DE10051386A1

DE10051386A1 - Reluktanzmotor mit einem geweiteten Boden

Info

Publication number: DE10051386A1
Application number: DE10051386A
Authority: DE
Inventors: Naohisa Mimura; Yoshiyuki Takabe; Shinji Makita; Tomohiro Saitou; Hideji Yoshida
Original assignee: Asmo Co Ltd
Current assignee: Asmo Co Ltd
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2001-04-26
Also published as: US6441529B1; JP2001119907A

Abstract

Ein Reluktanzmotor umfaßt sowohl für seinen Rotor als auch seinen Stator einen Kern (1, 2), der einen zylinderförmigen Ring (4, 6) und eine Vielzahl von ausgeprägten Polen (3, 5) besitzt, die von dem Ring in einer radialen Richtung des Ringes vorspringen. Jeder Pol (3, 5) besitzt eine Bodenweite (D1) und eine Weite (D2) des oberen Endes in einer Umfangsrichtung des Kernes an seinem Boden bzw. an seinem oberen Ende. Die Bodenweite (D1) ist so bemessen, daß sie größer ist als die Weite (D2) des oberen Endes und der Ring besitzt eine Weite (W), die so bemessen ist, daß sie größer ist als eine Hälfte der Weite (D2) des oberen Endes des Poles. Der Pol (3, 5) kann so gestaltet sein, daß er eine runde oder abgerundete Ecke an dem Boden besitzt oder eine Trapezgestalt hat, bei der die Bodenweite (D1) größer ist als die Weite (D2) am oberen Ende. Der Kern (1, 2) kann eine Vielzahl von dünnen Magnetplatten (7, 8) aufweisen, die in einer axialen Richtung des Kernes gestapelt sind, wobei jede Platte (7, 8) eine Vielzahl von Schlitzen (9) in jedem Vorsprung, der den Pol bildet, aufweist, und wobei jede Platte (7, 8) eine Dicke besitzt, die kleiner ist als das fünffache einer maximalen Weite jedes Schlitzes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reluktanzmotor, der vielphasen halbwellen-erregt wird.

Ein Reluktanzmotor erzeugt ein hohes Ausgangsdrehmoment und besitzt eine einfache Konstruktion. Er wird jedoch nur in begrenzten Gebieten verwendet, da er eine hohe Welligkeit im Ausgangsdrehmoment erzeugt. Wenn ein vorspringender ausge prägter Pol eines Rotors und ein vorspringender ausgeprägter Pol eines Stators sich ein ander vollständig gegenüberliegen, d. h. in der Phase ausgerichtet sind und zwar wäh rend der Drehung des Rotors, nimmt der magnetische Widerstand zwischen den Polen ab, wodurch eine magnetische Sättigung bewirkt wird und damit die Rauhigkeit oder Welligkeit des Ausgangsdrehmoments verursacht wird.

Der Reluktanzmotor ist in typischer Weise so konstruiert, wie dies in Fig. 8 ge zeigt ist. Ein Rotor besitzt vorspringende Pole 100 an einem Rotorring 102, und ein Stator besitzt vorspringende Pole 101 an einem Statorring 103. Die Pole 100 und 101 ragen von den Ringen 102 und 103 jeweils vor. Es sei angenommen, daß jeder vor springende Pol 100 des Rotors die gleiche Weite oder Breite rD1 und rD2 (rD1 = rD2) an seinem Bodenabschnitt (Wurzel) und oberen Abschnitt (freies Ende) in einer Dreh richtung hat, und daß jeder vorspringende Pol 101 des Stators die gleiche Breite sD1 und sD2 (sD1 = sD2) an seinem Boden und oberen Abschnitt in Drehrichtung besitzt. In diesem Fall konzentriert sich der Magnetfluß in dem gewinkelten Eckenteil zwischen dem Pol und dem Ring. Als ein Ergebnis tritt eine magnetische Sättigung auf, wenn sich die Pole 100 und 101 vollständig in einer radialen Richtung gegenüberliegenden, wo durch das Ausgangsdrehmoment stark vermindert wird, wie dies in Fig. 3A gezeigt ist.

Es sei auch angenommen, daß der Ring 102 eine Weite oder Breite rW in der ra dialen Richtung besitzt, die kleiner ist als eine Hälfte der Weite rD2 des Poles 100 (rW < 0,5 × rD2), und daß der Ring 103 eine Weite sW in der radialen Richtung besitzt, die kleiner ist als die Hälfte der Weite sD2 des Poles 101 (sW < 0,5 × sD2). In diesem Fall kann der Magnetfluß, der in dem Pol erzeugt wird, nicht in ausreichender Weise in den Ring fließen, wodurch die magnetische Sättigung bewirkt wird, wenn sich die Pole 100 und 101 vollständig gegenüberliegen. Als ein Ergebnis fällt das Ausgangsdrehmoment scharf ab, wie dies in Fig. 4A gezeigt ist, was zu einer Welligkeit in dem Ausgangs drehmoment führt.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Reluktanzmotor zu schaffen, der einen geringeren Abfall im Ausgangsdrehmoment aufweist und damit eine geringere Welligkeit in dem Ausgangsdrehmoment zeigt und zwar selbst dann, wenn ausgeprägte Pole eines Rotors und eines Stators einander vollständig gegenüberliegen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Reluktanzmotor einen Kern für einen Rotor oder einen Stator. Der Kern besitzt einen zylinderförmigen Ring und eine Vielzahl von ausgeprägten Polen, die von dem Ring in einer radialen Richtung des Rin ges vorspringen. Jeder Pol besitzt eine Bodenweite und eine obere Weite in einer Um fangsrichtung des Kernes an dessen Boden, der mit dem Ring verbunden ist bzw. an seinem oberen Bereich, der von dem Ring abliegt. Die Bodenweite (D1) ist so bemes sen, daß sie größer ist als die obere Weite (D2) und der Ring besitzt eine Weite in einer radialen Richtung des Kernes, um wenigstens einer Hälfte des Magnetflusses in dem Pol zu ermöglichen durch den Ring zu verlaufen.

In bevorzugter Weise ist die Weite oder Breite des Ringes so bemessen, daß sie größer ist als eine Hälfte der oberen Weite des Poles. Der Pol ist so gestaltet, daß er eine runde Ecke am boden besitzt oder er ist trapezförmig gestaltet, wobei die Bodenweite größer ist als die obere Weite. Der Kern besitzt eine Vielzahl an dünnen magnetischen Platten, die in einer axialen Richtung des Kernes gestapelt sind, wobei jede Platte eine Vielzahl von Schlitzen in jedem Vorsprung, der den Pol bildet, aufweist und wobei jede Platte eine Dicke besitzt, die kleiner ist als das Fünffache einer maximalen Weite jedes Schlitzes.

Die oben angegeben und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung ergeben sich klarer aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht, die einen Reluktanzmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 2 eine teilweise vergrößerte Ansicht, die einen Rotor und einen Stator eines Reluktanzmotors gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;

Fig. 3A und 3B sind Kennliniendiagramme, welche die Ausgangsdrehmo mente der Reluktanzmotoren gemäß dem Stand der Technik bzw. gemäß der ersten Ausführungsform zeigen;

Fig. 4A und 4B sind Kennliniendiagramme, welche die Drehmomentaus gangsgrößen der Reluktanzmotoren gemäß dem Stand der Technik bzw. gemäß der er sten Ausführungsform zeigen;

Fig. 5 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht, die den Rotor und den Stator des Reluktanzmotors gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;

Fig. 6 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Langlebigkeit von Präge stempeln und einem Verhältnis der Plattendicke (b) zur Schlitzweite (a) zeigt;

Fig. 7 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht, die einen Rotor und einem Stator eines Reluktanzmotors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung zeigt; und

Fig. 8 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht, die einen Rotor und einen Stator ei nes Reluktanzmotors gemäß einem Stand der Technik veranschaulicht.

Erste Ausführungsform

Um zunächst auf Fig. 1 einzugehen, so umfaßt ein Reluktanzmotor einen Rotor kern 1 und einen Statorkern 2. Der Rotorkern 1 besitzt einen zylinderförmigen Ring 4 und eine Vielzahl von (z. B. 8) ausgeprägten Polen 3, von denen jeder von dem Ring 4 in der radialen Richtung nach außen vorspringt. Der Rotorpol 3 ist mit einer Vielzahl (z. B. 12) an Schlitzen 9 ausgestattet. Der Statorkern 2 besitzt einen zylinderförmigen Ring 6 und eine Vielzahl von ausgeprägten Polen 5, von den jeder von dem Ring 6 in der radialen Richtung nach innen vorspringt. Der Rotorkern 1 und der Statorkern 2 sind mit Hilfe einer Vielzahl von dünnen magnetischen Platten 7 und 8 konstruiert, die je weils in einer axialen Richtung gestapelt sind.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist der Rotorpol 3 so gestaltet, daß er unterschiedli che Weiten rD1 und rD2 in der Drehrichtung besitzt, d. h. in der Umfangsrichtung des Rotorkernes 1 und zwar jeweils an seinem Boden (Wurzel) als auch an seinem oberen Ende (freies Ende). Spezifisch ausgedrückt ist die Bodenweite rD1 so bemessen, daß sie größer ist als die obere Endweite rD2 (rD1 < rD2). Der Statorpol 5 ist ebenfalls so ge staltet, daß er unterschiedliche Weiten sD1 und sD2 an seinem Boden und seinem obe ren Ende jeweils besitzt. Spezifischer gesagt ist die Bodenweite rD1 so bemessen, daß sie größer ist als die obere Endweite sD2 (sD1 < sD2). Somit besitzen die Pole 3 und 5 jeweils geweitete Böden.

Die oben angeführten Abmaßbeziehungen werden dadurch erreicht, indem abge rundete Ecken an dem Boden des Poles vorgesehen werden, d. h. zwischen dem Ring und dem Pol sowohl in dem Rotorkern 1 als auch in dem Statorkern 2. Die abgerundete Ecke verringert die Konzentration des Magnetflusses in dem geweiteten Boden des Po les. Die Verminderung in dem Ausgangsdrehmoment wird minimiert, wie dies in Fig. 3B gezeigt ist, selbst wenn die Rotorpole 3 sich zu einer Position drehen, in der sie voll ständig in der Phase mit dem Statorpol 5 ausgerichtet werden, was dann zu einer gerin geren Welligkeit in dem Ausgangsdrehmoment während der Drehung des Rotorkernes 1 führt.

Wie ferner in Fig. 2 gezeigt ist, sind der Rotorring 4 und der Statorring 6 so ge staltet, daß sie Weiten rW bzw. sW in der radialen Richtung besitzen. Die Ringweiten rW und sW sind jeweils so bemessen, daß sie gleich sind mit oder größer sind als eine Hälfte der Weite rD2 des oberen Endes (rW . 0.5 × rD2) bzw. als eine Hälfte der Weite sD2 des oberen Endes (sW . 0.5 × sD2). Der Magnetfluß in dem Pol 5 wird in zwei Flüs se in dem Ring 6, wie dies durch strichlierte Linien in Fig. 1 gezeigt ist, aufgeteilt und damit kann die Weite sW des Ringes 6 die Hälfte der Weite sD2 des Poles 5 betragen. Jedoch sind bei dieser Ausführungsform rW und sW in bevorzugter Weise so bemessen, daß sie größer sind als 0.5 × rD2 bzw. 0.5 × sD2.

Gemäß dieser Abmaßbeziehung der Ringe 4 und 6 nimmt der Magnetfluß zu und zwar mit abnehmendem magnetischen Widerstand, wenn sich der Rotorpol 3 zu einer Position dreht, in der er vollständig dem Statorpol 5 gegenüberliegt. Der vergrößerte Magnetfluß in den Polen kann dann in die Ringe ohne eine magnetische Sättigung flie ßen. D. h. die Konzentration des Magnetflusses wird reduziert und die magnetische Sät tigung wird eingeschränkt. Somit fällt das Ausgangsdrehmoment weniger stark ab, wie dies in Fig. 4B gezeigt ist, und zwar selbst dann, wenn sich der Rotorpol zu der Position hin dreht, in welcher er vollständig dem Statorpol 5 gegenüberliegt.

Jeder Schlitz 9, der in dem Rotorpol 3 ausgebildet ist, erstreckt sich in der ra dialen Richtung und in der axialen Richtung des Rotorkernes 1, wie dies in den Fig. 1 und 5 gezeigt ist. Die Schlitze 9 richten den Magnetfluß, der durch den Rotorpol 3 verläuft in solcher Weise, daß dieser in der radialen Richtung fließt, so daß der Magnet fluß zunimmt, wenn sich der Rotorpol 3 dichter zu dem Statorpol 5 hin dreht. Somit wird die Welligkeit in dem Ausgangsdrehmoment noch stärker reduziert.

Die Schlitze 9 werden in bevorzugter Weise mit Hilfe eines Preßprozesses aus gebildet und zwar zur gleichen Zeit, zu der der Rotorkern 1 in seine Gestalt gepreßt wird, so daß der Herstellungsprozeß minimiert werden kann. Ein Preßprägestempel, der bei dem Preßprozeß verwendet wird, wird in bevorzugter Weise so lange wie möglich verwendbar gehalten, um die Herstellungskosten zu reduzieren. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, variiert die Lebensdauer des Prägestempels, d. h. die Zahl der erzielbaren Preßopera tionen (Schüsse) mit einem Verhältnis b/a der Dicke (b) von jeder Rotorplatte 7 zur Weite oder Breite (a) von jedem Schlitz 9. Das Verhältnis b/a sollte auf etwa 5 begrenzt werden. D. h. die Rotorplattendicke sollte so begrenzt werden, daß sie kleiner ist als das Fünffache oder ähnlich von der maximalen Schlitzweite, so daß der Preßprägestempel so häufig wie möglich verwendet werden kann.

Zweite Ausführungsform

Bei einer zweiten Ausführungsform, die in Fig. 7 gezeigt ist, ist jeder der Pole 3 und 5 in eine Trapezgestalt gestaltet, wobei die Bodenweiten rD1 und rD2 größer aus ausgeführt sind als die Weiten rD2 bzw. sD2 der oberen Enden. Diese zweite Ausfüh rungsform liefert auch den gleichen Vorteil wie die erste Ausführungsform.

Modifikation

Die Schlitze 9 können lediglich in dem Statorpol 5 oder sowohl in den Polen 3 und 5 ausgebildet sein. Jeder Schlitz 9 braucht nicht aus einem geschlossenen Typ be stehen, sondern kann auch aus einem offenen Typ bestehen, bei dem der Schlitz 9 durch die obere Oberfläche des Rotorpoles hindurch verläuft. Die Schlitze 9 in jedem Pol brauchen nicht vollständig miteinander ausgerichtet zu sein, sondern können unter schiedlich in der Länge oder in der Position sein, um dadurch noch weiter die Welligkeit des Ausgangsdrehmoments zu reduzieren.

Ferner können die Schlitze unterschiedlich zwischen benachbarten zwei der dünnen Magnetplatten in einer solchen Weise ausgebildet sein, daß wenigstens eine der Positionen, Zahlen und Weiten der Schlitze unterschiedlich sind gegenüber den Vor sprüngen, welche den gleichen Pol bilden. Die Schlitze können in unterschiedlicher Weise zwischen benachbarten zwei Gruppen von dünnen Metallplatten in solcher Weise ausgebildet sein, daß wenigstens eine der größten wie die Positionen, Zahlen und Wei ten der Schlitze unterschiedlich ist in bezug auf die Vorsprünge, die den gleichen Pol bilden. Die Schlitze können in unterschiedlicher Weise zwischen benachbarten zweien der Vorsprünge von jeder dünnen Magnetplatte in solcher Weise ausgebildet sein, daß wenigstens eine der Größen gemäß den Position, Zahlen und Weiten der Schlitze unter schiedlich ist, und die dünnen Magnetplatten können übereinander gestapelt sein, derart, daß die Vorsprünge mit den unterschiedlichen Schlitzgestalten in der axialen Richtung gestapelt sind.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben erläuterten Ausführungsformen und Modifikationen beschränkt, sondern kann auf viele andere Wege implementiert werden, ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Reluktanzmotor, mit:
einem Kern (1, 2) mit einem zylinderförmigen Ring (4, 6) und einer Vielzahl von ausgeprägten Polen (3, 5), die von dem Ring in einer radialen Richtung des Rin ges vorspringen,
bei dem jeder Pol eine Bodenweite (D1) und eine Weite des oberen Endes (D2) in einer Umfangsrichtung des Kernes an dessen Boden, der mit dem Ring verbunden ist, bzw. an seinem oberen Ende besitzt, welches von dem Ring abliegt, wobei die Bodenweite (D1) so bemessen ist, daß sie größer ist als die Weite (D2) des oberen Endes, und
bei dem der Ring eine Weite (W) in einer radialen Richtung des Kernes hat, so daß wenigstens eine Hälfte des Magnetflusses in dem Pol durch den Ring hin durch verlaufen kann.

2. Reluktanzmotor nach Anspruch 1, bei dem die Weite (W) des Ringes so bemessen ist, daß sie größer ist als eine Hälfte der Weite (D2) des oberen Endes des Poles.

3. Reluktanzmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Pol so gestaltet ist, daß er eine abgerundete Ecke an seinem Boden aufweist.

4. Reluktanzmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Pol (3, 5) in einer Tra pezform gestaltet ist, bei der die Bodenweite (D1) größer ist als die Weite (D2) des oberen Endes.

5. Reluktanzmotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Kern (1, 2) eine Vielzahl von dünnen Magnetplatten (7, 8) besitzt, die in einer axialen Richtung des Kernes gestapelt sind;
jede Platte (7, 8) eine Vielzahl von Schlitzen (9) in jedem Vorsprung, der den Pol bildet, besitzt; und
jede Platte (7, 8) eine Dicke aufweist, die kleiner ist als das Fünffache einer ma ximalen Weite von jedem Schlitz.

6. Reluktanzmotor nach Anspruch 5, bei dem der Schlitz (7, 8) sich in der radialen Richtung des Kernes lediglich innerhalb einer Fläche des oberen Endes des Ker nes erstreckt.

7. Reluktanzmotor nach Anspruch 5, bei dem der Schlitz (7, 8) sich durch eine Flä che des oberen Endes des Poles in der radialen Richtung des Kernes erstreckt.

8. Reluktanzmotor nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die Schlitze in unterschiedlicher Weise zwischen benachbarten zwei der dünnen Magnetplatten in einer solchen Weise ausgebildet sind, daß wenigstens eine der Größen gemäß den Positionen, Zahlen und Weiten der Schlitze unterschiedlich ist in bezug auf die Vorsprünge, die den gleichen Pol bilden.

9. Reluktanzmotor nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die Schlitze zwischen benachbarten zwei Gruppen von dünnen Magnetplatten in solcher Weise unterschiedlich ausgebildet sind, daß wenigstens eine der Größen wie die Positio nen, die Zahlen und die Weiten der Schlitze in bezug auf die Vorsprünge unter schiedlich ist, die den gleichen Pol bilden.

10. Reluktanzmotor nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem die Schütze zwischen benachbarten zwei der Vorsprünge von jeder dünnen Magnetplatte in solcher Weise unterschiedlich ausgebildet sind, daß wenigstens eine der Größen gemäß den Positionen, Zahlen und Weiten der Schlitze unterschiedlich ist; und bei dem die dünnen Magnetplatten miteinander in einer solcher Weise gestapelt sind, daß die Vorsprünge, die unterschiedliche Schlitzgestalten besitzen, in der axialen Richtung gestapelt sind.