DE3700774A1

DE3700774A1 - Dauermagneterregte dynamomaschine mit genutetem blechpaket

Info

Publication number: DE3700774A1
Application number: DE19873700774
Authority: DE
Inventors: Martin Burgbacher
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1986-01-13
Filing date: 1987-01-13
Publication date: 1987-08-27
Anticipated expiration: 2007-01-14
Also published as: DE3700774C2; US4998032A; USRE35763E; US5170083A

Description

Die Erfindung betrifft eine dauermagneterregte Dynamomaschine mit genutetem Blechpaket, insbesondere einen kleinen, kollektor losen Gleichstrommotor mit permanentmagnetischen Rotorpolen relativ hoher Induktion.

Bei gattungsgemäßen Motoren, sogenannten dauermagnetisch erregten Maschinen (DEM), entstehen aufgrund der Wechselwirkung zwischen Nutschlitzen und den Kanten der magnetisierten Pole störende Drehmomente, die einen glatten Rundlauf der Maschine verhindern. Ist die Lücke zwischen den magnetisierten Polen kleiner, sind die störenden Ruckmomente (sogenanntes Nutrucken) eher größer.

Wenn man gattungsgemäße Motoren in signalverarbeitenden Geräten mit Vorschriften für extreme räumliche Kompaktheit einsetzen will, ist man gezwungen, besonders starke Permanentmagnete für den Rotor, sogenannte "Seltene-Erde-Magnete", z. B. aus einer Samarium-Kobalt-Legierung zu verwenden. Wird ein solcher Motor für einen Plattenspeicher, dessen Speicherplatte nur 3,5 oder 5 1/4 Zoll beträgt, verwendet und dieser auch noch im Innern der Plattennabe (mit 40 oder sogar nur 25 mm Außendurchmesser) angeordnet werden muß, wenn man also aus einem derart kleinen Bauvolumen eine relativ hohe Leistung herausholen muß, wird man außer einem Seltene-Erde-Magnet für hohe Luftspaltinduktion auch eine Mehrphasenwicklung verwenden, obwohl das für die Fertigung unbequem ist wegen der extremen Kleinheit. Der wesentlich zylindrische Luftspalt ist im allgemeinen dann auch im Fall ei ner Außenläuferkonstruktion radial außerhalb der zylindrischen Außenfläche des Stators um diesen herum angeordnet und radial relativ klein.

Der permanentmagnetische Rotor ist im allgemeinen aus dünnen Halb- oder Viertel-Schalen oder radial dünnen axial übereinan dergesetzten Ringen aufgebaut. Die radiale Dünnheit dieser Rotormagnete kommt vom sehr begrenzten Durchmesser des Motors. Für extrem kleine Hochleistungsmotoren muß man den Luftspalt außerdem minimal halten (Luftspalt: elektromotorisch wirksamer mittlerer Abstand zwischen Eisenoberfläche des Stators und Ei senoberfläche des Rotors). So besteht bei der Kombination hohe Induktion, genuteter Stator und möglichst kleiner Luftspalt das Problem, für einen Motor mit möglichst konstantem Drehmoment das störende sogenannte Nutrucken zu reduzieren oder möglichst zu verhindern, in besonders scharfer Weise.

Wenn der permanentmagnetische Rotor auch noch trapezförmig magnetisiert ist, hat das Leistungsvorteile, gleichzeitig ver schärft sich das Problem jedoch zusätzlich gegenüber den Ver hältnissen bei sinusförmiger Magnetisierung.

Aus der DE-OS 28 23 208 ist bekannt, zur Reduzierung der dritten Oberwelle im Drehmomentverhalten eine gewisse Periodi zität in der Statorfläche am Luftspalt vorzusehen, so daß über dem Umfang in periodischer Weise der Luftspalt variiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Motoren der ein gangs genannten Art einen ruhigen Lauf trotz hoher Feldkonzen tration im Luftspalt zu erreichen.

Die Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäßen peripher kurzen Erhöhungen verengen den Luftspalt über dem Statorpol partiell und wirken wie "magneti sche Nocken", sie üben Kräfte auf den Rotor aus, die zur Ver gleichmäßigung des Drehmoments ausgenutzt werden. Der im allge meinen etwa rechteckige Querschnitt dieser Nocken kommt bei ei ner wichtigen Ausführungsform in (oder auf) die Mitte eines Statorpoles.

Die Erfindung wird bei eingangs genannten Motoren mit zylindri schem Luftspalt und genutetem Innenstator mit einer Mehrphasen wicklung, die überlappungsfrei eingelegt ist, bevorzugt ange wendet.

Weiterbildungen der Erfindung bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Zeichnungen zeigen

Fig. 1a einen abgewickelten Längsschnitt eines erfindungsge mäßen Motors einer ersten Ausführung, bei dem das Verhältnis der Statorpolzahl zur Rotorpolzahl z. B. 3 zu 2 oder 6 zu 4 ist;

Fig. 1b zugehörig den gleichzeitigen Verlauf des störenden Nutruckens 1 und den Verlauf des nützlichen Ruckmo mentes 2 nach der Erfindung.

Fig. 2a, 2b zeigen ein alternatives oder zusätzlich anzuwenden des Element mit ähnlicher Wirkung wie das erste Aus führungsbeispiel gemäß Fig. 1a.

Fig. 3a und Fig. 3b zeigen eine fertigungsfreundliche Ersatzlösung zu Fig. 2a und Fig. 2b, wobei Fig. 2a und 3a jeweils die Stirnansicht in axialer Richtung und die Fig. 2b und 3b je weils einen Schnitt durch die Darstellung gemä8 Fig. 2a bzw. 3a zeigt.

Fig. 4 zeigt im wesentlichen die erste Ausführungsvariante gemäß Fig. 1a, in etwa 4-facher, natürlicher Größe, wobei der Luftspalt zum Statorpolende hin jeweils wieder auf die zylindrische Hüllfläche, die auch die erfindungsgemäße Erhebung umgibt, sich hin reduziert,

Fig. 5 eine zweite Ausführung, bei der zum Polende radial spitzenartig auslaufende Enden vorgesehen sind.

Fig. 6a, 6b zeigen die Statorkonturen von Fig. 4/5 in vergrößerter Darstellung.

Im einzelnen:

Fig. 1a zeigt die teilweise Abwicklung eines 6poligen Stators mit den konzentrierten Polen 11, 12, 13 und eines 4poligen Rotors mit den Permanentmagnetpolen 21, 22, 23, zwischen denen die umfangsmäßig engen Pollücken 25, 26 angeordnet sind, wäh rend die Statornutöffnungen 14, 15 mit ihrer Breite ′s′ den Ab stand zweier Statorpolenden bedeuten, sieht man konzentrisch auf der Mitte jedes Statorpols die magnetischen Nocken 3, (Ziffer 113, 123, 133) mit ihrer Umfangserstreckung ′a′, wobei die Höhe dieser Nocken ′h′ bedeutet. Zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 20 ist der Luftspalt 30, der von den Statorpolköpfen und den Permanentmagneten des Rotors 21, 22, 23 begrenzt wird. Eine weichmagnetische Rückschlußschicht 24 umgibt die vier Ro torpole 21ff. Bei Rotation, d. h. Bewegung des Rotors 20 in Richtung des Pfeiles 27 entsteht durch das Zusammenwirken der Statornutöffnung 14 und der Rotorpollücke 25 das störende Nut rucken, d. h. das Ruckmoment gemäß Kurve 1 in der Fig. 1b. Gleichzeitig (!) entsteht im Abstand der Rotorpolteilung Tau-P-Rotor, durch das Zusammenwirken des magnetischen Nockens 133 mit der Rotorpollücke 26 das gegenphasige Ruckmoment gemäß Kurve 2, und zwar im Bereich der Rotorpollücke 26. Fig. 1c zeigt die Superposition der Kurven 1, 2. Der Momentenverlauf des schädlichen Nutruckens entsteht, wenn der Permanentmagnet hoher Induktion, z. B. 21, mit seinem Ende (im Bereich der Pollücke 25) vom Statorpol 11 über die offene Nut 14 hinweg auf dem benachbarten Statorpol 12 wandert.

Messungen haben dies bestätigt und gezeigt, daß dann, wenn die Kante z. B. der Nut 14 sich zwischen den Polen, z. B. zwischen 21 und 22, befindet, das maximale Ruckmoment entsteht, wie man das in Fig. 1 b aus dem Verlauf der Kurve 1 erkennen kann. Deshalb entspricht der Abstand der Maxima der Kurve 1 der Breite s der Nutöffnungen, z. B. 14.

Um nun auch den Abstand b der Maxima des erfindungsgemäßen Kompensationsmomentes (Kurve 2) der Nocken 3 an diesen Abstand s anzugleichen, ist es wichtig, die Nockenbreite a in diesem Sinn zu optimieren. Denn für b=s ist das störende Moment (Kurve 1) durch die Kurve 2 voll kompensiert. Diese optimale Nockenbreite liegt im Bereich a=0,5 ... 1xs, wird jedoch von der Induktionsverteilung des Dauermagneten beeinflußt.

Es hat sich also gezeigt, daß durch über einem Statorpol in Umfangsrichtung kurze Luftspaltverengungen sich ebenfalls Ruckmomente erzeugen lassen, die bei entsprechender Positionie rung und Dimensionierung der "magnetischen Nocken" (3) einen praktisch gleichen Verlauf haben wie die der Nut-Schlitze (Vergleich Kurve 1). Ordnet man diese "Nocken" so an, daß ihr mittlerer Abstand zu dem entsprechenden Nut-Schlitz gleich einer Polteilung des Rotors (p) oder ein ganzzahliges Viel faches von ihr ist, dann verläuft das Ruckmoment der "Nocken" genau invers zu dem der Schlitze, d. h., das Nutrucken wird kompensiert. (Vgl. Kurve 2)

Die umfangsmäßige Breite a dieses Nockens, also sein Abmessung in Umfangsrichtung, darf nur einen kleinen Bruchteil der Sta torpolteilung ausmachen. Es gibt ein Optimum zwischen dieser Umfangsbreite a des Nockens und der Nutschlitzbreite s zwischen diesen Statorpolen (oder Statorzähnen), so daß sogar eine sehr kleine Nockenbreite a u. U. sogar zusätzlich eine gleich zeitige Nuterweiterung, weil sonst gleiche Verhältnisse, er möglicht (welches für die Wicklungsherstellung fertigungs freundlich ist).

Insbesondere bei einem 6nutigen Motor für eine 3phasige Wick lung mit 4 Rotorpolen, wie sie aus der DE-OS 31 22 049 be kannt ist, zeigte es sich, daß die Erfindung eine hervorragen de Reduzierung dieses unerwünschten Nutruckens erbrachte.

Aus Optimierungsversuchen ließ sich auch erkennen, daß Ver engungen des Luftspaltes zu den Enden der Statorköpfe hin durch auch radial hervorragende Stellen, z. B. Spitzen am Statorpolende, wie sie aus der DE-OS 29 19 581 oder DE-OS 30 49 494 bei sogenannten Reluktanzmotoren bekannt sind, für das vorliegende Problem eine weitere Verbesserung bringt.

Spitzen (6) an den Zahnkopfenden entsprechend Bild 5 haben ähnliche Wirkung wie Nocken. Da jedoch ihr Abstand A immer größer als die Nutöffnungsbreite s ist, hat ihre Kurve 2 ^x eine kleinere Amplitude, deren Lage auch von der Nutmitte weg ver schoben ist. Dies hat eine relativ große Oberwelle zur Folge, weshalb diese Spitzen durch mit einem noch schmäleren Nocken kombiniert optimal sind (a ^x=0,3.S bis 0,8.S). Erstaunlicher weise zeigt sich, daß die gleichen Verhältnisse bei gleich zeitig reduzierter Nockenhöhe h ^x=0,05 bis 0,2 mm erreicht werden und somit eine weitere günstige Reduzierung der mittle ren Luftspaltweite möglich ist.

In Fig. 1a/1b wird dies dargestellt, indem diese zweite Lösung (die Anspruch 6 entspricht) strichpunktiert/gepunktet eingezeichnet wird. Die Kompensationswirkung der aufgesetzten Spitzen 111, 112 entspricht Kurve 2 ^x, die des peripher kürze ren Nockens 3 ^x der Kurve 2 ^xx (vgl. Fig. 1b). Beide Wirkungen geschehen gleichzeitig zur Gesamtwirkung wie Kurve 2, jedoch stellt sich dieses Ergebnis bei kleinerem h ^x ein, wodurch die mittlere Luftweite kleiner und der Motor stärker wird. Diese überraschende Weiterbildung ist um so mehr willkommen, als bei Motoren ein gewisses Übermaß für Fer tigungstoleranzen zusätzlich zum theoretisch minimalen Luft spalt dazukommen muß und beim Luftspalt bei Motoren dieser Kleinheit jeder 1/10 mm von Bedeutung ist.

Die Nockenhöhe h bestimmt die Höhe (Amplitude) des Maximums. Diese wird im Rahmen der üblichen Luftspaltbreiten (0,3 mm bis 0,6 mm) als h=dementsprechend 0,1 mm bis 0,3 mm hoch ausge führt werden können (Fall der Fig. 4). Um die durch die Nocken zusätzlich entstehende mittlere Luftspalterweiterung möglichst klein zu halten, wird außerdem vorgeschlagen, den Durchmesser zum Nutschlitz hin entsprechend Bild 4 kontinuierlich auf den Nockendurchmesser hin zu erweitern. (Anspruch 8)

Alternativ oder zusätzlich kann eine "Nocken-ähnliche" Wirkung bereits im Nutschlitz-Bereich erzeugt werden durch magnetisches Verschließen derselben mittels ferromagnetischer Nutteile wie an sich aus der DE-AS 11 94 043 bekannt.

Grundsätzlich erscheint es möglich, die Erfindung auch bei ge nuteten Rotorblechen anzuwenden. Wenn diese sich im Feld von (dann statorseitigen) Permanentmagneten drehen, kann der Gleich lauf erfindungsgemäß auch dort verbessert werden. Diese Varian te bedeutet jedoch die Erfordernis eines mechanischen Kollek tors. Derartige Motoren können in Sonderfällen auch die Ver besserung ihrer Laufeigenschaft durch Reduzierung des Nut ruckens nötig haben.

Fig. 2a zeigt ans Statorblechpaket angenietete ferromagneti sche Winkel 33, die mit ihrem axial gerichteten Schenkel 34 über das Blechpaket 36 hinausstehen, so daß zwischen ihnen und dem Außenrotormagnet N der Luftspalt verringert wird. Daher wirken diese axial gerichteten Schenkel 34 in der Polmitte wie magnetische Nocken nach der Erfindung. Die Lösung ist sicher ein Kompromiß, denn insgesamt bedeutet das, daß der wirksame Luftspalt zwischen dem Rotor und Stator (N, 36) relativ groß ist. Allerdings muß man dafür kein besonderes Stanzwerkzeug für die Herstellung des Blechpakets 36 vorsehen. Die Winkel werden axial beidseitig an die Stirnfläche des Statorblech pakets angesetzt, wie Fig. 2b zeigt. Der axial überstehende Rotormagnet bewirkt jedoch zusammen mit dem axial über das Statorblechpaket überstehenden Winkel 33, insbesondere dessen axial gerichteter Schenkel 34, eine effektive billige Anwendung der Erfindung oder verbessert möglicherweise zusätzlich effek tiv eine Anordnung gemäß Fig. 1

Fig. 3a, 3b zeigen, wie man die Winkel 34 durch Endbleche mit angesetzten, abgewinkelten, axial vorkragenden Lappen 37 ersetzen kann.

In Fig. 5 ist wie in Fig. 1a strichpunktiert angedeutet eine Verringerung des Luftspaltes zu den Statorpolenden hin vorge sehen, so daß die Maxima der entsprechenden Drehmomentwirkungen (Kurven 2 ^x) weiter auseinander liegen (dem Abstand A entspre chen) als die Nutöffnungsbreite s. Der Effekt wurde unter Fig. 1 erläutert. Im Bereich um die Mitte zwischen der jeweiligen Sta torpolmitte und einem beliebigen Statorpolende wird eine kreis runde, zylindrische Anhebung 102, 105 zur zylindrischen Hüllfläche 103 hin von der Vertiefung neben dem Nocken 3 ^x ausgehend bis zur Vertiefung neben der Spitze 111 am Statorpolende sich er streckend so vorgesehen, daß der mittlere Luftspaltdurchmesser effektiv verringert wird (vgl. Anspruch 13 und Fig. 6 b Stator pol ST II). Der Krümmungsradius R dieser Anhebung 102, 105 ist wesent lich kleiner als der der Hüllfläche 103, 100, 104.

Claims

1. Dauermagneterregte Dynamomaschine mit genutetem Blechpaket, insbesondere ein kleiner, kollektorloser Gleich strommotor mit permanentmagnetischen Rotorpolen relativ hoher Induktion, wobei die jeweils konzentriert ausgebilde ten Pole des Stators an ihrer dem Luftspalt zugewandten Außenfläche so gestaltet sind, daß im Bereich eines Stator pols ein insbesondere periodisch veränderlicher Luftspalt ge geben ist, dadurch gekennzeichnet, daß Statorpole an ihren Außenflächen axial verlaufende Erhöhungen etwa in Form von Nocken (3) aufwei sen, die dem Luftspalt zugewandt sind und umfangsmäßig je weils nur einen Bruchteil der Statorpolteilung breit sind, und am Statorumfang im Abstand von n Rotorpolteilungen (n=1, 2, 3 ...) von Statornutöffnungen angeordnet sind.

2. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen (3) in der Statorpol mitte jeweils vorgesehen sind, wobei Statorpolzahl zu Ro torpolzahl sich wie 6 zu 4 verhalten.

3. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die umfangsmäßige Erstreckung der Erhöhung (3) (Nockenbreite a) dem 0,5- bis 1fachen der Breite der Statornutöffnung (s) entspricht.

4. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt unmittelbar neben dem Nocken (3) maximal groß ist und zu den Statorpol enden hin auf den Wert über dem Nocken abnimmt (Bild 4).

5. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) des Nockens (3) bei einer effektiven Luftspaltweite von 0,3 bis 0,6 mm 0,1 bis 0,3 mm beträgt.

6. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach Anspruch 1 oder 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnkopfenden radial zum Luftspalt hin spitzenartig auslaufen und die Umfangs-Erstreckung der Erhöhung (Nockenbreite a) dem 0,3 bis 0,8fachen der Breite der Stator-Nutöffnung entspricht.

7. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) des Nockens (3) 0,05 bis ca. 0,15 mm bei einer effektiven Luftspaltweite von 0,3 bis 0,6 mm beträgt.

8. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahme des Luft spaltes allmählich (stetig) erfolgt.

9. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahme des Luft spaltes stufenartig erfolgt.

10. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stator wicklung bei zylindrischem Luftspalt mehrphasig und insbe sondere überlappungsfrei gewickelt ausgeführt ist.

11. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magne tisierung des Rotors in Umfangsrichtung trapezförmig ver teilt ist, wobei der Rotormagnet vorzugsweise ein Seltener- Erde-Magnet ist.

12. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator dreiphasig ist und insbe sondere 6 Statorpole und 4 Rotorpole vorgesehen sind.

13. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach Anspruch 4 und An spruch 8 oder nach Anspruch 4 und Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der Luftspalt neben dem Nocken bald stark abnimmt, sodann nochmals zunimmt und schließlich zu den Statorpolenden hin wieder abnimmt.

14. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Außendurchmesser etwa 40 mm beträgt.

15. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Außendurchmesser etwa 25 mm beträgt.

16. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Außenrotor in eine Speicherplatte eingesetzt ist.