DE102009049600A1

DE102009049600A1 - Electrical machine i.e. external rotor-electric motor, has opening formed between pole shoes that lie in interval, where interval is calculated from diameter of stator, multiple of number of rotor and stator poles and correction factor

Info

Publication number: DE102009049600A1
Application number: DE200910049600
Authority: DE
Inventors: Sergey Avdeyev
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2011-04-21

Abstract

The machine i.e. external rotor-electric motor (1), has a rotor (3) comprising multiple rotor poles (10), and a stator (2) comprising multiple stator poles (5), where each stator pole comprises a pole tooth (6), a fixed winding (7) and a pole shoe (8). A groove opening (b) is formed between the two pole shoes that lie in an interval. The interval is calculated from diameter (D) of the stator, smallest common multiple (LCM) of number of the rotor poles and number of the stator poles and from a real correction factor that lies in a closed interval, according to a specific formula.

Description

Elektrische Maschine mit einem Rotor mit mehreren Rotorpolen und einem Stator mit mehreren Statorpolen, wobei jeder Statorpol einen Polzahn, eine Statorwicklung und einen Polschuh aufweist.An electric machine comprising a rotor having a plurality of rotor poles and a stator having a plurality of stator poles, wherein each stator pole has a pole tooth, a stator winding and a pole piece.

Elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren, haben in der Regel eine unterschiedliche Anzahl an Rotor- und Statorpolen. Dadurch ergeben sich in bestimmten Rotorlagen höhere elektromagnetische Anziehungskräfte zwischen den Stator- und Rotorpolen als in anderen Positionen. Diese in Abhängigkeit von der Rotorposition sich ändernden Kräfte werden als Rastmomente bzw. Rastkräfte bezeichnet und sind im Motorenbau im Allgemeinen unerwünscht.Electrical machines, in particular electric motors, usually have a different number of rotor and stator poles. This results in certain rotor positions higher electromagnetic attraction forces between the stator and rotor poles than in other positions. These forces, which change as a function of the rotor position, are referred to as cogging torques or latching forces and are generally undesirable in engine construction.

Im Betrieb erzeugen die Rastmomente durch Vibrationen unter Anderem harmonische Schwingungen, durch die unerwünschte Schallmaxima bei bestimmten Frequenzen entstehen. Diese Schwingungen addieren sich zu der ohnehin vorhandenen Betriebsgeräuschemission. Die Hersteller von Elektromotoren sind daher stets bestrebt, die Rastmomente und damit auch die Geräuschemission der Motoren zumindest in hörbaren Frequenzen zu reduzieren.During operation, the cogging moments generate, among other things, harmonic oscillations, which cause undesired sound maxima at certain frequencies. These vibrations add up to the already existing operating noise emission. The manufacturers of electric motors are therefore always anxious to reduce the cogging torques and thus also the noise emission of the engines, at least in audible frequencies.

Im Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt, dass das Rastmoment durch schräge oder unregelmäßig geformte Polschuhe reduziert werden kann, wie etwa in der US 6,218,760 B1 dargestellt ist. Trotzdem gibt es im Geräuschsspektrum des Elektromotors bestimmte Schwingungs- und Frequenzanteile, die durch die bekannten Maßnahmen bisher nicht verringert werden konnten.In the prior art, for example, it is known that the cogging torque can be reduced by oblique or irregularly shaped pole pieces, such as in the US 6,218,760 B1 is shown. Nevertheless, there are certain vibration and frequency components in the noise spectrum of the electric motor, which could not be reduced by the known measures so far.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine elektrische Maschine der vorgenannten Art zu schaffen, die ein geringeres Rastmoment und eine geringere Geräuschemission aufweist.The object of the invention is therefore to provide an electrical machine of the aforementioned type, which has a lower cogging torque and a lower noise emission.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Nutöffnung, die zwischen zwei benachbarten Polschuhen gebildet ist, in einem Intervall liegt, das aus dem Durchmesser D des Stators, dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen (LCM) aus der Anzahl p der Rotorpole und der Anzahl N der Statorpole und aus einem reellen Korrekturfaktor K, der im abgeschlossenen Intervall [2; 4] liegt, nach der Formel

berechnet ist.This object is achieved in that the groove opening formed between two adjacent pole pieces, is in an interval consisting of the diameter D of the stator, the least common multiple (LCM) from the number p of the rotor poles and the number N of Stator poles and a real correction factor K, which in the closed interval [2; 4], according to the formula

is calculated.

Der Erfinder hat nämlich festgestellt, dass die Amplitude des Rastmoments für bestimmte Frequenzen des Frequenzspektrums nicht linear mit der Nutöffnung ansteigt, sondern sinusförmig, periodisch verläuft. Die Amplitude startet dabei in einem ersten Minimum nahe dem Nullpunkt, steigt stetig auf ein erstes Maximum an, ehe sie wieder zu einem zweiten Minimum abfällt. Dieser Verlauf wiederholt sich periodisch mit größer werdender Nutöffnung.The inventor has found that the amplitude of the cogging torque for certain frequencies of the frequency spectrum does not increase linearly with the slot opening, but runs sinusoidally, periodically. The amplitude starts in a first minimum near the zero point, rises steadily to a first maximum, before it drops again to a second minimum. This course repeats periodically with increasing slot opening.

Im Stand der Technik wurde bislang grundsätzlich eine möglichst schmale Nutöffnung bevorzugt. Entgegen der im Stand der Technik verbreiteten Meinung, dass schmalere Nutöffnungen grundsätzlich besser seinen, zeigt die Erfindung, dass auch mit einer größeren Nutöffnung das Rastmoment auf einem niedrigen Niveau gehalten werden kann. Diese Erkenntnis ist in der erfindungsgemäßen Formel enthalten, nach der sich für verschiedene Motorparameter die Lage des zweiten Minimums und damit die optimale Nutöffnung einfach berechnen lässt.In the prior art, the smallest possible slot opening has hitherto been preferred. Contrary to popular opinion in the art that narrower groove openings basically better, the invention shows that even with a larger slot opening the cogging torque can be kept at a low level. This finding is contained in the formula according to the invention, according to which the position of the second minimum and thus the optimum slot opening can be easily calculated for different engine parameters.

Da auch die Form der Polschuhe, insbesondere der Magnetfluss von den Flanken der Polschuhe, einen zusätzlichen Einfluss auf die elektromagnetischen Kräfte und damit auf das Rastmoment haben, liegt das reale Minimum der Rastmoment-Amplitude nicht exakt beim theoretischen Minimum, sondern zu größeren Nutöffnungen verschoben. Dieser Tatsache wird durch die Einführung des Korrekturfaktors K Rechnung getragen, der in dem abgeschlossenen Intervall zwischen zwei und vier liegt, wobei die beiden Intervallgrenzen eingeschlossen sind. Daraus ergibt sich auch für die Nutöffnung ein Intervall, in dem die optimale Nutöffnung liegt.Since the shape of the pole pieces, in particular the magnetic flux from the flanks of the pole pieces, an additional influence on the electromagnetic forces and thus on the cogging torque, the real minimum of the cogging torque amplitude is not exactly the theoretical minimum, but shifted to larger slot openings. This fact is accounted for by the introduction of the correction factor K, which lies in the closed interval between two and four, with the two interval limits included. This results in an interval for the slot opening, in which the optimum slot opening is located.

Somit lassen sich für verschiedenste Motorparameter mit bekannten Polschuh-Formen die optimale Nutöffnung vorab einfach berechnen, so dass keine aufwändigen und teuren Versuche mit verschiedenen Mustern erforderlich sind.Thus, for a wide variety of engine parameters with known pole shoe shapes, the optimum slot opening can be easily calculated in advance, so that no complex and expensive tests with different patterns are required.

Durch die Erfindung kann die durch Rastmomente erzeugte Geräuschemission bestimmter harmonischer Schwingungen deutlich reduziert werden. Insbesondere vorteilhaft ist es dabei, wenn das Verhältnis der Anzahl der Rotorpole zur Anzahl der Statorpole gleich vier zu drei ist, da bei diesem Verhältnis bereits die Grund-Geräuschemission insgesamt deutlich geringer ist.By the invention, the noise generated by cogging torque certain harmonic vibrations can be significantly reduced. In this case, it is particularly advantageous if the ratio of the number of rotor poles to the number of stator poles is equal to four to three, since at this ratio the basic noise emission as a whole is significantly lower.

Die Erfindung ist sowohl bei Außenläufern als auch bei Innenläufern anwendbar. Dabei ist der relevante Durchmesser bei Außen- und Innenläufern der Außen- beziehungsweise der Innendurchmesser des Stators.The invention is applicable to both external and internal rotor. The relevant diameter of the outer and inner rotors of the outer and the inner diameter of the stator.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the accompanying drawings.

Es zeigt:It shows:

1 einen Querschnitt durch einen Außenläufer Elektromotor mit einem erfindungsgemäßen Stator und 1 a cross section through an external rotor electric motor with a stator according to the invention and

2 ein Diagramm der Rastmoment-Amplitude einer bestimmten harmonischen Schwingung in Abhängigkeit der Nutöffnung. 2 a diagram of the cogging torque amplitude of a particular harmonic oscillation as a function of the slot opening.

In 1 ist ein im Ganzen mit 1 bezeichneter Elektromotor als Außenläufer gezeigt. Der Motor 1 hat einen Stator 2 und einen Rotor 3. Der Stator 2 weist einen Statorkern 4 aus einem weichmagnetischen Metall auf, der vorzugsweise aus einzelnen Blechen gestapelt ist. Der Statorkern 4 hat im Beispiel neun Statorpole 5. Jeder Statorpol 5 hat einen Polzahn 6, auf dem eine Statorwicklung 7 angeordnet ist und einen Polschuh 8.In 1 is a whole with 1 denoted electric motor shown as external rotor. The motor 1 has a stator 2 and a rotor 3 , The stator 2 has a stator core 4 of a soft magnetic metal, which is preferably stacked from individual sheets. The stator core 4 in the example has nine stator poles 5 , Each stator pole 5 has a pole tooth 6 on which a stator winding 7 is arranged and a pole piece 8th ,

Koaxial um den Stator 2 ist der Rotor 3 angeordnet, der einen Rotorkörper 18 als Rückschluss und einen mehrpoligen Ringmagneten 9 oder einen Segmentmagneten als Antriebsmagnet aufweist. Im Beispiel hat der Ringmagnet 9 zwölf Magnetpole 10, die mit den Statorpolen 5 in elektromagnetischer Wechselwirkung stehen. Die Magnetpole sind mit abwechselnder Polarität radial magnetisiert. Das Verhältnis der Anzahl von Rotorpolen 10 zur Anzahl von Statorpolen 5 ist demnach gleich vier zu drei. Die Erfindung bewirkt dann eine besonders starke Reduktion des Rastmomentes und somit auch der Akustik bei der 36ten Harmonischen der Drehzahl des Motors.Coaxial around the stator 2 is the rotor 3 arranged, which has a rotor body 18 as a conclusion and a multi-pole ring magnet 9 or has a segment magnet as a drive magnet. In the example, the ring magnet has 9 twelve magnetic poles 10 connected to the stator poles 5 in electromagnetic interaction. The magnetic poles are radially magnetized with alternating polarity. The ratio of the number of rotor poles 10 to the number of stator poles 5 is therefore equal to four to three. The invention then causes a particularly strong reduction of the cogging torque and thus also the acoustics at the 36th harmonic of the engine speed.

Der Rotor wird durch periodisches Bestromen der einzelnen Statorwicklungen 7 in Drehung versetzt. Beispielhaft ist ein dreiphasiger Motor dargestellt; möglich ist jedoch auch die Verwendung für ein-, zwei- oder mehrphasige bürstenlose Elektromotoren.The rotor is made by periodically energizing the individual stator windings 7 set in rotation. By way of example, a three-phase motor is shown; However, it is also possible to use single-, two- or multi-phase brushless electric motors.

Die restliche Konfiguration des Elektromotors 1 spielt für die Erfindung keine Rolle, weshalb hier weitere Motorteile wie beispielsweise Lager oder Welle nicht dargestellt sind.The remaining configuration of the electric motor 1 plays no role for the invention, which is why further engine parts such as bearings or shaft are not shown here.

Entscheidend für die Erfindung ist jedoch die Nutöffnung b, das heißt der Abstand zwischen zwei benachbarten Polschuhen 8. Die optimale Breite b kann erfindungsgemäß nach der Formel

berechnet werden. Dabei ist D der Außendurchmesser des Stators 2, K ein Korrekturfaktor aus dem abgeschlossenen Intervall [2; 4] und LCM(p, N) ist das kleinste gemeinsame Vielfache aus Rotorpolanzahl p und Statorpolanzahl N. Werden für K die beiden Randwerte des Intervalls eingesetzt, ergibt sich auch für die Nutöffnung b ein Intervall, in dem der optimale Wert liegt.Decisive for the invention, however, is the slot opening b, that is the distance between two adjacent pole pieces 8th , The optimum width b can according to the invention according to the formula

be calculated. Where D is the outside diameter of the stator 2 , K is a correction factor from the closed interval [2; 4] and LCM (p, N) is the smallest common multiple of rotor pole number p and stator pole number N. If the two boundary values of the interval are used for K, the slot opening b also has an interval in which the optimum value lies.

Für die in der Tabelle unten genannten, beispielhaften Parameter ergibt sich nach der Formel eine optimale Nutöffnung zwischen 1,44 mm und 2,86 mm p 12 N 9 LCM 36 D 16,5 mm b_min (K = 2) 1,44 mm b_max (K = 4) 2,86 mm For the exemplary parameters mentioned in the table below, the formula results in an optimum slot opening between 1.44 mm and 2.86 mm p 12 N 9 LCM 36 D 16.5 mm b_min (K = 2) 1.44 mm b_max (K = 4) 2.86 mm

Im Stand der Technik geht man bisher davon aus, dass das Rastmoment umso geringer ist, je schmaler die Nutöffnung b ist. Da der Stator 2 jedoch durch die Nutöffnungsspalte 11 bewickelt wird, müssen die Nutöffnungsspalte 11 auch eine Mindestbreite haben. Aus diesen beiden Vorgaben wurde die Nutöffnung b daher mehr oder weniger willkürlich so schmal festgelegt, dass der Stator 2 gerade noch bewickelbar war.In the prior art, it has hitherto been assumed that the cogging torque is the smaller, the narrower the slot opening b is. Because the stator 2 however through the slot opening column 11 is wound, have the slot opening column 11 also have a minimum width. From these two specifications, the slot opening b was therefore more or less arbitrarily set so narrow that the stator 2 was just still usable.

Gemäß der Erfindung lassen sich zumindest die m·n-ten Harmonischen mit natürlicher Zahl m und n = LCM(p, N) unterdrücken. Weiterhin werden hierdurch auch die Seitenbänder, also beispielsweise für LCM(p, N) = 36 die 35te und die 37te Harmonische, wirkungsvoll vermindert. Andere Harmonische können zwar evtl. zunehmen, jedoch spielt dies unter Umständen keine Rolle, da diese möglicherweise im Spektrum ohnehin nicht als „prominent tone” erscheinen, das heißt nicht oder nicht nennenswert oberhalb des Grundrauschens des Geräuschemissions-Spektrums des Motors liegen.According to the invention, it is possible to suppress at least the mth harmonic with natural number m and n = LCM (p, N). Furthermore, this also the sidebands, so for example for LCM (p, N) = 36, the 35th and the 37th harmonic, effectively reduced. Although other harmonics may increase, this may not matter, as they may not appear in the spectrum anyway as "prominent tone", that is not or not significantly above the noise floor of the noise emission spectrum of the engine.

Zur Verdeutlichung der Erfindung ist in 2 beispielhaft der Amplitudenverlauf der 36ten Harmonischen des Rastmoments für die oben genannten Motor-Parameter in Abhängigkeit von der Nutöffnung b gezeigt, gemäß der Erkenntnis des Erfinders. Der Erfinder hat nämlich festgestellt, dass die Amplitude A des Rastmoments einen sinusförmigen, periodischen Verlauf aufweist. Die Amplitude A startet dabei in einem ersten Minimum 13 nahe dem Nullpunkt 12, steigt stetig auf ein erstes Maximum 14 an, ehe sie wieder zu einem zweiten Minimum 15 abfällt. Dieser Verlauf wiederholt sich periodisch mit größer werdender Nutöffnung b.To illustrate the invention is in 2 for example, the amplitude curve of the 36th harmonic of the cogging torque for the above-mentioned motor parameters as a function of the slot opening b shown, according to the knowledge of the inventor. The inventor has determined that the amplitude A of the cogging torque has a sinusoidal, periodic course. The amplitude A starts in a first minimum 13 near the zero point 12 , is steadily rising to a first maximum 14 before returning to a second minimum 15 drops. This course repeats periodically with increasing slot opening b.

Entgegen der bislang verbreiteten Ansicht gibt es also mit zunehmender Nutöffnung b mindestens einen weiteren Bereich, in dem die Amplitude A des Rastmoments sich dem Ausgangswert im ersten Minimum annähert.Contrary to the view prevalent so far, with increasing slot opening b there is at least one further area in which the amplitude A of the cogging torque approaches the initial value in the first minimum.

Hat man diese Erkenntnis erstmal erlangt, ist es einfach daraus zu schließen, dass die optimale Nutöffnung b größere Werte aufweisen kann bzw. sollte, als bislang angenommen, um eine Reduktion der Geräuschemission zu erzielen. Once this knowledge has been attained, it is easy to conclude that the optimum slot opening b can or should have larger values than previously assumed in order to achieve a reduction in the noise emission.

Aufgrund von Beschränkungen der Flussleitung in schmalen Polschuhen 8, kann die Nutöffnung b jedoch nicht beliebig groß gewählt werden. Die optimale Nutöffnung b liegt daher im Bereich des zweiten Minimums 15 der Rastmoment-Kurve. Diese Erkenntnis ist in der oben genannten Formel enthalten. Mit dieser Formel kann für verschiedene Motorparameter die Lage des zweiten Minimums 15 und damit die optimale Nutöffnung b einfach berechnet werden.Due to restrictions of the flow line in narrow pole shoes 8th However, the slot opening b can not be chosen arbitrarily large. The optimum slot opening b is therefore in the range of the second minimum 15 the cogging torque curve. This finding is contained in the above formula. With this formula, the position of the second minimum can be determined for different engine parameters 15 and thus the optimal slot opening b are easily calculated.

In der Praxis verteilt sich der Magnetfluss 17 zwischen Polschuh 8 und Rotormagnet 9 nicht nur entlang deren einander zugewandten Stirnseiten, sondern auch seitlich über die Flanken 16 der Polschuhe 8. Dadurch wird die reale Amplitude A des Rastmoments hin zu größeren Nutöffnungen b gestreckt. Das zweite Minimum 15 des realen Amplitudenverlaufs liegt daher bei einer größeren Nutöffnung b als theoretisch berechnet wurde. Diese Verschiebung wird in der Formel durch den Korrekturfaktor K berücksichtigt.In practice, the magnetic flux is distributed 17 between pole piece 8th and rotor magnet 9 not only along their facing end faces, but also laterally over the flanks 16 the pole shoes 8th , As a result, the real amplitude A of the cogging torque is stretched toward larger slot openings b. The second minimum 15 of the real amplitude curve is therefore at a larger slot opening b than was calculated theoretically. This shift is taken into account in the formula by the correction factor K.

Der Korrekturfaktor K kann dabei durch Berechnung oder empirische Untersuchungen bestimmt werden. Für jede Polschuh-Form muss der Korrekturfaktor K jedoch nur einmal bestimmt werden.The correction factor K can be determined by calculation or empirical investigations. For each pole shoe shape, however, the correction factor K needs to be determined only once.

Betrachtet man einen Motor 1 mit den oben genannten Parametern, lag die bislang verwendete Nutöffnung 19 bei 0,9 mm. Durch einfache Anwendung der Erfindung kann die optimale Nutöffnung b auf etwa 2 mm berechnet werden. Dadurch kann die Amplitude des Rastmoments etwa um den Faktor 8 verkleinert werden, wodurch auch die Geräuschemission wesentlich reduziert wird.Looking at a motor 1 with the above parameters, was the previously used slot opening 19 at 0.9 mm. By simple application of the invention, the optimal slot opening b can be calculated to about 2 mm. As a result, the amplitude of the cogging torque can be reduced by about a factor of 8, which also significantly reduces the noise emission.

Obwohl die Erfindung hauptsächlich für Elektromotoren Verwendung findet, ist auch der Einsatz bei Generatoren möglich.Although the invention is mainly used for electric motors, the use in generators is possible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Elektromotorelectric motor
22: Statorstator
33: Rotorrotor
44: Statorkernstator core
55: Statorpolstator
66: Polzahnpole tooth
77: Statorwicklungstator
88th: Polschuhpole
99: Ringmagnetring magnet
1010: Magnetpolmagnetic pole
1111: NutöffnungsspaltNutöffnungsspalt
1212: Nullpunktzero
1313: 1. Minimum1st minimum
1414: 1. Maximum1st maximum
1515: 2. Minimum2nd minimum
1616: Flanken PolschuhFlanks pole piece
1717: Magnetflussmagnetic flux
1818: Rotorkörperrotor body
1919: Nutöffnung im Stand der TechnikSlot opening in the prior art
bb: Nutöffnungslot opening
DD: Durchmesser StatorDiameter stator
pp: Anzahl der MagnetpoleNumber of magnetic poles
NN: Anzahl der StatorpoleNumber of stator poles
KK: Korrekturfaktorcorrection factor
AA: Amplitude des RastmomentsAmplitude of the cogging torque

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6218760 B1 [0004]

Claims

Electric machine with a rotor ( 3 ) with several rotor poles ( 10 ) and a stator ( 2 ) with several stator poles ( 5 ), each stator pole ( 5 ) a pole tooth ( 6 ), a stator winding ( 7 ) and a pole piece ( 8th ), characterized in that the slot opening (b) between two adjacent pole pieces ( 8th ) is formed at an interval which is formed from the diameter (D) of the stator ( 2 ), the least common multiple (LCM) of the number (p) of the rotor poles ( 10 ) and the number (N) of the stator poles ( 5 ) and a real correction factor (K), which in the closed interval [2; 4], according to the formula

is calculated.

Electrical machine according to claim 1, characterized in that the ratio of the number (p) of the rotor poles ( 10 ) to the number (N) of the stator poles ( 5 ) is four to three.