstellung der Symmetrie akzeptiert werden können.

Bezugszeichen

1 Stator

2 Steg

3 Nut

4 Rotor

5 Permanentmagnet (Magnet)

6 Permanentmagnet (Magnet)


Anspruch[de]
  1. 1. Permanentmagneterregter Drehfeldmotor mit einem Stator (1) und einem Rotor (4), wobei
    1. a) der Rotor (4) an seiner dem Stator (1) zugewandten Umfangsfläche gleichmäßig verteilt eine gerade Anzahl von Permanentmagneten (5, 6) abwechselnder Polarität trägt;
    2. b) der Stator (1) an seiner dem Rotor (4) zugewandten Umfangsfläche gleichmäßig verteilt mehrere durch Stege (2) getrennte Nuten (3) aufweist, die eine dreiphasige Wicklung aufnehmen;
      1. b1) die Anzahl der Nuten (3) um eine bestimmte Anzahl höher (überzählige Nuten) oder niedriger (unterzählige Nuten) ist als das Dreifache oder ein ganzzahliges Vielfaches vom Dreifachen der Anzahl der Permanentmagnete (5, 6);
      2. b2) eine Nut-Teilung (a) definiert ist als Winkelabstand zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Stege (2) und eine Halbteilung (b) definiert ist als Winkelabstand zwischen den Mittelebenen eines Steges (2) und einer benachbarten Nut (3);
    3. c) jeder der Permanentmagnete (5, 6) auf einen oder mehrere der ihm zugewandten Stege (2) ein Rastmoment ausübt, das nach Betrag und Vorzeichen von der Position des Permanentmagneten innerhalb einer Nut- Teilung (a) abhängt, wobei der Verlauf dieser Abhängigkeit über jeder Nut-Teilung (a) und für jeden Permanentmagneten (5, 6) zumindest näherungsweise gleich ist;
  2. dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Abhängigkeit des Rastmoments über jeder Nut-Teilung (a) innerhalb jeder Halbteilung (b) symmetrisch zur Mittelebene der Halbteilung (b) ist.
  3. 2. Drehfeldmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der über- oder unterzähligen Nuten (3) ungeradzahlig ist.
  4. 3. Drehfeldmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Permanentmagneten (5, 6) und die Anzahl der über- oder unterzähligen Nuten (3) keinen gemeinsamen Teiler haben.
  5. 4. Drehfeldmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der über- oder unterzähligen Nuten (3) drei ist.
  6. 5. Drehfeldmotor nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (3) überzählig sind.
  7. 6. Drehfeldmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Permanentmagnete (5, 6) acht, zehn oder vierzehn beträgt.
  8. 7. Permanentmagneterregter Drehfeldmotor mit einem Stator (1) und einem Rotor (4), wobei
    1. a) der Rotor (4) an seiner dem Stator (1) zugewandten Umfangsfläche gleichmäßig verteilt eine gerade Anzahl von Permanentmagneten (5, 6) abwechselnder Polarität trägt;
    2. b) der Stator (1) an seiner dem Rotor (4) zugewandten Umfangsfläche gleichmäßig verteilt mehrere durch Stege (2) getrennte Nuten (3) aufweist, die eine dreiphasige Wicklung aufnehmen und deren Anzahl um eine bestimmte Anzahl höher (überzählige Nuten) oder niedriger (unterzählige Nuten) ist als das Dreifache oder ein ganzzahliges Vielfaches vom Dreifachen der Anzahl der Permanentmagnete (5, 6);
  9. dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der über- und unterzähligen Nuten (3) ungeradzahlig ist.
  10. 8. Drehfeldmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Permanentmagnete (5, 6) und die Anzahl der über- oder unterzähligen Nuten (3) keinen gemeinsamen Teiler haben.
  11. 9. Drehfeldmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der über- oder unterzähligen Nuten (3) drei ist.
  12. 10. Drehfeldmotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (3) überzählig sind.
  13. 11. Drehfeldmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Permanentmagnete (5, 6) acht, zehn oder vierzehn beträgt.






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