DE3345672A1

DE3345672A1 - Gleichstrom-servomotoren mit einem permanentmagnet-kommutator

Info

Publication number: DE3345672A1
Application number: DE19833345672
Authority: DE
Inventors: Leon G. Dublin Va. Greiss; Roy D. Radford Va. Schultz
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1982-12-21
Filing date: 1983-12-15
Publication date: 1984-07-05
Also published as: IE55319B1; DE3345672C2; GB2136216A; GB8334092D0; IE833002L; GB2136216B; US4508988A; CA1202355A; IT1197762B; IT8349549A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Statoranordnungen für mit einem Permanentmagnet-Kommutator versehene Gleichstrom-Servomotoren und insbesondere eine neuartige und günstigere Ausgestaltung des polfreien Bereiches des Stators, die zu einer Leistungsverbesserung derartiger Motoren bei hohen Drehzahlen führt.

Die meisten mit Permanentmagneten ausgestatteten Gleichstrom-Servomotoren haben als Stator ein mit Permanentmagneten bestücktes zylindrisches Rohr mit im wesentlichen gleichmäßiger Wandstärke. Die Permanentmagneten sind zur Polachse symmetrisch und in gleichmäßigen Abständen in Gruppen von Vielfachen von zwei angeordnet und beispielsweise mit Klammern oder einem Kleber befestigt. Die Dicke der Magneten, radial zur Polachse gemessen, wird durch die Menge magnetischen Materials bestimmte, die erforderlich ist, um im Motormagnetkreis ein ausreichendes Magnetfeld aufrecht zu erhalten. Das Rohr, das zusammen mit den Permanentmagneten den Stator bildet, kann aus einem Stück oder, was häufiger der Fall ist, aus einer Reihe koaxialer, zu einem Rohr zusammenlaminierter Scheiben bestehen.

Durch Fortschritte in den Anwendungsbereichen wurden Motoren mit höheren Drehmomenten erforderlich; bisher jedoch waren Versuche, die Motorleistung bei hohen Drehmomenten zu verbessern, zur beschränkt erfolgreich. Die Verwendung stärkerer und damit dünnerer Magnete brachte gewisse Verbesserungen; allerdings verringert sich dann der Abstand zwischen dem Joch und dem Rotor des Motors und es kommt zu vermehrten Streuverlusten im Bereich zwischen den Polen und damit zu Spannungen in der Kommutatorwicklung des Rotors und zu übermäßiger Funkenbildung im Bereich der Bürsten. Dadurch wird die Gefahr eines Durchschlagene am Kommutator erhöht. Zusätzlich wirkt das im Rotor erzeugte Feld in einem Bereich dem Statorfeld entgegen, während es dieses in einem anderen Bereich verstärkt. Insgesamt kommt es wegen der Sättigung des Stahles zu einer Verringerung des Statormagnetflusses. Die oben beschriebenen Schwierigkeiten treten insbesondere dann auf, wenn Hochleistungsmagnete , wie z.B. Seltenerd-

Magnete, mit einer Leistung von mindestens 18 MGO (Megagaussoersted) in der Statoranrodnung verwendet werden. Um in derartigen Gleichstrom-Servomotoren rasche Beschleunigungs- und Bremsvorgänge ohne Beeinträchtigung der Motorleistung zu ermöglichen, wurde vorgeschlagen, statt der üblichen Rotoren mit gewickelten Eisenkernarmaturen die verhältnismäßig teuren "Cup"-Rotorarmaturen zu verwenden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß sich die Auswirkungen des in der Rotorarmatur erzeugten Feldes im polfreien Bereich verringern, ein höheres Drehmoment erreicht sowie eine Verbesserung des Kommutatorverhaltens erzielt werden kann, wenn der nicht-magnetische Bereich zwischen den Polen vergrößert wird. Dadurch wird das Verhältnis von Drehmoment zu Ampere bei hohen Drehmomenten verbessert und die Verzerrung des primären Statorstromflusses bei hohen Spannungen in der Rotorarmatur verringert. Es wurde festgestellt, daß die Leistung eines mit Permanentmagneten versehenen Gleichstrom-Servomotors bei hohen Drehmomenten und ebenso die maximale Leistung eines Servomotors vorgegebener Größe erhöht werden kann, wenn der Bereich zwischen den Permanentmagnetpolen Aussparungen aufweist, deren Tiefe in bestimmten Verhältnissen zu anderen wichtigen Abmessungsparametern der magnetischen Statorbauteile steht. Dies wird durch das Einhalten bestimmter Verhältnisse zwisehen der Größe der Aussparungen im polfreien Bereich einerseits und der Summe der Länge der Permanentmagnetpole und der Dicke des ringförmigen Joches andererseits und dem Innendurchmesser (I.D.) der Polbauteile erreicht. Die vorliegende Erfindung betrifft mit Permanentmagneten und einem Kollektor ausgestattete Gleichstrom^Servomotoren mit einem Schnittbandeisenläuferkern und einer Permanentmagnete enthaltenden Statoranordnung mit einem ringförmigen Joch aus magnetisierbarem Material und einer Mehrzahl, am inneren Umfang des Joches angeordneter Permanentmagnet-Pole, die sich im gleichen Abstand von der Achse des Joches und voneinander befinden und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Pole von bogenförmigen Permanentmagneten gebildet werden, die unter

Zwischenschalten von bogenförmigen Segmenten aus magnetisierbarem Material mit dem Joch fest verbunden sind, so daß zwischen den Polen eine der Dicke der Segmente aus magnetisierbarem Material und der Permanentmagnete entsprechende Zone gebildet wird, die frei von magnetisierbarem Material ist, wobei das Verhältnis von gemeinsamer radialer Dicke (I₂, Fig. 1) des bogenförmigen Segmentes aus magnetisierbar em Material und des zugeordneten Permanentmagneten zur gemeinsamen, radialen Dicke (I₃, Fig. 1) von bogenförmigem Segment, zugehörigem Permanentmagnet und Joch,

wenn P die Anzahl der Permanentmagnetpole ist.

Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung dient die folgende Beschreibung der beigefügten Zeichnungen. Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Statoranordnung mit den Permanentmagneten und den vertieften Bereichen zwischen den Polen.

Fig. 2 ist eine maßgetreue Darstellung der Statoranordnung aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in vergrößerter Form die magnetischen Feldlinien in einer Hälfte eines mit der erfindungsgemäßen Statüranordnung versehenen Servomotors bei einer Stromstärke von 27,8 Ampere.

Fig. 4 zeigt in vergrößerter Form die magnetischen Feldlinien in einer Hälfte eines vorbekannten Servomotors bei einer Stromstärke von 27,8 Ampere.

Fig. 5 und Fig. 6 entsprechen den Fig. 3 und 4, jedoch beim Anlegen einer Stromstärke von 192 Ampere.

Fig. 7 ist die grafische Darstellung des Leistungsverhaltens eines mit der erfindungsgemäßen Statoranordnung versehenen Servomotors.

5 Fig. 8 zeigt die Leistungskurven eines Servomotors nach dem Stand der Technik.

_ "7 —

Fig. 1 stellt die Statoranordnung eines mit Permanentmagneten versehenen erfindungsgemäßen Gleichstrom-Servomotors dar. Das Statorbauteil besteht aus einem zylindrischen Joch 2 aus magnetisierbarem Material, beispielsweise aus Weicheisen, den darin in gleichmäßigen Abständen befestigten, bogenförmigen Teilen 4 und 6, die ebenfalls aus magnetisierbarem Material wie z.B. Weicheisen bestehen, und den an derery Innenseiten befestigten Permanentmagneten 8 und 10. Die Permanentmagnete 8 und 10 sind vorzugsweise Kobalt-Seltenerd-Magnete oder bestehen aus einem anderen, stark permanentmagnetischen Material mit einem Energieprodukt von beispielsweise > 18 MGO. Die bogenförmigen Teile 4 und 6 können mit dem Joch 2 verschraubt, verklammert oder verklebt sein oder mit diesem eine Einheit bilden. Das Joch 2 kann ein durchgehendes Rohr sein; vorzugsweise besteht es jedoch zusammen mit den bogenförmigen Teilen 4 und 6 aus einem Stapel von zu einem Rohr zusammenlaminierten Stanzteilen,die durch Schweißnähte, Nieten oder andere, die magnetischen Eigenschaften des Laminierproduktes nicht beeinträchtigende Mittel zusammengehalten werden.

Fig. 1 zeigt den Kern einer Statoranordnung für einen Servomotor, dessen Rotor sich im Uhrzeigersinn dreht. In den mit B bezeichneten und von einer Strichpunktlinie markierten Bereichen wirkt das Rotorfeld dem Statorfeldfluß entgegen, während es in den ähnlich gekennzeichneten und mit A bezeichneten Bereichen den Statorfeldfluß verstärkt. Wie bereits erwähnt, wird die Leistung der erfindungsgemäßen Servomotoren dadurch gesteigert, daß bestimmte Verhältnisse zwischen den radialen Dicken verschiedener Bauteile der Permanentmagnetstatoranordnung untereinander und gegenüber dem Innendurchmesser (I.D.) des Statorkernes eingehalten werden. Es hat sich gezeigt, daß man die Motorleistung dadurch erhöhen kann, wenn das Verhältnis von radialer Dicke I₂, die sich aus der radialen Dicke 1- der Permanentmagneten 8 und 10 und der radialen Dicke I₃ der bogenförmigen Teile 4 und 6 aus magnetisierbarem Material zusammensetzt, zur Summe der radialen Dicken der Permanentmagnete 8

und 10, der bogenförmigen Teile 4 und 6 aus magnetisierbarem Material und dem Statorjoch 2 in einem zweipoligen Motor 0,44 + 20 % beträgt, oder allgemein, für einen zwei- oder mehrpoligen Motor einen Wert von 1 :(1+—£—)± 20 % aufweist, wobei P für die Anzahl der Magnetpole steht. Die Motorleistung wird weiter verbessert, wenn das Verhältnis von I₃ zum Innendurchmesser zweier einander gegenüberstehender Pole (I.D.) bei einem zweipoligen Motor 0,39 + 15%-5% oder, allgemein, für einen zwei-oder mehrpoligen Motor (1+ ^jr^-) : 5,83 +15% -5% beträgt.

Eine weitere Erhöhung der Motorleistung wird erzielt, wenn das Verhältnis von I₂ zum Innendurchmesser I.D. 0,17 ± 15% ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Statoranordnung für eine bestimmte Größe von Servomotoren ist in annähernd natürlicher Größe wiedergegeben.

Fig. 2 ist die maßstabgetreue Darstellung der mit Permanent-r magneten versehenen Statoranordnung aus Fig. 1. Die unterhalb der Permanentmagnete 8 und 10 angeordeneten bogenförmigen Teile 4 und 6 bilden eine Einheit mit dem Joch 2. Die Statoranordnung weist zwei mit 11 und 12 bezeichnete vertiefte Bereiche zwischen den Polen auf.

Die überlegenen Leistungseigenschaften der erfindungsgemäßen Servomotoren werden in den Fig. 3 bis 8 durch den direkten Vergleich mit einem Servomotor herkömmlicher Bauart verdeutlicht.

Fig. 3 zeigt vergrößert die Feldlinienverteilung in einer Hälfte des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Stators im zugehörigen Servomotor bei einer Stromstärke von 27,8 Ampere, die an eine konventionell gewickelte Eisenkern-Rotorarmatur angelegt wird. Das Rotorbauteil 13 weist eine Vielzahl von in der Figur schematisch dargestellten Schlitzen 14 für die Wicklungen auf. Der bogenförmige Permanentmagnet 8 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen MagnetSegmenten; vorzugsweise besteht der Magnet 8 aus einem oder zwei Segmenten. Das Joch 2 weist die Aussparungen 11 und 12 auf. Die dünnen, unregelmäßigen Linien stellen den Verlauf der Magnetfeld-

linien im Stator am Dauerblockierungspunkt des Motors dar. In den vertieften Bereichen 11 und 12 finden sich so gut wie keine Feldlinien und der Winkel des Polverschiebungsvektors, der durch den Verlauf der Feldlinien gegeben ist, beträgt 8°. Mithilfe der Maßtabelle am unteren Rand der Fig. 3 kann der Abstand der Feldlinien vom Mittelpunkt des Servomotors und die ungefähre Größe des Servomotors in cm abgelesen werden.
Fig. 4 zeigt eine Hälfte des Feldlinienverlaufs in einem vergleichbaren Servomotor herkömmlicher Bauart mit einem Statorjoch 16, dem Permanentmagneten 17 und einer mit einer Vielzahl von Schlitzen 19 versehenen Rotorarmatur 18. Der Außendurchmesser (O.D.) von Joch 16 entspricht demjenigen von Joch 2 aus Fig. 3, und der Außendurchmesser (O.D.) des Rotors 18 ist gleich dem Außendurchmesser des Rotorbauteiles 13 in Fig. 3. Die unregelmäßigen Linien zeigen den Feldverlauf beim Anlegen eines Stromes von 27,8 Ampere unter der gleichen Last wie inFig. 3. Die Zahl der Feldlinien in den Bereichen 20 und 21 (Fig. 4) hat zugenommen und der PoI-Verschiebungsvektor beträgt 11°. Die Feldabweichung, die durch die bereits beschriebene Reaktion des Rotors bewirkt wird, ist in Fig. 3 somit um 3° geringer als in Fig. 4. Fig. 5 zeigt eine Hälfte des Feldlinienverlaufs bei Anlegen eines Stromes von 192 Ampere an das Rotorbauteil 13 des erfindungsgemäßen Servomotors aus den Fig. 1, 3 und 3. Diese Stromstärke stellt das Doppelte der maximalen Nennstromstärke dar. Einige Feldlinien verlaufen durch die vertieften Bereiche 11 und 12 zwischen den Polen, die Feldabweichung beträgt 33°.

Fig. 6 zeigt in gleicher Darstellung den Feldlinienverlauf bei Anlegen einer Stromstärke von 192 Ampere an den herkömmlichen Servomotor entsprechend Fig. 4. Obwohl die Last gleich groß ist wie in Fig. 5, ist die Zahl der Feldlinien im Zwischenpolbereich 20 bzw. 21 gegenüber der im Zwischenpolbereich 11 bzw. 12 (Fig. 5) deutlich größer. Diese größere Anzahl von Feldlinien ist ein Indiz für eine stärkere Reaktion des Rotorbauteiles und damit für eine schlechtere Lei-

stung des Motors» Der Feldverschiebungsvektor weist einen Winkel von 50° auf, was einer um 17° größeren Feldabweichung gegenüber dem in Fig. 5 dargestellten erfindungsgemäßen Servomotor entspricht.

Die geringere Anzahl der Feldlinien im Zwischenpolbereich und die geringere Feldabweichung entsprechend Fig. 5 bedeuten eine schwächere Reaktion des Motors und damit eine verbesserte Leistung des erfindungsgemäßen Servomotors. Die Kurven in den Fig. 7 bzw. 8 zeigen das Leistungsverhalten des erfindungsgemäßen Servomotors entsprechend Fig. 1, 2, 3 und 5 und eines vergleichbaren Servomotors herkömmlicher Bauart entsprechend Fig. 4 und 6 (Fig. 8). Wie aus den Kurven ersichtlich, kann der erfindungsgemäße Servomotor während eines Beschleunigungs- und Abbremsvorganges zwischen 5000 und 3000 Umdrehungen pro Minute 11,7 PS kommutieren, während es beim herkömmlichen vergleichbaren Servomotor nur 8,7 PS sind. Der erfindungsgemäße Motor kann also eine um 34% höhere Leistung als vergleichbare Motoren herkömmlicher Bauart kommutieren. Beide Motoren haben dabei einen konventionell gewickelten Eisenkernläufer.

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Claims

KURFÜRSTENDAiViivi 170
403-41 1000 BERLIN 15

15. DEL 1383

KOLLMORGEN TECHNOLOGIES CORPORATION

Dallas, Texas, V.St.v.A.

Gleichstrom-Servomotoren mit einem
Permanentmagnet-Kommutator

Patentansprüche:

2C\1L·,'' Mit Permanentmagneten und einem Kollektor ausgestatteter Gleichstrom-Servomotor mit einem Schnittbandeisenläuferkern und einer Permanentmagnete enthaltenden
Statoranordnung mit einem ringförmigen Joch aus magnetisierbarem Material und einer Mehrzahl , am inneren Umfang des Joches angeordneter Permanentmagnet-Pole, die sich
im gleichen Abstand von der Achse des Joches und voneinander befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole von bogenförmigen Permanentmagneten gebildet werden, die unter Zwischenschalten von bogenförmigen Segmenten aus magnetisierbarem Material mit dem Joch fest verbunden sind, so daß zwischen den Polen eine der Dicke der Segmente aus magnetisierbarem Material und der Permanentmagnete entsprechende Zone gebildet wird, die frei von
magnetisierbarem Material ist, wobei das Verhältnis von

gemeinsamer radialer Dicke (I₂, Fig. 1) des bogenförmigen Segmentes aus magnetisierbarem Material und des zugeordneten Permanentmagneten zur gemeinsamen, radialen Dicke (I₃,

Fig. 1) von bogenförmigem Segment, zugehörigem Permanentmagnet und Joch,

J* = —J ₊ 20 %

I₃ 1 + 2^56 -

ρ
wenn P die Anzahl der Permanentmagnetpole ist.
2. Servomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statoranordnung zwei Permanentmagnetpole aufweist und das Verhältnis I₂:1₃ = 0,44 ± 20 % ist.
3. Servomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der gemeinsamen, radialen Dicke (I₃, Fig. 1) von bogenförmigen Segment, zugehörigem, bogenförmigen Permanentmagnet und Joch zum inneren Durchmesser (I.D., Fig. 1) zwischen einander gegenüberstehenden Permanentmagnetpolen, „

ist.

I₃ _ ' P + 15 %

I.D. 5,83 " ⁵
4. Servomotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der gemeinsamen radialen Dicke (I₃, Fig. 1) von bogenförmigem Segment, zugehörigem bogenförmigen Permanentmagnet und Joch zum inneren Durchmesser (I.D., Fig. 1) zwischen einander gegenüberstehenden Permanentmagnetpolen, I₃:I.D. = 0,39 +15% - 5% ist.
5. Servomotor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der gemeinsamen Dicke (I₂) des bogenförmigen Segmentes und des bogenförmigen Permanentmagneten zum inneren Durchmesser (I.D.) zwischen einander gegenüberstehenden Permanentmagnetpolen, I₂: I.D. 0,17 + 15 % ist.
β. Servomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Joch und die bogenförmigen Segmente aus einem Stück bestehen.
7. Servomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Joch Röhrenform aufweist.
8. Servomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ring- und bogenförmigen Statorteile aus einem Laminat aus Lamellen aus magnetisierbarem Material bestehen.
9. Servomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bogenförmigen Statorsegmente aus magnetisierbarem Material am Joch befestigt sind.
10. Servomotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetpole aus einem Material mit hohem Energieprodukt bestehen.
11. Servomotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Permanentmagnetpole ein Energieprodukt aufweist, das größer/gleich 18 Megagaussoersted ist.