DE10304030A1

DE10304030A1 - Elektromotorischer Antrieb

Info

Publication number: DE10304030A1
Application number: DE2003104030
Authority: DE
Inventors: Stefan Wesemann; Roland Hoppenstedt; Uli Vetter
Original assignee: Ziehl Abegg SE
Current assignee: Ziehl Abegg SE
Priority date: 2003-02-01
Filing date: 2003-02-01
Publication date: 2004-09-02

Abstract

Ein elektromotorischer Antrieb, der als rotatorischer Antrieb ausgebildet ist, weist wenigstens einen, sich über einen Sektor des Umfangs erstreckenden Stator (4) und einen Rotor (2) auf. An den Umfangsenden des sektorförmigen Stators (4, 4a, 4b) sind jeweils Auslaufzonen (6) mit dem Rotor (2) zugewandten Aulaufseiten (7) vorgesehen, die, ausgehend von der zur Rotoraußenseite (8) parallelen, gekrümmten Innenseite (9) des Stators (4), im Verlauf ihrer Umfangserstreckung nach außen einen zunehmenden Abstand zur Außenseite (8) des Rotors (2) aufweisen.
Durch diese Maßnahme werden die an den Enden des jeweiligen Statorsektors (4a, 4b) entstehenden Rastmomente mit den Magneten (3) des Rotors (2) wesentlich reduziert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromotorischen Antrieb, der als rotatorischer Antrieb ausgebildet ist, mit wenigstens einem, sich über einen Sektor des Umfangs erstreckenden Stator und mit einem Permanentmagnete aufweisenden Rotor.
Solche elektromotorischen Antriebe werden wegen der Ausbildung des nicht umfänglichen Stators auch Sektormotor und wegen des ringförmigen Rotors, durch den sehr große Hohlwellendurchmesser beziehungsweise magnetisch unbenutzte Bereiche im Zentrum vorhanden sind, auch als Ringmotor bezeichnet.
Es handelt sich hierbei um einen Direktantrieb, also einen getriebelosen Antrieb, der einen großen Außendurchmesser bei kurzer axialer Länge aufweist. Der große Durchmesser ermöglicht ausreichend große Drehmomente, obwohl nur ein oder einige Teilbereiche des Außenumfangs als aktiver Stator mit einem oder mehreren Statorsektoren verwendet werden.
Bei solchen Motoren können Drehmomentstöße und daraus resultierende Drehzahlschwankungen einerseits durch die Nutung des Stators und andererseits durch Rastmomente an den beiden Enden der Statorsektoren und den dort vorhandenen Auslaufkanten mit den Magneten des Rotors entstehen. Es ist deshalb allgemein bei rotatorischen Motoren bekannt, die Nutung und/oder die Pole des Rotors schräg anzuordnen. Damit ist zwar eine gewisse Verbesserung hinsichtlich der Drehmomentstöße erzielbar, für bestimmte Anwendungsfälle und insbesondere bei Motoren mit großem Außendurchmesser und geringer Drehzahl sind die weiterhin vorhandenen, wenn auch reduzierten Drehmomentstöße störend.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem elektromotorischen, rotatorischen Antrieb der eingangs erwähnten Art Maßnahmen vorzusehen, die zu einer erheblichen Reduzierung der Rastmomente und/oder Drehmomentstöße führen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass an den Umfangsenden des sektorförmigen Stators jeweils Auslaufzonen mit dem Rotor zugewandten Auslaufseiten vorgesehen sind, die ausgehend von der zur Rotoraußenseite parallelen, gekrümmten Innenseite des Stators im Verlauf ihrer Umfangserstreckung nach außen einen zunehmenden Abstand zur Außenseite des Rotors aufweisen.

Der Luftspalt zwischen Stator und Rotor verbreitert sich im Bereich der Auslaufzonen somit ausgehend vom Innendurchmesser des Stators innerhalb der Umfangserstreckung der Auslaufzonen. Die an den Enden und damit bei den bisher vorhandenen Auslaufkanten des jeweiligen Statorsektors entstehenden Rastmomente mit den Magneten des Rotors werden durch die Auslaufzonen mit dem besonderen Verlauf ihrer Auslaufseiten wesentlich reduziert, so dass ein guter Gleichlauf des Motors praktisch ohne störende Rastmomente beziehungsweise Drehmomentstöße und daraus erzeugten Drehzahlschwankungen erzielt wird.

Besonders effektiv wirkt sich diese erfindungsgemäße Maßnahme in Verbindung mit einem oder mehreren der nachfolgenden Zusatzmaßnahmen aus.

Dabei kann eine weitere Reduzierung von Drehmomentstößen beziehungsweise Rastmomenten erreicht werden, wenn die Auslaufzonen nutenfrei und wicklungsfrei sind. Auch wenn sich die Auslaufzonen und damit der sich erweiternde Luftspalt über eine oder mehrere Polteilungen erstrecken, wird eine weitere Verbesserung erreicht. Die Verbreiterung des Luftspaltes erfolgt somit über einen Umfangsbereich, der mindestens dem Abstand zwischen zwei ungleichnamigen Polen entspricht oder einem Vielfachen davon.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen der Stator beziehungsweise die Statorsektoren eine Bruchlochwicklung auf. Auch diese Maßnahme trägt mit zu einem ruhigeren Lauf des Motors bei, wobei insbesondere vorteilhaft ist, dass auch ohne Schrägung der Magnete oder der Statornuten praktisch keine Rastmomente zwischen Nuten und Magneten entstehen. Jedoch wäre eine Schrägung der Magnete oder der Statornuten bedarfsweise bei dem erfindungsgemäßen Motor zusätzlich möglich.

Bei Verwendung einer Bruchlochwicklung sind der oder die Statorsektoren als Teil der Bruchlochwicklung aufgebaut. Der Statorsektor kann in der Nutenzahl so gestaltet sein, dass genau eine oder mehrere Urwicklungen pro Statorsektor vorhanden ist. Eine Urwicklung ist insbesondere bei einer hochpoligen Maschine mit Bruchlochwicklung der kleinste Teil einer Wicklung, der in eine ganzzahlige Nutenzahl gewickelt werden kann. Zum Beispiel ist die Urwicklung bei einer 100-poligen Drehstrom-Maschine mit theoretisch 360 Statornuten bei einem kompletten Stator 10-polig mit 36 Nuten. Diese Wicklung ist deshalb eine Bruchlochwicklung, weil die Lochzahl, dass heißt der Quotient aus der Nutenzahl geteilt durch Polzahl und Strangzahl keine ganze Zahl ist (360/(100*3)= 1,2).

Auch die Form der Luftspalterweiterung hat einen wesentlichen Einfluss auf das Lauf- und Geräuschverhalten des Motors. Dabei können die Auslaufseiten der Auslaufzonen in Umfangserstreckung einen etwa linear zunehmenden Abstand zur Außenseite des Rotors aufweisen, zum Beispiel durch einen etwa tangentialen, geraden Auslauf. Andererseits können die Auslaufseiten der Auslaufzonen in Umfangserstreckung einen gekrümmten Verlauf mit zunehmendem Abstand zur Außenseite des Rotors aufweisen und mathematisch differenzierbar und stetig sein.

Als besonders günstig hat sich herausgestellt, wenn die gekrümmten Auslaufseiten der Auslaufzonen eine Kurvenform aufweisen.

Weiterhin ist es vorteilhaft im Sinne einer Reduzierung von Rastmomenten, wenn der Übergangsbereich zwischen der zur Rotoraußenseite parallelen Statorinnenseite und der sich in Umfangsrichtung nach außen anschließenden Auslaufseite gerundet ist. Die vorerwähnten, erfindungsgemäßen Maßnahmen wirken sich besonders vorteilhaft bei einer Anwendung aus, bei der der Antriebsmotor Teil eines Computertomographen mit einer Innenhöhlung zur Aufnahme eines zu untersuchenden Körpers ist, wobei der Antriebsmotor einen Ringmotor mit einer Hohlwelle bildet und der Durchmesser des Rotors größer als der Durchmesser der Innenhöhlung des Computertomographen ist. Gerade bei einer solchen Anwendung wirkt sich der durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen besonders ruhig und ruckelfrei laufende Antriebsmotor vorteilhaft aus, weil dies wesentlich zur Verbesserung der Bildqualität des Computertomographen beiträgt.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Sektormotors ohne Statorwicklungen,
2 eine vergrößerte Detailansicht eines Stator/Rotorabschnittes,
3 eine vergrößerte Darstellung eines Endes eines Statorsektors und
4 eine etwas schematisierte Querschnittdarstellung eines Computertomographen mit erfindungsgemäßem elektromotorischen Antrieb.
1 zeigt die wesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen Sektormotors 1. Dieser weist einen ringförmigen Rotor 2 mit außenseitig angebrachten Permanentmagneten 3 auf. Die Lagerung des Rotors 2 ist hier nicht näher dargestellt.
Der Stator 4 des Sektormotors 1 ist im Ausführungsbeispiel durch zwei Statorsektoren 4a, 4b gebildet. Der Einfachheit halber ist der Stator in den 1 bis 3 ohne Wicklungen 17 (vergl. 4) dargestellt, die in die Nuten 5 des Stators 4 gewickelt werden. Wegen der ringförmigen Ausbildung des Rotors 2 werden solche Motoren auch Ringmotoren genannt.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass an den Umfangsenden 18 der Statorsektoren 4a, 4b Auslaufzonen 6 mit dem Rotor zugewandten Auslaufseiten 7 vorgesehen sind, die ausgehend von der zur Rotoraußenseite 8 parallelen, gekrümmten Innenseite 9 des Stators 4 im Verlauf ihrer Umfangserstreckung nach außen einen zunehmenden Abstand zur Außenseite 8 des Rotors 2 aufweisen. Die Ausbildung der Auslaufzonen 6 ist besonders gut in den 2 und 3 erkennbar.
Zwischen der Innenseite 9 des Stators 4 und der Rotoraußenseite 8 befindet sich ein Luftspalt 10, der sich an den Enden der Statorsektoren 4 im Bereich der Auslaufzonen 6 erweitert. Der Übergangsbereich 11 zwischen der zur Rotoraußenseite 8 parallelen Statorinnenseite 9 und der sich in Umfangserstreckung nach außen anschließenden Auslaufseite 7,ist, wie besonders gut in 2 erkennbar, gerundet ausgebildet. Es ist somit im Übergangsbereich keine Kante vorhanden. Auch der weitere Verlauf der Auslaufseiten ist im Ausführungsbeispiel gerundet beziehungsweise hat einen gekrümmten Verlauf, so dass nach außen hin die Spaltbreite zunehmend größer wird. Es kann hierbei eine kreisförmige Krümmung vorgesehen sein, wobei der Radius etwa dem 1,5-fachen der Polteilung τ_P entsprechen kann.
Es kann auch eine Kurvenform der Auslaufseiten 7 mit nichtlinearer Aufweitung zwischen der Auslaufseite und der Außenseite 8 des Rotors 2 vorgesehen sein. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Kurvenform der Auslaufseiten 7 erwiesen, bei der die Form der Auslaufseiten durch die Summe zweier Kreisgleichungen beschrieben wird, welche die Überlagerung einer kreisförmigen Aufweitung des Luftspalts am Stator und des Außendurchmessers des Rotors bilden.
Andererseits bringt auch schon eine Ausbildung der Auslaufseiten mit in Umfangserstreckung etwa linear zunehmendem Abstand zur Außenseite 8 des Rotors 2 eine erhebliche Reduzierung der Rastmomente.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Auslaufzonen 6 integrale Bestandteile des Stators 4 beziehungsweise des jeweiligen Statorsektors 4a oder 4b. Die Auslaufzonen 6 schließen sich somit einstückig an den genuteten Teil des Stators beziehungsweise der Statorsektoren an. Gut zu erkennen ist auch, dass im Bereich der Auslaufzonen 6 keine Nuten 5 und dementsprechend auch keine Statorwicklung vorgesehen ist. Die Auslaufzonen 6 erstrecken sich über wenigstens eine Polteilung, dass heißt, dass die jeweilige Umfangslänge der Auslaufzonen mindestens dem Abstand zwischen zwei ungleichnamigen Polen entspricht.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Auslaufzonen 6 in Abwandlung zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel, separate, an die Umfangsenden des Stators 4 beziehungsweise des jeweiligen Statorsektors 4a, 4b ansetzbare Teile sind. Damit besteht die Möglichkeit, bereits vorhandene Statoren mit solchen Auslaufzonen 6 nachzurüsten.
Ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Sektormotor 1 ist in 4 gezeigt. Schematisch ist hier ein Computertomograph 12 angedeutet, der in der Schnittdarstellung zentral eine Untersuchungsöffnung 13 erkennen lässt, in der sich der zu untersuchende Körper befindet. Dabei kann es sich um einen menschlichen Körper handeln, der sich beispielsweise auf einer Patientenliege innerhalb der Längserstreckung der rohrförmigen Untersuchungsöffnung 13 befindet. Andererseits kann es sich bei dem zu untersuchenden Körper aber auch um einen Gegenstand handeln. Um die Untersuchungsöffnung 13 herum ist ein Ringraum 14 vorhanden, in dem eine Ringtrommel 15 mit einem hier nicht näher dargestellten Röntgenscanner oder dergleichen Durchstrahlungseinrichtung mit gegenüberliegenden Detektoren angeordnet ist.
Die Ringtrommel 15 mit ihren Einbauteilen ist drehbar über ein Ringlager 16 gelagert. Als Antrieb dient ein erfindungsgemäßer Sektormotor 1, dessen ringförmiger Rotor 2 mit der Ringtrommel 15 verbunden ist. Der den Rotor 2 teilweise umschließende Stator 4 ist auch hier als Sektorstator mit zwei Statorsektoren 4a, 4b ausgebildet, wobei die Umfangslänge und Lage der Statorsektoren, aber auch deren Anzahl an den Anwendungsfall beziehungsweise die vorhandenen Einbaumöglichkeiten angepasst sein kann.
Gut zu erkennen ist der besonders einfache Aufbau des Antriebs und der Antriebsverbindung mit der umlaufenden Ringtrommel 15. Weiterhin, dass die axiale Länge des Motors nur einem Bruchteil seines Durchmessers entspricht. Auch diese axial kurze Baulänge trägt mit dazu bei, dass dieser Motor besonders gut beispielsweise in Computertomographen integrierbar ist.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Sektormotors 1 in einen Computertomographen stellt zwar eine bevorzugte Anwendung dar, jedoch sind auch andere Anwendungen möglich beispielsweise, dass der Sektormotor als Antriebsmotor Teil eines Rundschalttisches ist. Dabei sind beispielsweise Arbeitseinheiten am Umfang eines Rundschalttisches angeordnet und durch Drehen des Tisches mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Sektormotors können diese an einzelnen Arbeitsstationen vorbeigeführt werden.

Claims

Elektromotorischer Antrieb, der als rotatorischer Antrieb ausgebildet ist, mit wenigstens einem, sich über einen Sektor des Umfangs erstreckenden Stator und mit einem Permanentmagnete aufweisenden Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass an den Umfangsenden (18) des sektorförmigen Stators (4, 4a, 4b) jeweils Auslaufzonen (6) mit dem Rotor (2) zugewandten Auslaufseiten (7) vorgesehen sind, die ausgehend von der zur Rotoraußenseite (8) parallelen, gekrümmten Innenseite (9) des Stators (4) im Verlauf ihrer Umfangserstreckung nach außen einen zunehmenden Abstand zur Außenseite (8) des Rotors (2) aufweisen.
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslaufzonen (6) nutenfrei und wicklungsfrei sind.
Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auslaufzonen (6) über eine oder mehrere Polteilungen erstrecken.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslaufzonen (6) integrale Bestandteile des Stators (4) beziehungsweise des jeweiligen Statorsektors (4a, 4b) sind.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslaufzonen (6) separate, an die Umfangsendenden des Stators (4) beziehungsweise des jeweiligen Statorsektors (4a, 4b) ansetzbare Teile sind.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslaufseiten (7) der Auslaufzonen (6) in Umfangserstreckung einen etwa linear zunehmenden Abstand zur Außenseite (8) des Rotors (2) aufweisen.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslaufseiten (7) der Auslaufzonen (6) in Umfangserstreckung einen gekrümmten Verlauf mit zunehmendem Abstand zur Außenseite des Rotors (2) aufweisen und mathematisch differenzierbar und stetig sind.
Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmten Auslaufseiten (7) der Auslaufzonen (6) eine kreisförmige Krümmung aufweisen, vorzugsweise mit einem Radius, der etwa dem 1,5-fachen der Polteilung entspricht.
Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmten Auslaufseiten (7) der Auslaufzonen (6) eine Kurvenform mit nichtlinearer Aufweitung zwischen der Auslaufseite (7) und der Außenseite (8) des Rotors (2) aufweisen.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (11) zwischen der zur Rotoraußenseite (8) parallelen Statorinnenseite (9) und der sich in Umfangserstreckung nach außen anschließenden Auslaufseite (7) gerundet ist.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl und/oder die Umfangslänge der Statorsektoren (4a, 4b) an den jeweiligen Anwendungsfall und/oder die vorhandenen Einbaumöglichkeiten angepasst ist.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, dass der Stator (4) beziehungsweise die Statorsektoren (4a, 4b) eine Bruchlochwicklung aufweisen.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des Motors kleiner ist als sein Durchmesser.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor Teil eines Computertomographen (12) mit einer Innenhöhlung (13) zur Aufnahme eines zu untersuchenden Körpers ist, dass der Antriebsmotor (1) einen Ringmotor mit einer Hohlwelle bildet und der Durchmesser des Rotors (2) größer als der Durchmesser der Innenhöhlung des Computertomographen (12) ist.
Antrieb nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4) des Antriebsmotors (1) mit dem Gehäuse des Computertomographen (12) verbunden ist und dass der Rotor (2) mit einer einen Scanner oder dergleichen Durchstrahlungseinrichtung aufweisenden Ringtrommel (15) verbunden ist.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (1) Teil eines Rundschalttisches ist.