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Dokumentenidentifikation DE19905748A1 19.08.1999
Titel Permanentmagnetmotor
Anmelder Okuma Corp., Nagoya, Aichi, JP
Erfinder Nashiki, Masayuki, Aichi, JP
Vertreter TER MEER STEINMEISTER & Partner GbR Patentanwälte, 81679 München
DE-Anmeldedatum 11.02.1999
DE-Aktenzeichen 19905748
Offenlegungstag 19.08.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.08.1999
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02K 29/00   
Zusammenfassung In einem erfindungsgemäßen Permanentmagnetmotor wird die Änderung des Magnetflusses bei Drehung des Rotors wirkungsvoll an die Wicklungen vorstehender Statorpole übertragen.
Ein erfindungsgemäßer Permanentmagnetmotor ist mit Folgendem versehen:
- einem Rotor mit einem Permanentmagnet (2), der einen Feldmagnet des Motors bildet, wobei die Magnetpol-Schrittweite des Feldmagnets an der Oberfläche des Rotors den Wert FP aufweist;
- einem vorstehenden Statorpol (SAT) für jede Phase, der an einem Stator angeordnet ist, wobei die Breite (SP) des vorstehenden Pols am Innenumfang des Stators einen Wert aufweist, der im wesentlichen der Magnetpol-Schrittweite entspricht;
- einer Wicklung (U, V, W) für eine jeweilige Phase, die um einen jeweiligen vorstehenden Statorpol gewickelt ist; und
- einem magnetischen Umgehungspfad (BPT), der zwischen vorstehenden Statorpolen jeweiliger Phasen angeordnet ist und Magnetfluß an der Oberfläche des Rotors zwischen vorstehenden Statorpolen zu einem Jochteil (SA) des Stators führt.
Bei diesem Aufbau wird schädlicher Magnetfluß an der Oberfläche des Rotors durch den magnetischen Umgehungspfad von der Oberfläche des Rotors zum Jochteil des Stators geführt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Motor unter Verwendung eines Permanentmagnets.

Bürstenlose Servomotoren unter Verwendung von Permanentmagneten werden in weitem Umfang als Regelungsmotoren in industriellen Anlagen und solchen für den Hausgebrauch verwendet. Es sind verschiedene Statorkonstruktionen für einen derartigen Motor bekannt, wie eine solche mit einer verteilt gewickelten dreiphasigen Wechselstromwicklung ähnlich derjenigen am Stator eines Universalinduktionsmotors, und eine Statorstruktur mit mehreren vorstehenden Polen, wobei um jeden eine zugehörige Phasenwicklung gewickelt ist. Insbesondere in den letzten Jahren wurde der letztere Typ wegen seiner hervorragenden Montageeigenschaften, wie einfacher Wicklungsherstellung und hoher Montagedichte der Wicklung, vielfach verwendet, und derartige Statoren finden sich vielfach auf dem Markt. Hinsichtlich spezieller Techniken sind verschiedene vergleichsweise neue Konstruktionsbeispiele für Permanentmagnetmotoren sowie die zugehörigen Eigenschaften im Artikel "Miniaturization and lightening by one third achieved by the innovation of an AC servo motor process of the new generation" auf den Seiten 36 bis 49 der Ausgabe der technischen Zeitschrift Nikkei Mechanical vom 21. März 1994 beschrieben.

In Fig. 8 ist eine beispielhafte Schnittansicht eines typischen herkömmlichen Permanentmagnetmotors dargestellt. Es ist eine Rotorwelle 1 vorhanden, die auch als Magnetpfad eines Feldmagnetflusses dient. Um die Rotorwelle 1 herum ist ein Permanentmagnet 2 fixiert. Als solcher Permanentmagnet 2 wird derzeit üblicherweise ein zylindrischer Sintermagnet der Familie Nd-Fe-B (Neodym-Eisen-Bor) verwendet. Der Permanentmagnet 2 des Rotors 1 in Fig. 8 ist so magnetisiert, daß er acht Pole aufweist.

Der Stator verfügt über einen Jochteil SC. Ein Polzahn SCT des Stators verfügt über die Form eines vorspringenden Pols, wobei der Magnetpfad und die Wicklung zentral angeordnet sind, anstatt daß sie wie bei einem Universalinduktionsmotor verteilt wären. Die sechs vorstehenden Pole SCT des Stators sind in gleicher Weise um den Umfang des Stators herum angeordnet. Um jeden vorstehenden Pol SCT ist eine Wicklung einer jeweiligen Phase gewickelt. In Fig. 8 ist eine Wicklung U1C der Phase U um einen vorstehenden Pol SCT ganz rechts gewickelt, und eine Wicklung U2C einer Phase U ist um einen vorstehenden Pol ganz links gewickelt. Eine Wicklung V1C der Phase V ist um einen vorstehenden Pol gewickelt, der dem vorstehenden Pol mit der Wicklung U1C in Gegenuhrzeigerrichtung benachbart ist, während eine Wicklung V2C für die Phase V um den vorstehenden Pol gewickelt ist, der um 180° gegenübersteht. Eine Wicklung W1C der Phase W ist auf einen vorstehenden Pol gewickelt, der dem vorstehenden Pol, auf den die Wicklung V1C gewickelt ist, in Gegenuhrzeigerrichtung benachbart ist, und eine Wicklung W2C für die Phase W ist auf den vorstehenden Pol gewickelt, der um 180° gegenübersteht.

Für den Anschluß jeder Wicklung besteht eine Anordnung, die sich dadurch ergibt, daß die Endmarkierung der Wicklung in der schematischen Darstellung von Fig. 2 von A bis C gewechselt wird, wobei eine Sternschaltung vorliegt. Die kleine Kreismarkierung am Ende jedes Wicklungssymbols gibt den Startpunkt der Wicklung an.

So ist der Permanentmagnetmotor von Fig. 8 ein dreiphasiger, achtpoliger Motor mit sechs vorstehenden Polen und sechs Wicklungen. Das Funktionsprinzip dieses Permanentmagnetmotors stimmt mit dem Funktionsprinzip eines üblichen bürstenlosen Motors überein, und das Drehmoment wird dadurch erzeugt, daß Strom durch eine Wicklung geschickt wird, die eine große Änderungsrate DΦ/dΘ des koppelnden Magnetflusses hinsichtlich des Rotordrehwinkels aufweist und die sich in einer Drehposition befindet. Bei andauernder Drehung kann ein Drehmoment von theoretisch beliebiger Stärke dadurch erhalten werden, daß U, V und W jeweils ein dreiphasiger Wechselstrom zugeführt wird. Die Stärke des dreiphasigen Wechselstroms ist proportional zur Stärke des dabei gewünschten Drehmoments. In der obigen Beziehung ist Φ der durch den vorstehenden Zielpol laufende Magnetfluß, und Θ entspricht der Drehwinkelposition RA des Rotors.

Als Nächstes werden das erzeugte Drehmoment, die Magnetflußverteilung und harmonische Komponenten der induzierten Gegenspannung für den Motor in Fig. 8 beschrieben.

Für den Permanentmagnetmotor von Fig. 8 kann das durch jeden vorstehenden Pol erzeugte Drehmoment T wie folgt ausgedrückt werden:



T = KT.I.NT.dΦ/dΘ (1)

Hierbei ist KT eine Drehmomentkonstante, I ist der fließende Strom, NT entspricht der Wicklungsanzahl und dΦ/dΘ ist die Änderungsrate bei der Drehung des mit der Wicklung gekoppelten Magnetflusses. Es kann ein zu dΦ/dΘ proportionales Drehmoment erhalten werden.

Wenn der in einem vorstehenden Statorpol existierende Magnetfluß betrachtet wird, wenn sich der Rotor in Fig. 8 dreht, beträgt die Breite SP des vorstehenden Statorpols ungefähr 60° hinsichtlich des mechanischen Winkels und ungefähr 240° hinsichtlich des elektrischen Winkels, während die Magnetpol-Schrittweite FP des Rotors 45° hinsichtlich des mechanischen Winkels und 180° hinsichtlich des elektrischen Winkels beträgt. Daher ändert sich, während sich der Rotor über 180° hinsichtlich des elektrischen Winkels dreht, der in diesem vorstehenden Magnetpol existierende Magnetfluß abhängig von der Drehung, jedoch ändert er sich nicht, wenn sich der Rotor später über 60° hinsichtlich des elektrischen Winkels dreht. Demgemäß erscheint an jedem Motoranschluß, während sich der Motor mit konstanter Drehzahl dreht, eine induzierte Gegenspannung, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Hierbei zeigt die horizontale Achse den Drehwinkel RA des Rotors hinsichtlich des elektrischen Winkels. Fig. 9(a) zeigt die Spannung U-N zwischen dem Anschluß für die Phase U und dem Nullpunkt N der Wicklung, und Fig. 9(b) zeigt die Spannung V-N zwischen dem Anschluß für die Phase V und dem Nullpunkt N der Wicklung, und Fig. 9(c) zeigt die Spannung U-V zwischen dem Anschluß für die Phase U und dem Anschluß für die Phase V. Die Spannung mit der Phase W zeigt eine Phasenverzögerung von 120° im Vergleich mit der Spannung der Phase V, jedoch ist diese Beschreibung hier nicht enthalten.

Zur tatsächlichen Motorsteuerung wird die Spannung zwischen dem Anschlüssen des Motors gesteuert. Die Spannung U-V zwischen den Motoranschlüssen, wie sie in Fig. 9(c) dargestellt ist und wie sie die Spannung zwischen den Motoranschlüssen ist, ist wie folgt durch eine Fourierreihe gegeben:



U-V = 0,95493.(sin Θ + 1/5.sin5Θ

+ 1/7.sin7Θ + 1/11.sin11Θ

+ 1/13.sinΘ + . . .) (2)

Hierbei sind die Harmonischen, die ganzzahlige Vielfache von 3 ausgehend von der Harmonischen dritter Ordnung sind, bereits beseitigt, da die dreiphasige Statorwicklung in Sternschaltung geschaltet ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. In den Signalverläufen der Spannungen U-N und V-N ist die harmonische Komponente dritter Ordnung enthalten. Im Fall einer Steuerung des dreiphasigen Stroms des Motors durch einen dreiphasigen, sinusförmigen Wechselstrom werden die durch die Gleichung 2 angegebenen harmonischen Komponenten zu einer Drehmomentwelligkeit des Motors. Bei tatsächlichen Motoren sind Gegenmaßnahmen wie ein Verkippen des Rotors oder ein Designen der Form des Motormagnets ergriffen, um diese harmonischen Komponenten zu verringern.

Ferner existiert zusätzlich zur durch den Motorstrom erzeugten Drehmomentwelligkeit ein sogenanntes Drehmomentruckeln, das durch die Änderung der magnetischen Energie im Motor abhängig von der Drehung des Rotors hervorgerufen wird.

Im Allgemeinen ist bei einem derartigen Permanentmagnetmotor ein Winkelcodierer zum Erfassen der Drehposition des Rotors an der Rückseite des Motors angebracht, um den Strom zu steuern und um die Drehzahl und die Position zu steuern. Ferner wurden umfangreiche Untersuchungen ausgeführt, bei denen die Drehposition und die Drehzahl des Rotors eines Permanentmagnetmotors aus dem Motorstrom oder der Motorspannung hergeleitet und gesteuert werden, so daß der Winkelcodierer erübrigt werden kann.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Motor zu schaffen, in dem ein größeres Drehmoment mit hohem Wirkungsgrad erzeugt werden kann, der billig hergestellt werden kann und bei dem Drehmomentwelligkeiten verringert sind, so daß eine genaue Steuerung bei kleinen Schwingungen und Geräuschen ausgeführt werden kann.

Hinsichtlich dieser Aufgabe verbleiben beim obigen Stand der Technik. Schwierigkeiten, wie durch die Fig. 9(a) und 9(b) veranschaulicht, dahingehend, daß der Prozentsatz des Abschnitts, in dem die Phasenspannungen U-N und V-N des Motors null sind, 33% beträgt und der durch den Permanentmagnet erzeugte Magnetfluß nicht wirkungsvoll genutzt werden kann.

Ferner ist es auch möglich, durch Konzipieren der Konstruktion des Stators die für den Permanentmagnet des Rotors erforderliche Koerzitivfeldstärke zu verringern, genauer gesagt, die Dicke und das Volumen des Magnets zu verringern, so daß der Magnet billiger ist.

Ferner besteht eine herkömmliche Rotortechnik zum Verringern von Drehmomentwelligkeit in einem Verfahren, bei dem dafür gesorgt wird, daß die Verteilung des vom Rotor erzeugten Magnetflusses in dessen Drehrichtung eine Sinuswelle bildet. Bei einem anderen Verfahren sind die Anzahl der Pole des Rotors und die Anzahl vorstehender Pole des Stators so ausgewählt, daß ihr kleinster gemeinsamer Nenner größer wird, so daß die erzeugte, induzierte Gegenspannung des Motors einer Sinuswelle angenähert ist. Jedoch verbleibt bei jedem dieser Verfahren ein Problem dahingehend, daß das Ausgangsdrehmoment des Motors fällt.

Hinsichtlich des Drehmomentruckelns ist die Theorie des Konzipierens einer Sinusverteilung des Magnetflusses in der Drehrichtung und eines Verkippens des Rotors wohlbekannt, jedoch wurde keine dieser Maßnahmen bisher vollständig in die Praxis überführt.

Im Allgemeinen ist bei einem Permanentmagnetmotor, wie er oben beschrieben ist, ein Winkelcodierer zum Erfassen der Drehposition des Rotors an der Rückseite des Motors angebracht, um die aktuelle Drehzahl und die Position zu erfassen, jedoch führt dies zu Problemen hinsichtlich der Kosten und der Größe. Ferner wird zwar sensorlose Steuerung untersucht, die keinen Winkelcodierer benötigt, jedoch ist diese bisher unzureichend und es existieren noch Probleme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Permanentmagnetmotor mit erhöhtem Drehmoment, erhöhtem Wirkungsgrad und verringerten Herstellkosten zu schaffen. Diese Aufgabe ist durch die Permanentmagnetmotoren gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 2 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Permanentmagnetmotor entspricht die Breite SP eines vorstehenden Pols am Innendurchmesser des Stators ungefähr der Magnetpol-Schrittweite FP des Rotors. Demgemäß wird die Änderung des Magnetflusses, der mit der Drehung des Rotors läuft, ungefähr der Änderung des Magnetflusses an jedem vorstehenden Statorpol gleich, wodurch der Magnetfluß des Rotors wirkungsvoller genutzt werden kann. Ferner ist die Anordnung des vorstehenden Statorpols jeder Phase in Bezug auf den Rotor dergestalt, daß jeweils eine Phasendifferenz von 120° hinsichtlich des elektrischen Winkels existiert, mit geeigneter Positionierung in solcher Weise, daß eine dreiphasige Wechselstromansteuerung wirkungsvoll ausgeführt werden kann.

Andererseits existiert, wenn jeder vorstehende Statorpol so ausgebildet ist, daß er jeweils eine Phasendifferenz von 120° hinsichtlich des elektrischen Winkels aufweist, zwischen den jeweiligen vorstehenden Statorpolen ein 120° entsprechender Raum, und der Permanentmagnet zwischen ihnen erzeugt einen Magnetfluß, der hinsichtlich der Erzeugung eines Drehmoments zu den benachbarten Statormagnetpolen schädlich ist. Bei der Erfindung ist die Anordnung dergestalt, daß dieser schädliche Magnetfluß an der Oberfläche des Rotors ausgehend von dieser unter Verwendung des magnetischen Umgehungspfads zum Jochteil des Stators geführt wird, so daß das Drehmoment wirkungsvoll erzeugt wird.

Ferner kann bei der Erfindung die Dicke des Permanentmagnets auf Grundlage einer Berechnung der Koerzitivfeldstärke desselben ausgewählt werden, damit der Permanentmagnet nicht durch die durch den Motorstrom erzeugte magnetomotorische Kraft entmagnetisiert wird. Ferner kann bei der Erfindung die Anordnung dergestalt sein, daß die vorstehenden Statorpole derselben Phase in der Drehrichtung des Rotors benachbart angeordnet sind und durch die jeweiligen Wicklungen Ströme in entgegengesetzten Richtungen geführt werden, um die magnetomotorische Kraft des Motors zu verringern und das Volumen des Permanentmagnets herabzusetzen und die Kosten des Motors zu senken.

Da jeder benachbarte vorstehende Statorpol jeweils mit dem unterteilten Rotormagnetpol zusammenwirkt, kann die auf den Permanentmagnet wirkende entmagnetisierende magnetomotorische Kraft auf die Hälfte verringert werden, ohne daß das erzeugte Drehmoment verringert wird.

Die Maßnahme gemäß Anspruch 3 dient insbesondere zum Verringern der Drehmomentwelligkeit. Dabei werden spezielle harmonische Komponenten aufgehoben.

Das Aufheben spezieller harmonischer Komponenten erfolgt auch beim Motor gemäß Anspruch 4.

Beim Motor gemäß Anspruch 5 wird durch Verschieben der Orte, an denen die jeweiligen Drehmomentwelligkeiten in der Drehrichtung des Rotors erzeugt werden, der Effekt erzielt, daß die Drehmomentwelligkeiten gemittelt werden und sich aufheben, so daß sie verringert werden können.

Beim Motor gemäß Anspruch 6 können Komponenten der Drehmomentwelligkeiten höherer Ordnungen beseitigt werden.

Ferner können durch leichtes Verkippen des Rotors oder des Stators Komponenten hoher Ordnung der Drehmomentwelligkeit verringert werden.

Ferner kann ein erfindungsgemäßer Motor eine Magnetfluß-Erfassungseinrichtung aufweisen, die eine Erfassung der Drehposition des Rotors ausführt und den durch den Rotor in einem Teil des magnetischen Umgebungspfads erzeugten Magnetfluß mißt, um eine Miniaturisierung und Verbilligung des Motors zu erzielen.

Demgemäß wird unter Verwendung dieser Erfassungseinrichtung als Erfassungssensor für die Drehposition des Rotors eine billige Erfassung der Drehposition erzielt, bei der kein Platz für einen Codierer erforderlich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Permanentmagnetmotors;

Fig. 2 zeigt schematisch Wicklungen des Permanentmagnetmotors von Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Figur zum Signalverlauf der Spannung, wie sie in der Wicklung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Permanentmagnetmotors induziert wird;

Fig. 4 und 5 sind Schnittansichten anderer Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Permanentmagnetmotors;

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung von Wicklungen des Permanentmagnetmotors von Fig. 5;

Fig. 7 ist eine Figur, die eine Positionsverschiebung eines vorstehenden Statorpols in der Drehrichtung zeigt;

Fig. 8 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen Permanentmagnetmotors und

Fig. 9 ist eine Figur zum Signalverlauf der in der Wicklung des Permanentmagnetmotors von Fig. 8 induzierten Spannung.

Beim Motor gemäß Fig. 1 dient eine Rotorwelle 1 auch als magnetischer Pfad des Magnetfeldflusses. Um den Umfang der Rotorwelle 1 herum ist ein Permanentmagnet 2 fixiert, für den ein gesinterter Zylindermagnet der Familie Nd-Fe-B (Neodym-Eisen-Bor) verwendet werden kann. Dieser Permanentmagnet 2 des Rotors ist so magnetisiert, daß er acht Pole aufweist. Der Stator verfügt über einen Jochteil SA. Ein Polzahn SAT des Stators ist in Form eines vorstehenden Pols ausgebildet, bei dem der Magnetpfad und die Wicklung nicht verteilt, sondern zentriert ausgebildet sind, abweichend vom Fall bei einem Universalinduktionsmotor. Die sechs vorstehenden Pole SAT des Stators sind in gleicher Weise um den Gesamtumfang herum angeordnet, und es ist um jeden eine Wicklung einer jeweiligen Phase gewickelt. In Fig. 1 ist um den vorstehenden Pol SCT ganz rechts eine Wicklung U1A der Phase U gewickelt, und auf einen vorstehenden Pol ganz links ist eine Wicklung U2A der Phase U gewickelt. Auf einen Pol mit derselben Form, jedoch in Gegenuhrzeigerrichtung in Bezug auf den vorstehenden Pol, auf den die Wicklung U1A gewickelt ist, ist eine Wicklung V1A der Phase V gewickelt, und eine Wicklung V2A derselben Phase ist auf einen vorstehenden Pol auf der um 180° gegenüberliegenden Seite gewickelt. Eine Wicklung WIA der Phase W ist auf einen vorstehenden Pol derselben Form, jedoch in der Gegenuhrzeigerrichtung in Bezug auf den vorstehenden Pol gewickelt, auf den die Wicklung W1A gewickelt ist, und eine Wicklung V2C der Phase W ist auf einen um 180° gegenüberstehenden vorstehenden Pol gewickelt.

Der Permanentmagnetmotor von Fig. 1 unterscheidet sich von dem in Fig. 8 dargestellten herkömmlichen Permanentmagnetmotor dadurch, daß die Breite SP des dem Innendurchmesser des Stators zugewandten vorstehenden Statorpols SAT ungefähr der Magnetpolbreite P des Rotors entspricht und daß zwischen den jeweiligen vorstehenden Statorpolen SAT ein magnetischer Umgehungspfad BPT vorhanden ist, über den ein Teil des durch den Rotor erzeugten Flusses zum Jochteil SA des Stators umgelenkt wird, und daß ein Sensor MS zum Erfassen der Drehposition des Rotors entlang dem magnetischen Umgehungspfad BPT befestigt ist.

Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, heben sich beim Stand der Technik, da die Breite SP des vorstehenden Pols des Stators 4/3 der Magnetpolbreite FP des Rotors beträgt, im vorstehenden Statorpol hinsichtlich des N- und des S-Pols Teile des Magnetflusses gegeneinander auf, und der durch den vorstehenden Statorpol laufende maximale Magnetfluß ist auf 2/3 des Magnetflusses verringert, der einem Magnetpol entspricht. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der durch den vorstehenden Statorpol SAT laufende maximale Magnetfluß derjenige Magnetfluß, der einem Magnetpol des Rotors entspricht, oder 3/2 desjenigen beim vorstehenden Statorpol des Motors von Fig. 8. Da ein größerer Magnetfluß existiert, kann ein größeres Drehmoment erzeugt werden.

Als Nächstes wird die Anordnung des vorstehenden Statorpols beschrieben. Um eine dreiphasige Wechselstromsteuerung auszuführen, ist es erforderlich, daß bei der Anordnung des vorstehenden Statorpols jeder Phase, wie in Fig. 1 dargestellt, jede Phase um 120° betreffend den elektrischen Winkel in der Drehrichtung des Motors verschoben ist. Wenn ein vorstehender Statorpol so geformt und angeordnet ist, ist ein 60° hinsichtlich des elektrischen Winkels entsprechender Raum zwischen vorstehenden Statorpolen mit einer Breite SP, die ungefähr der Magnetpolbreite FP des Rotors entspricht, erzeugt. Wenn eine derartige Anordnung vorliegt und kein magnetischer Umgehungspfad BPT existiert, streut der durch den Permanentmagnet des Rotors erzeugte Magnetfluß, der dem Raum zwischen den jeweiligen vorstehenden Statorpolen zugewandt ist, durch diesen Raum aus und wird schließlich auf die zu beiden Seiten benachbarten vorstehenden Statorpole geführt. Insbesondere dann, wenn ein Permanentmagnet mit großer Koerzitivfeldstärke, wie ein Seltenerdmagnet, verwendet wird, ist die Streuwirkung groß, und die Eigenschaften des Permanentmagnetmotors werden nahezu den Eigenschaften eines herkömmlichen Permanentmagnetmotors gleich, wodurch die Wirkung der Verringerung der Breite SP der vorstehenden Pole herabgesetzt ist. D. h., daß der vom zwischen den vorstehenden Statorpolen liegenden Permanentmagnet erzeugte Magnetfluß streut und an die benachbarten vorstehenden Statorpole geführt wird, wodurch schließlich dieser Fluß und der effektive Magnetfluß in den vorstehenden Statorpolen einander aufheben, um dadurch den Motorbetrieb zu beeinträchtigen. Gemäß der Erfindung ist in diesem Raum zwischen den vorstehenden Statorpolen ein magnetischer Umgehungspfad BPT angeordnet, und von der Oberfläche des Rotors wird zum Jochteil SA des Stators ein aufgeteilter Magnetfluß geführt. Demgemäß ist der im vorstehenden Statorpol existierende wirkende Magnetfluß erhöht, und es wird ein größeres Drehmoment erzeugt.

Als Nächstes wird der Fall betrachtet, gemäß dem ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Permanentmagnetmotors durch einen dreiphasigen Sinusstrom betrieben wird. Der Permanentmagnetmotor von Fig. 1 ist ein dreiphasiger, achtpoliger Motor mit sechs vorstehenden Polen und sechs Wicklungen. Der Anschluß jeder Wicklung ist dergestalt, wie es schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Die kleine Kreismarkierung am Ende jedes Wicklungspols markiert den Ausgangspunkt der Wicklung. Das Betriebsprinzip dieses Permanentmagnetmotors ist demjenigen eines üblichen bürstenlosen Motors ähnlich, wobei das Drehmoment dadurch erzeugt wird, daß einer Wicklung Strom zugeführt wird, die eine große Änderungsrate dΦ/dΘ hinsichtlich des koppelnden Magnetflusses jeder Wicklung zum Drehwinkel des Rotors aufweist. Dies gilt hinsichtlich einer Drehposition. Während konstanter Drehung kann im Prinzip ein Drehmoment beliebiger Stärke dadurch erzielt werden, daß ein geeigneter dreiphasiger Wechselstrom durch alle Wicklungen der Phasen U, V und W geschickt wird. Die Stärke des dreiphasigen Wechselstroms ist dabei proportional zur Stärke des erwünschten Drehmoments. Ferner ist Φ der durch den vorstehenden Zielpol laufende Magnetfluß, und Θ entspricht der Drehwinkelposition RA des Rotors.

Als Nächstes werden das erzeugte Drehmoment, die Magnetflußverteilung und harmonische Komponenten der induzierten Gegenspannung beim Motor von Fig. 1 beschrieben. Das von jedem vorstehenden Pol im Permanentmagnetmotor von Fig. 1 erzeugte Drehmoment T kann durch den obigen Ausdruck 1 wiedergegeben werden.

Wenn der Fall einer Drehung mit konstanter Drehzahl betrachtet wird, tritt an jedem Motoranschluß eine induzierte Gegenspannung auf, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, wobei die horizontale Achse den Drehwinkel RA des Rotors hinsichtlich des elektrischen Winkels zeigt. Fig. 3(a) zeigt die Spannung U-N zwischen dem Anschluß der Phase U und dem Nullpunkt N der Wicklung; Fig. 3(b) zeigt die Spannung V-N zwischen dem Anschluß der Phase V und dem Nullpunkt N der Wicklung; und Fig. 3(c) zeigt die Spannung U-V zwischen dem Anschluß der Phase U und dem Anschluß der Phase V. Die Spannung der Phase W zeigt eine Phasenverzögerung von 120° im Vergleich zur Spannung der Phase V.

Um Motorsteuerung zu erzielen, wird die Spannung zwischen den Anschlüssen des Motors gesteuert. Wenn U-V die Spannung zwischen den Motoranschlüssen ist, wie in Fig. 3(c) dargestellt, gilt der folgende Ausdruck, wenn die Spannung als Fourierreihe dargestellt wird:



U-V = 1,10266.(sin Θ + 1/5.sin5Θ

- 1/7.sin7Θ + 1/11.sin11Θ

+ 1/13.sinΘ + . . .) (3)

Hierbei sind Harmonische, die ganzzahlige Vielfache von 3 sind, ausgehend von der Harmonischen dritter Ordnung bereits aufgehoben, da die dreiphasige Wicklung des Stators eine Sternschaltung ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. In den Signalverläufen der Spannungen U-N und V-N sind die Komponenten der Harmonischen dritter Ordnung enthalten. Wenn ein dreiphasiger Strom durch den Motor durch einen dreiphasigen Wechselstrom mit Sinusverlauf gesteuert wird, werden die durch den Ausdruck 3 angegebenen harmonischen Komponenten zu Komponenten der Drehmomentwelligkeit des Motors.

Die Amplitude der Komponente der Grundwelle ist im Ausdruck 2 das 1,1547fache derjenigen bei einem herkömmlichen Permanentmagnetmotor, und einige der zugehörigen harmonischen Komponenten differieren hinsichtlich der positiven und negativen Polarität, jedoch bleibt das Verhältnis der Komponenten genau dasselbe. Demgemäß kann der Permanentmagnetmotor gemäß Fig. 1 ein Drehmoment erzeugen, das 1,1547mal größer als das Drehmoment des herkömmlichen Permanentmagnetmotors von Fig. 8 ist.

Ferner ist bei einem Beispiel einer einfachen Motoransteuerung dann, wenn der Strom jeder Phase denselben Signalverlauf wie die Spannung jeder Phase hat und ein dreiphasiger Rechteckstrom so geliefert wird, daß er über 180° hinsichtlich des elektrischen Winkels einen positiven konstanten Wert einnimmt, während er über die folgenden 180° einen negativen konstanten Wert einnimmt, wobei die Stromamplitude dieselbe ist, der mittlere magnetische Fluß durch jeden vorstehenden Statorpol des Permanentmagnetmotors von Fig. 1 das 1,5fache desjenigen des Permanentmagnetmotors von Fig. 8, weswegen ein mittleres Drehmoment erzeugt werden kann, das 1,5mal größer ist. Jedoch ist in diesem Fall die sich ergebende Drehmomentwelligkeit groß, und der Gesamtwert der dreiphasigen Wechselströme wird nicht null. Daher kann hinsichtlich der Ansteuerungsvorrichtung keine normale Steuerschaltung mit einem dreiphasigen Wechselstrom verwendet werden, sondern es sind zwei Leitungen für jede Phase, oder insgesamt sechs Leitungen, dazu erforderlich, dem Permanentmagnetmotor Strom zuzuführen.

Ferner kann durch Zuführen eines trapezförmigen Stroms hinsichtlich jeder Phase die Steuerung im Vergleich zum Fall verbessert werden, bei dem ein Rechteckstrom verwendet wird.

Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Es handelt sich um ein Beispiel, bei dem die Anzahl der Pole des Rotors von acht in Fig. 1 auf vierzehn erhöht ist. Die Breite SP des vorstehenden Statorpols SAT ist in ähnlicher Weise verringert wie die Magnetpolschrittweite FP des Rotors, und die Breite des magnetischen Umgehungspfads BPT ist durch eine entgegengesetzte entsprechende Länge vergrößert. Die Anzahl der Wicklungen entspricht dem Fall beim ersten Ausführungsbeispiel, und es wird ungefähr dasselbe Drehmoment erzeugt. Jedoch ist es erforderlich, die Frequenz des Stroms um einen Wert zu erhöhen, der der Zunahme der Anzahl von Polen entspricht, wenn sich der Motor mit derselben Drehzahl dreht.

Nun wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 noch ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Der Rotor von Fig. 5 umfaßt einen Permanentmagnet mit vierzehn Polen, ähnlich demjenigen von Fig. 4. Die Anzahl der vorstehenden Statorpole SAT ist zwölf, was doppelt soviele wie beim Motor gemäß Fig. 4 sind. Die Wicklungen der Phase U sowie die vorstehenden Statorpole der Phase U umfassen vier Phasenwicklungen U1B, U2B, U3B, U4B der Phase U, mit vier vorstehenden Statorpolen, um die die jeweiligen Wicklungen gewickelt sind. Die Verbindungen zwischen den jeweiligen Wicklungen der Phase U sind in Fig. 6 dargestellt. Diese Beziehung ist zwischen benachbarten Wicklungen U1B, U2B der Phase U umgedreht, da die magnetischen Eigenschaften der Pole S und N des gegenüberstehenden Rotors umgekehrt sind. Die Wicklungen U3B, U4B der Phase U stehen auf dieselbe Weise in Zusammenhang. Die Anzahl der Windungen der Wicklung U1B der Phase U ist 1/2 derjenigen der Wicklung U1A in Fig. 4, und Ähnliches gilt für die anderen Wicklungen. Die Anzahl der Windungen der Phase U ist jedoch verdoppelt, und demgemäß entspricht die Gesamtanzahl von Windungen der Phase U der Gesamtanzahl der Windungen der Phase U in Fig. 4. Die Wicklungen der Phase V und die vorstehenden Statorpole der Phase V bestehen in den vier Wicklungen V1B, V2B, V3B, V4B der Phase V bzw. den vier vorstehenden Statorpolen, um die die jeweiligen Wicklungen gewickelt sind. Die Anschlüsse sind ähnlich denen für die Phase U. Die Wicklungen und die vorstehenden Statorpole der Phase W sind die vier Wicklungen W1B, W2B, W3B, W4B der Phase W bzw. die vier vorstehenden Statorpole, um die die jeweiligen Wicklungen gewickelt sind. Die Beziehung der Anschlüsse oder dergleichen ist ebenfalls ähnlich denjenigen für die Phase U.

Bei identischen Strömen ist das durch den Permanentmagnetmotor von Fig. 5 erzeugte Drehmoment erzeugte dasselbe wie das beim Motor von Fig. 4. Jedoch wird die von jedem vorstehenden Statorpol in Fig. 5 durch dessen Wicklung erzeugte magnetomotorische Kraft die Hälfte im Vergleich zur magnetomotorischen Kraft beim in Fig. 4 dargestellten Permanentmagnetmotor. Im Allgemeinen ist die Dicke eines Permanentmagnets so konzipiert, daß er durch die magnetomotorische Kraft nicht entmagnetisiert werden kann, wie sie durch den Wicklungsstrom des Motors erzeugt wird, weswegen es ausreichend ist, daß der Permanentmagnetmotor von Fig. 5 eine Dicke aufweist, die ungefähr der Hälfte derjenigen entspricht, wie sie beim in Fig. 4 dargestellten Permanentmagnetmotor verwendet ist. Demgemäß kann das Volumen des Permanentmagnets, der vergleichsweise teuer ist, verringert werden, so daß ein relativ billiger Permanentmagnet verwendbar ist.

Ferner sind beim Permanentmagnetmotor von Fig. 5 vorstehende Statorpole derselben Phase, wie für die Wicklungen V1B, V2B der Phase V, benachbart angeordnet. Daher kann der durch den Permanentmagnet des Rotors erzeugte Magnetfluß wirkungsvoller genutzt werden, und der Winkel des magnetischen Umgehungspfads BPT zum Absorbieren des Magnetflusses, der beim Erzeugen des Motordrehmoments schädlich ist, kann auf 8,57° verringert werden, wie es in der Figur dargestellt ist. Das Verhältnis aus dem schädlichen Magnetfluß zum wirksamen Magnetfluß beträgt 8,57/51,428 = 0,166. Andererseits beträgt der Winkel des magnetischen Umgehungspfads des in Fig. 1 dargestellten Permanentmagnetmotors 15°, und das Verhältnis des schädlichen zum wirksamen Magnetfluß beträgt 15/45 = 0,333. Dergemäß kann der Anteil des schädlichen Magnetflusses dadurch verringert werden, daß mehrere vorstehende Statorpole SAT derselben Phase in der Drehrichtung angeordnet werden, wie beim in Fig. 5 dargestellten Permanentmagnetmotor. Die Funktion eines Motors, der dadurch hergestellt wird, daß der magnetische Umgehungspfad BPT aus dem in Fig. 5 dargestellten Permanentmagnetmotor weggelassen wird, bei dem der schädliche Magnetfluß verringert ist, verfügt über eine Funktionscharakteristik zwischen derjenigen eines herkömmlichen Permanentmagnetmotors, wie er in Fig. 8 dargestellt ist, und derjenigen eines erfindungsgemäßen Motors, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. D. h., daß selbst dann, wenn ein magnetischer Umgehungspfad BPT vorhanden ist, das Abtriebsdrehmoment eines Motors dadurch verbesserbar ist, daß mehrere vorstehende Statorpole SAT derselben Phase in der Drehrichtung angeordnet werden.

Als Nächstes wird eine Technik zum Verringern der Drehmomentwelligkeit beschrieben. Die Drehmomentwelligkeit eines Permanentmagnetmotors mit dieser Konstruktion besteht aus einer durch den Motorstrom erzeugten Drehmomentwelligkeit sowie einem "Drehmomentruckeln", das durch die Änderung der magnetischen Energie des Motors bei der Drehung des Rotors hervorgerufen wird. Die durch den Motorstrom verursachte Drehmomentwelligkeit kann dann verringert werden, wenn die durch den Ausdruck 3 angegebenen harmonischen Komponenten verringert werden können.

Als Verfahren zum Aufheben der harmonischen Welle fünfter Ordnung existiert ein solches, mit dem es theoretisch möglich ist, diese Welle dadurch vollständig zu beseitigen, daß der vorstehende Statorpol in zwei Teile unterteilt wird und jede Hälfte so angeordnet wird, daß die Phase in der Drehrichtung des Rotors relativ um 360/(2 × 5) = 36° hinsichtlich des elektrischen Winkels verschoben ist. Wenn die durch die gestrichelte Linie in Fig. 7 dargestellte Form diejenige ist, bei der die vorstehenden Statorpole unter gleichen Intervallen angeordnet sind, soll eine Verschiebung in der Drehrichtung des Rotors so erfolgen, wie es durch die durchgezogene Linie dargestellt ist. Für die Phase U in Fig. 1 reicht es aus, die vorstehenden Statorpole U1A und U2A relativ in der Drehrichtung zu verschieben. Für die Phase U in Fig. 5 existieren drei mögliche Kombinationen von zwei Teilen hinsichtlich der vorstehenden Statorpole U1B, U2B, U3B, U4B, jedoch reicht es in jedem Fall aus, sie in der Drehrichtung relativ zu verschieben. Die Verringerung der Komponente der Grundwelle, d. h. die Verringerung des Abtriebsdrehmoments, beträgt dabei sin(90-36/2) = 0,9613, was eine Verringerung von 4% darstellt. Selbstverständlich kann diese Maßnahme zum Verringern einer harmonischen Welle auch zum Verringern anderer harmonischer Wellen als derjenigen fünfter Ordnung verwendet werden. Beim in Fig. 5 dargestellten Motor können zwei harmonische Komponenten dadurch beseitigt werden, daß dasselbe Verfahren wiederholt wird.

Ein anderes Verfahren zum Verringern von Drehmomentwelligkeit ist ein Verfahren, bei dem eine harmonische Komponente dadurch beseitigt wird, daß der Rotor oder der Stator in axialer Richtung zweigeteilt wird und eine jeweilige Relativverschiebung in der Drehrichtung um 1/2 der Wellenlänge dem zu beseitigenden harmonischen Welle erfolgt. Es reicht aus, daß die Verschiebung in der Drehrichtung des Rotors magnetisch ausgeführt wird, weswegen es ausreicht, die Polarisationsform des Permanentmagnets zu ändern.

Noch ein anderes Verfahren zum Verringern der Drehmomentwelligkeit ist ein Verfahren, bei dem die Breiten SP der vorstehenden Pole des Stators geringfügig verschieden gemacht werden. Ferner wirkt auch ein Verfahren, bei dem der Endteil der Form des Innenumfangs jedes vorstehenden Statorpols zu einer glatten Form gemacht wird, die sich allmählich von der Oberfläche des Rotors entfernt, so daß die Änderung des Magnetflusses abhängig von der Drehung flacher sein kann. Noch ferner kann auch ein Verkippen des Stators oder des Rotors die Drehmomentwelligkeit wirkungsvoll verringern, wie dies auch ein Verfahren kann, bei dem die Oberfläche jedes Magnetpols des Rotors fächerförmig ausgebildet ist. Hinsichtlich einer umfassenden Verringerung der Drehmomentwelligkeit kann ein Kombinieren der obigen Maßnahmen zum Verringern der Drehmomentwelligkeit hinsichtlich der jeweiligen harmonischen Komponenten zu einem Permanentmagnetmotor mit kleiner Drehmomentwelligkeit führen.

Im Allgemeinen ist bei einem derartigen Permanentmagnetmotor ein Winkelcodierer zum Erfassen der Drehposition des Rotors an der Rückseite des Motors angebracht, um den Strom oder die Drehzahl und die Position zu steuern. Ein derartiger Winkelcodierer schafft neue Probleme hinsichtlich der Größe, der Kosten und der Zuverlässigkeit des Motors aufgrund hinzugefügter Elemente. Bei der Erfindung wird die Positionserfassung des Rotors dadurch erzielt, daß eine Rotorposition- Erfassungseinrichtung in einem Teil des magnetischen Umgehungspfads angebracht wird. Genauer gesagt, ist dieses Element ein Hallelement, das die Dichte des Magnetflusses erfaßt, ein Element zum Erfassen des magnetischen Widerstands oder dergleichen.

Ferner ist es auch möglich, die Änderung des magnetischen Flusses im magnetischen Umgehungspfad dadurch zu erfassen, daß eine Erfassungswicklung um den magnetischen Umgehungspfad gewickelt wird, wobei die Drehstellung des Rotors dadurch erhalten wird, daß ein Erregerstrom hindurchgeleitet wird und die Induktionsänderung erfaßt wird. Ferner ist es auch wirkungsvoll, einen Sensor am magnetischen Umgehungspfad an der Seitenfläche des Rotors anzuordnen, um den Einfluß der magnetomotorischen Kraft des Stroms der Statorwicklung durch die Rotorposition-Erfassungseinrichtung auf den magnetischen Umgehungspfad oder den Einfluß einer durch den Wicklungsstrom erzeugten Störsignalkomponente zu vermeiden.

Die Erfindung wurde vorstehend unter Verwendung eines Beispiels erläutert, bei dem ein Permanentmagnet an der Oberfläche des Rotors angeordnet ist, jedoch kann die Erfindung auch bei einem Motor angewandt werden, bei dem ein Permanentmagnet innerhalb des Rotors angeordnet ist. Auch stehen hinsichtlich der Konstruktion des Stators verschiedene Unterteilungs- und Verbindungsverfahren durch Schweißen oder dergleichen abhängig von der Zweckdienlichkeit bei den Wicklungsvorgängen, der Zweckdienlichkeit beim Zusammenbau oder dergleichen zur Verfügung, und die Erfindung kann bei diesen Verfahren zum Anordnen des Stators angewandt werden. Auch wurden zwar Beispiele unter Verwendung eines 3-Phasen-Wechselstrommotors beschrieben, jedoch kann die Erfindung auch bei anderen mehrphasigen Wechselstrommotoren angewandt werden. Schließlich ist zwar ein sich drehender Motor beschrieben, jedoch kann die Erfindung auch bei Linearmotoren angewandt werden.

Vorteile der Erfindung gehen dahin, daß es möglich ist, das Drehmoment zu erhöhen, den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Kosten durch wirkungsvollere Nutzung des Magnetflusses des Rotors zu verringern.

Durch Verringern der magnetomotorischen Kraft des Stroms durch die Statorwicklung, die auf einen Permanentmagnet wirkt, kann die Dicke des teuren Permanentmagnets verringert werden, und es können die Kosten gesenkt werden.

Durch die Verringerung der Drehmomentwelligkeit bei einem erfindungsgemäßen Permanentmagnetmotor ist eine geräuscharme Motorsteuerung mit hoher Genauigkeit und geringen Schwingungen möglich.

Wenn eine Drehpositions-Erfassungseinrichtung für den Rotor im Motor vorhanden ist, ist es möglich, die Gesamtform, einschließlich eines Drehposition-Erfassungscodierers, zu miniaturisieren, während gleichzeitig die Kosten sinken. Da auch die Anzahl von Teilen zur Positionserfassung verringert ist, ist die Zuverlässigkeit verbessert.


Anspruch[de]
  1. 1. Permanentmagnetmotor mit:
    1. - einem Rotor mit einem Permanentmagnet (2), der einen Feldmagnet des Motors bildet, wobei die Magnetpol-Schrittweite des Feldmagnets an der Oberfläche des Rotors den Wert FP aufweist;
    2. - einem vorstehenden Statorpol (SAT) für jede Phase, der an einem Stator angeordnet ist, wobei die Breite SP des vorstehenden Pols am Innenumfang des Stators einen Wert aufweist, der im Wesentlichen der Magnetpol-Schrittweite FP entspricht;
    3. - einer Wicklung (U, V, W) für eine jeweilige Phase, die um einen jeweiligen vorstehenden Statorpol gewickelt ist; und
    4. - einem magnetischen Umgehungspfad (BPT), der zwischen vorstehenden Statorpolen jeweiliger Phasen angeordnet ist und Magnetfluß an der Oberfläche des Rotors zwischen vorstehenden Statorpolen zu einem Jochteil (SA) des Stators führt.
  2. 2. Permanentmagnetmotor mit:
    1. - einem Rotor mit einem Permanentmagnet (2), der einen Feldmagnet des Motors bildet, wobei die Magnetpol-Schrittweite des Feldmagnets an der Oberfläche des Rotors den Wert FP aufweist;
    2. - einem vorstehenden Statorpol (SAT) für jede Phase, der an einem Stator angeordnet ist, wobei die Breite SP des vorstehenden Pols am Innenumfang des Stators einen Wert aufweist, der im Wesentlichen der Magnetpol-Schrittweite FP entspricht; und
    3. - einer Wicklung (U, V, W) für eine jeweilige Phase, die um einen jeweiligen vorstehenden Statorpol gewickelt ist;
    4. - wobei vorstehende Statorpole derselben Phase in der Drehrichtung des Rotors benachbart sind und Ströme entgegengesetzter Richtungen durch die jeweiligen Wicklungen geschickt werden.
  3. 3. Permanentmagnetmotor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch mehrere vorstehende Statorpole derselben Phase, wobei die Phasen dieser vorstehenden Statorpole hinsichtlich der Rotormagnetpole in der Drehrichtung des Rotors um 60°, 36°, 25,7° oder 16,36° hinsichtlich des elektrischen Winkels verschoben sind, um harmonische Komponenten der dritten, fünften, siebten und elften Ordnung oder dergleichen zu beseitigen.
  4. 4. Permanentmagnetmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator oder Rotor in axialer Richtung zweigeteilt ist und die elektromagnetischen Eigenschaften entweder des Stators oder des Rotors in der Drehrichtung des Rotors um 60°, 36°, 25,7° oder 16,36° hinsichtlich des elektrischen Winkels verschoben sind, um harmonische Komponenten der dritten, fünften, siebten und elften Ordnung oder dergleichen zu beseitigen.
  5. 5. Permanentmagnetmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich hinsichtlich mehrerer vorstehender Statorpole derselben Phase die Breiten derselben in der Drehrichtung des Rotors unterscheiden, um die Drehmomentwelligkeit zu verringern.
  6. 6. Permanentmagnetmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form eines Endteils des Innenumfangs des vorstehenden Statorpols eine gleichmäßige Kurve ist, die allmählich weiter von der Oberfläche des Rotors beabstandet ist.
  7. 7. Permanentmagnetmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Magnetfluß-Erfassungseinrichtung (MS) zum Erfassen des vom Rotor erzeugten Magnetflusses in einem Teil des magnetischen Umgehungspfads (BPT).






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