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- Prio.: 18. November 2004, Japan, P2004-334360
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein einen Synchronmotor für Servoanwendungen
zur Verwendung bei Werkzeugmaschinen und dergleichen, und spezieller
betrifft sie einen Rotor oder Stator und eine Ankerkonstruktion
eines rotierenden oder linearen Synchronmotors, der einen Antrieb
mit niedriger Geschwindigkeit und hohem Schub (hohem Drehmoment)
ausführen
kann und einen Permanentmagnet verwendet, wobei er eine niedrige
Welligkeit des Drehmoments aufweist, weniger Wärme erzeugt und über einen
höheren
Wirkungsgrad verfügt.
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2. Beschreibung der einschlägigen Technik
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Die 10(A) und 10(C) zeigen
ein Beispiel der Konstruktion eines herkömmlichen Synchronmotors.
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In
den 10(A) bis 10(C) verfügt ein Statoranker über einen
Ankerkern SY und eine Wicklung CO, und ein Rotor (oder ein Schlitten,
nachfolgend entsprechend verwendet) verfügt über einen Permanentmagnet MN
und einen Permanentmagnet MS mit Befestigung an einem hinteren Joch
MY zum Erzeugen von einander entgegengesetzten Polaritäten, mit
Platzierung an einander gegenüberstehenden
Flächen
des Ankers. Um jeden vorstehenden Teil des Ankerkerns SY herum ist
eine Wicklung zyklisch gewickelt, und durch Zuführen eines Stroms zur Wicklung
CO wird ein Schub (oder ein Drehmoment) erzeugt. Bei diesem Beispiel
entspricht eine Ankerschlitz-Teilung Ps einer Permanentmagnet-Teilung Pm
(entsprechend einer dauernden magnetischen Breite), und daher entspricht
die Anzahl der Magnetpole der Anzahl der Anker.
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Die 10(A) bis 10(C) zeigen
eine Änderung
des Magnetflusses innerhalb eines Ankerjochs aufgrund eines Unterschieds
der Relativposition des Ankers zum Rotor. Schwarze und weiße Pfeile
zeigen Richtungen von durch Permanentmagnete MS und MN erzeugten
Magnetflüssen,
die durch den vorstehenden Teil des Ankers verlaufen, und eine als fette
Linie gezeichnete geschlossene Schleife zeigt die Situation einer
Flusskopplung.
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Die 10(A) zeigt die Situation eines Magnetflusses,
wenn sich der Rotor in der Ursprungsposition befindet.
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Wenn
sich alle Zentren der Permanentmagnete MS und MN an denselben Positionen
der Zentren der vorstehenden Teile des Ankerkerns SY befinden (in
der Figur durch gestrichelte Linien dargestellt), nimmt die Kraft
der magnetischen Kopplung von Magnetflüssen der Permanentmagnete MS
und MN mit dem vorstehenden Teil des Ankerkerns SY zu, und so nimmt
das Ausmaß der
Flusskopplungen des vorstehenden Teils und des Jochteils (Wicklung CO)
des Ankerkerns SY zu.
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Die 10(B) zeigt eine Änderung des Magnetflusses,
wenn der Rotor um Pm/2 verschoben wird (um Pm nach links in der
Zeichnung verschoben wird). Die Polgrenze zwischen Permanentmagneten MS
und MN liegt im Zentrum des vorstehenden Teils des Ankerkerns SY,
und die Magnetflüsse
der Permanentmagnete MS und MN sind kurzgeschlossen, und der Magnetfluss
des Ankerkernteils nimmt ab, d. h., die Flusskopplung der Wicklung
CO wird schwächer
(ein magnetischer Kreis bildet sich nur am Rotor oder am Schlitten
zum vorstehenden Teil des Ankerkerns SY hin).
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Die 10(C) zeigt eine Änderung des Magnetflusses,
wenn der Rotor um Pm verschoben wird (um Pm nach links in der Zeichnung
verschoben wird). Die Form der Verteilung von Magnetflüssen der Permanentmagnete
MS und MN ist im Wesentlichen dieselbe wie in der 10(A), und die Verteilung der Magnetflüsse ist
um den Abstand Pm nach links in Bezug auf die Zeichnung verschoben.
Wenn man sich jedoch auf den vorstehenden Teil des Ankerkerns SY
im Zentrum der Zeichnung konzentriert, ist es erkennbar, dass die
Richtung des Magnetflusses umgekehrt ist.
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Für den Anker
beim oben beschriebenen herkömmlichen
Synchronmotor wird eine weichmagnetische Laminatmaterialplatte,
im Allgemeinen eine Siliciumstahlplatte, verwendet, und es wird
eine Struktur verwendet, bei der mehrere Phasenwicklungen in einem
im Anker vorhandenen Schlitzteil aufgewickelt sind. Daher existiert
ein Gebiet (das als Wicklungsende bezeichnet wird), in dem sich
eine Kopplungswicklung von einem Schlitz zu einem anderen an der
Endfläche
jedes Ankers entspricht.
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Eine
Kraft (ein Drehmoment) wird dadurch erzeugt, dass einer vorbestimmten
Phasenwicklung entsprechend der Verschiebung des Magnetflusses des
Permanentmagnets ein Strom zugeführt
wird.
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Jedoch
entstehen beim in den 10(A), 10(B) und 10(C) dargestellten
herkömmlichen
Synchronmotor die folgenden Probleme.
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Es
sind hauptsächlich
die Laminatdicke der Ankerwicklung und die Länge des Wicklungsendes, die
die Größe des Ankers
bestimmen. Da die Wicklung im Allgemeinen an den beiden Endflächen des Ankers
zurückgeführt ist
und um den Schlitz gewickelt ist, existieren an den beiden Enden
des Ankerkerns Wicklungsenden, und die Länge des Wicklungsendes hat
einen wesentlichen Anteil im Motor. Insbesondere dann, wenn die
Laminatdicke des Ankerkerns klein ist, kann die Dicke des Wicklungsendes
größer als
die Laminatdicke des Ankerkerns sein, und die Dicke des Wicklungsendes
bildet ein Element, das beim Bestimmen der Größe des Motors nicht vernachlässigbar
ist.
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Da
jedoch die Wicklung im Wicklungsendabschnitt kaum zum Schub (oder
Drehmoment) des Motors beiträgt,
führt das
Zuführen
eines Stroms zur Wicklung zum Auftreten von Kupferverlusten, was
zu vergeudender Wärmeerzeugung
(Verlusten) führt.
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Wenn
die oben genannte Laminatdicke des Ankerkerns klein ist, ist der
Schlitz-Schlitz-Abstand des Ankerkerns größer als die Laminatdicke des
Ankerkerns, und die Kupferverluste im Wicklungsendabschnitt überschreiten
diejenigen an der Wicklung innerhalb des Ankerkernschlitzes, was
zu verringertem Wirkungsgrad führt.
Im Allgemeinen wird die innerhalb des Ankerkerns gewickelte Wicklung
indirekt dadurch gekühlt,
dass das Äußere des
Ankers durch eine Kühleinrichtung
wie eine Luft- oder eine Flüssigkeitskühlung gekühlt wird,
jedoch besteht für
den Wicklungsendabschnitt im Vergleich zur Wicklung innerhalb des
Ankerkerns ein schlechter Kühlungswirkungsgrad,
und es hat sich experimentell herausgestellt, dass zwischen der
Wicklung innerhalb des Ankerkerns und dem Wicklungsendabschnitt
ein Temperaturgradient auftritt. Dieser Temperaturgradient führt zu einer
Temperaturdifferenz zwischen der Wicklung innerhalb des Ankerkerns
und dem Wicklungsendabschnitt, und insbesondere dann, wenn ein starker
Strom zugeführt
wird, kann die Kühlung von
der Außenseite
des Ankerkerns her nicht mit dem Strom Schritt halten, so dass nur
die Temperatur des Wicklungsendabschnitts abrupt ansteigt, und im schlechtesten
Fall kann ein Problem dahingehend auftreten, dass die Wicklung ausbrennt.
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Um
einen derartigen Temperaturgradient zu beseitigen, wird der Wicklungsendabschnitt
durch ein Harz oder dergleichen vergossen, und ferner wird das Äußere eines
Gießmaterials
gekühlt.
Jedoch ist die Wärmeleitfähigkeit
eines Harzes kleiner als die eines Metalls, und der Temperaturgradient
kann nicht vollständig
beseitigt werden. Das Vergießen
mit einem Harz erfordert spezielle Werkzeuge und Arbeitskraft, was
zu einer Kostenerhöhung
des Motors führt.
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Um
den Spitzenschub (Drehmoment) des Ankers zu erhöhen, sollte die Flusskopplung
am vorstehenden Teil des Ankers erhöht werden. Daher ist es erforderlich,
die Breite des vorstehenden Teils des Ankers zu vergrößern, jedoch
nimmt gleichzeitig die Fläche
des Schlitzes zum Aufnehmen der Wicklung ab. Wie es allgemein gut
bekannt ist, ist der Wicklungswiderstand R durch R = ρ × L/S (ρ ist der
spezifische Widerstand, L ist die Leitungslänge und S ist der Leitungsquerschnitt)
gegeben, und wenn der Leitungsquerschnitt S abnimmt, nimmt der Wicklungswiderstand
zu und die Kupferverluste sind erhöht. Demgemäß ist es ersichtlich, dass
zwischen dem Spitzendrehmoment (Schub) des Motors und den Kupferverlusten
eine Kompromissbeziehung besteht.
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Im
Fall des in den 10(A), 10(B) und 10(C) dargestellten herkömmlichen Motors entspricht
die Anzahl der Magnetpole des Permanentmagnets der Anzahl der Anker,
und wenn sich die Relativposition des Magnetpols zum Anker ändert, besteht
die Tendenz, dass eine Drehmoment-Welligkeit zunimmt, da die Änderung
der Permeanz zwischen dem Magnetpol und einem vorstehenden Anker
beträchtlich
ist (die Änderung
der magnetischen Energie ist beträchtlich).
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US 6 191 509 B1 zeigt
einen Schrittmotor mit einem Rotor, auf dem alternierend Nord- und
Südpole
eines Permanentmagneten in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, und einem
Stator, der vorstehende klauenpolartig ineinander greifende Pole eines
ersten und eines zweiten Schenkels aufweist.
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Die
Erfindung erfolgte zum Lösen
der oben beschriebenen Problems, und es ist ein Vorteil derselben,
dass das Wick lungsende der Ankerwicklung beseitigt ist, wodurch
ein kleiner Synchronmotor geschaffen ist, der wenig Wärme erzeugt
und effizient arbeitet.
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Es
ist ein anderer Vorteil der Erfindung, dass ein Synchronmotor mit
kleiner Drehmoment-Welligkeit und guter Steuerbarkeit geschaffen
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Synchronmotor kann
ein Verkleinern (flacheres Ausgestalten) des Ankers des Motors durch
Besei tigen des Wicklungsendes realisiert werden. Ferner ist die
Wicklung (der Leiter) vereinfacht, wodurch Kupferverluste verringert
sind und ein Wicklungs-Magnetfluss, der sich aus dem Zuführen eines
Stroms ergibt, effizient in einen Schub (oder ein Drehmoment) gewandelt
wird, weswegen die Effizienz des Motors durch einen Synergieeffekt
verbessert werden kann und die Kosten sinken.
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Der
Temperaturgradient aufgrund der Wärmeerzeugung im Wicklungsendabschnitt
und der Wicklung innerhalb des Ankerkernschlitzes während des
Zuführens
von Strom, und damit das Auftreten eines Ausbrennens bei plötzlichem
Temperaturanstieg der Wicklung, kann verhindert werden, was es ermöglicht,
die Zuverlässigkeit
des Motors zu verbessern.
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Ferner
wird eine Änderung
der Permeanz zwischen dem Magnetpol des Permanentmagnets und dem
vorstehenden Ankerpol gemittelt, und die Drehmoment-Welligkeit nimmt
ab, was zu einer Verbesserung der Steuerbarkeit des Motors führt.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
einen Synchronmotor zu erhalten, der eine Ansteuerung für niedrige
Geschwindigkeit und hohen Schub (hohes Drehmoment) ermöglicht und
eine kleine Drehmoment-Welligkeit zeigt, eine kleinere Wärmemenge
erzeugt und effizient ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine schematische Konfiguration einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 ist
ist eine perspektivische Schnittansicht eines Ankers und eines Rotors
oder Schlittens, wobei es sich um ein Beispiel der ersten Ausführungsform
der Erfindung handelt;
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3 zeigt
eine Situation eines Magnetflusses, wenn einer Wicklung CO im Anker
der ersten Ausführungsform
der Erfindung ein Strom zugeführt wird;
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4(A), 4(B) und 4(C) sind schematische Diagramme eines Querschnitts
der ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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5(A), 5(B) und 5(C) zeigen eine Änderung der Form eines vorstehenden
Ankerpols bei der ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 ist
ein schematisches Diagramm, bei dem ein vorstehenden Pol mit einer
Breite desselben gemäß der 5(B) bei der in der 1 dargestellten
ersten Ausführungsform
der Erfindung angewandt ist;
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7(A) und 7(B) zeigen
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung;
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8 zeigt
einen Linearmotor unter Anwendung der Erfindung;
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9 zeigt
einen Rotationsmotor unter Anwendung der Erfindung; und
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10(A), 10(B) und 10(C) zeigen ein Beispiel der Konfiguration eines
herkömmlichen Synchronmotors.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend
werden auf Grundlage der Zeichnungen Ausführungsformen zum Ausführen der Ausführungsform
beschrieben. Dieselben Symbole (Buchstabensymbole) kennzeichnen
gleiche oder ähnliche
Funktionen, solange nichts anderes speziell angegeben ist.
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Die 1 zeigt
die skizzierte Konfiguration einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
die 2 ist eine perspektivische Schnittansicht eines Ankers
und eines Rotors oder eines Schlittens bei der ersten Ausführungsform
der Erfindung. Ein Synchronmotor gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung kann entweder bei einem linearen oder einem rotierenden
Typ angewandt werden. Der Anker ist ein Stator, und der Rotor oder
Schlitten ist im Fall eines rotierenden Motors ein Rotor, während im
Fall eines Linearmotors der Anker einen Schlitten bildet und der
Rotor oder Schlitten einen Stator bildet (oder dies kann umgekehrt
werden).
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Nun
wird die erste Ausführungsform
der Erfindung unter Verwendung eines mit drei Phasen angesteuerten
Synchronmotors als Beispiel beschrieben.
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Wie
es in der 2 dargestellt ist, verfügt der Rotor
(Schlitten) über
Permanentmagnete MN und MS und ein hinteres Joch MY, und durch Befestigen
der Permanentmagnete am hinteren Joch MY werden diese Permanentmagnete
MN und MS mit dem hinteren Joch MY magnetisch kurzgeschlossen, um
einen Magnetkreis zu bilden.
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Anker
sind den Permanentmagneten MN und MS gegenüberstehend platziert. Der Anker
verfügt über eine
Konfiguration, bei der ein erster vorstehenden Pol ST1 an einem
ersten Joch SY1 angebracht ist, ein zweiter vorstehenden POL ST2
an einem zweiten Joch SY2 angebracht ist, wobei der erste vorstehende
Pol ST1 und der zweite vorstehende Pol ST2 vom Vorderende des vorstehenden
Pols ineinander eingreifen. Das erste Joch SY1 und das zweite Joch
SY2 sind mit einem gemeinsamen Joch SY0 verbunden und sie sind magnetisch
kurzgeschlossen, um einen Magnetkreis zu bilden. D. h., dass die
Joche SY0, SY1 und SY2 einem Kern bei der Erfindung entsprechen,
wobei der erste vorstehende Pol ST1 so vorhanden ist, dass er sich
von einer Endseite (erstes Joch SY1) des Kerns erstreckt, während der
zweite vorstehende Pol ST2 so vorhanden ist, dass er sich von der
anderen Endseite (zweites Joch SY2) des Kerns aus erstreckt, wobei
er von der Vorderendseite des ersten vorstehenden Pols ST1 zwischen
diesen eingreift. Die vorstehenden Pole ST1 und ST2 sind nicht direkt
magnetisch kurzgeschlossen, sondern sie sind durch ein Element mit hohem
magnetischem Widerstand, das durch Luft repräsentiert ist, mit vorbestimmten
Intervallen beabstandet. Eine Wicklung (ein Leiter) WICKLUNG ist
so platziert, dass sie im ersten Joch SY1, im zweiten Joch SY2,
im gemeinsamen Joch SY0 und den vorstehenden Polen ST1 und ST2 enthalten
ist. Auf diese Weise kann der vorstehendes Endabschnitt weggelassen
werden, was es ermöglicht,
einen effizienten Synchronmotor herzustellen.
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Nun
wird ein Beispiel einer Flussschleife im Magnetkreis auf Grundlage
der 2 beschrieben.
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Als
Erstes läuft
ein von der Oberfläche
des Permanentmagnets MN erzeugter Magnetfluss Φm über einen Luftspalt durch den
vorstehenden Pol ST1 oder das erste Joch SY1, er läuft über das
gemeinsame Joch SY0 vom ersten Joch SY1 zum zweiten Joch SY2, er
läuft durch
den Luftspalt vom vorstehenden Pol ST2 benachbart zum vorstehenden
Pol ST1, und er tritt in die Oberfläche des vorstehendes MS ein.
Die einander benachbarten Permanentmagnete MN und MS sind am hinteren
Joch MY magnetisch kurzgeschlossen, so dass ein Magnetkreis gebildet
ist. Dabei schneidet der Magnetfluss Φm die Wicklung CO.
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Die 3 zeigt
eine Situation des Magnetflusses, wenn ein Strom an die Wicklung
CO im Anker geschickt wird. Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung wird,
als Strom I, ein geeigneter Wechselstrom mittels einer Erfassungseinrichtung
(nicht dargestellt) des Rotors oder Schlittens an die Wicklung CO
geschickt. Wenn der Strom I an die im Anker untergebrachte Wicklung
CO geschickt wird, wird ein Magnetfluss Φc erzeugt, und der am ersten
Joch SY1 angebrachte erste vorstehende Pol ST1 und der am zweiten
Joch SY2 angebrachte zweite vorstehende Pol ST2 erzeugt Magnetflüsse, wie
sie für
den Strom I für
jedes Joch geeignet sind. Der erste vorstehende Pol ST1 und der
zweite vorstehende Pol ST2 werden erregt, um entgegengesetzte Polaritäten zu bilden.
Durch Wechselwirkung mit dem Magnetfluss Φm des Permanentmagnets des
Rotors oder Schlittens wird eine Kraft (ein Drehmoment) erzeugt, wie
dies später
mittels der 2 und 4 beschrieben wird.
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Ein
derartiger Anker ist für
jede Phase vorhanden. D. h., dass, wie es schematisch in der 1 dargestellt
ist, der Anker durch das erste Joch SY11 (SY21, SY3), das zweite
Joch SY12 (SY22, SY32), den ersten vorstehenden Pol ST1, den zweiten
vorstehenden Pol ST2 und die Wicklung C1 (C2, C3) repräsentiert
ist, wobei der Rotor nur durch den Magnetpol des Permanentmagnets
(MN, MS) schematisch repräsentiert
ist.
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Anker
verfügen über drei
Paare erster Joche SY11, SY21 und SY31 sowie zweiter Joche SY12, SY22
und SY32, gemeinsam mit jeweiligen Wicklungen C1 bis C3, und sie
sind nebeneinander platziert. Die Wicklung C1 ist für die Phase
U eingestellt, die Wicklung C2 ist für die Phase V eingestellt,
und die Wicklung C3 ist für
die Phase W eingestellt, und weiße Pfeile (U, V und W) zeigen
Wicklungsrichtungen der jeweiligen Wicklung C1 bis C3.
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Die
oben in Bezug auf das erste Joch SY11 (SY21, SY31) beschriebenen
Symbole T1 bis T24 sind absolute Nummern für die vorstehenden Pole ST
des Ankers, und vorstehende Pole mit denselben absoluten Nummern
in Jochen mit verschiedenen Nummern haben dieselbe Form.
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Als
Erstes erfolgen Erläuterungen
unter Konzentration auf eine Phase (Phase U). Die Wicklung C1 ist
zwischen dem ersten Joch SY11 und dem zweiten Joch SY12 untergebracht,
und durch Zuführen
eines Stroms zu ihr werden die am ersten Joch SY11 und am zweiten
Joch SY12 angebrachten vorstehenden Pole ST1 bzw. ST2 erregt, um
entgegengesetzte Polaritäten
zu bilden. Die vorstehenden Pole ST1 und ST2 von T1 bis T12 (sie
werden als T1 bis T6 und T7 bis T12 beschrieben, und T2, T3, T4, ...
sind in der Figur nicht dargestellt), wie sie zwischen Magnetpolgruppen-Perioden λp der Phase
U existieren, sind die Folgenden, wenn eine Beschreibung für jedes
der Joche SY11 und SY12, an denen sie angebracht sind, erfolgt.
- T1 ... erstes Joch: SY11
- T2 ... zweites Joch: SY12
- T3 ... erstes Joch: SY11
- T4 ... zweites Joch: SY12
- T5 ... erstes Joch: SY11
- T6 ... zweites Joch: SY12
- T7 ... zweites Joch: SY12
- T8 ... erstes Joch: SY11
- T9 ... zweites Joch: SY12
- T10 ... erstes Joch: SY11
- T11 ... zweites Joch: SY12
- T12 ... erstes Joch: SY11
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Bei
der ersten Ausführungsform
der Erfindung ist es ersichtlich, dass innerhalb der Magnetpol-Halbperiode λp/2 die vorstehenden
Pole ST1 und ST2 abwechselnd mit gleichen Teilungen in den Jochen
SY11 und SY12 platziert sind, dass jedoch zwischen T6 und T7 des
vorstehenden Pols ST mit der Magnetpol-Halbperiode λp/2 die Joche
SY11 und SY12, an denen die Gruppen T1 bis T6 sowie T7 bis T12 vorstehender
Pole angebracht sind, wechselseitig umgekehrt sind.
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Anders
gesagt, sind benachbarte Pole T6 und T7 des vorstehenden Pols ST
in der Magnetpolgruppe-Halbperiode λp/2 am selben Joch SY12 angebracht,
und in ähnlicher
Weise sind benachbarte Pole T12 und T13 des vorstehenden Pols ST
in der nächsten
Magnetpolgruppe-Halbperiode λp/2
am selben ersten Joch SY11 angebracht. D. h., dass der erste vorstehende
Pol ST1 und der zweite vorstehende Pol ST2 am ersten Joch SY1 und
am zweiten Joch SY2 mit einem vorbestimmten Anbringungsmuster angebracht
sind, und dass für
jede Magnetpolgruppe-Halbperiode λp/2 das vorbestimmte
Anbringungsmuster umgekehrt ist, und das erste vorstehende Pole
ST1 oder zweite vorstehende Pole ST2 aufeinanderfolgen. Die Umkehrungsposition
der Gruppe vorstehender Pole, wie sie für jede oben beschriebene Magnetpolgruppe-Halbperiode λp/2 vorliegt,
wird als ”Grenze
zwischen Magnetpolgruppen” bezeichnet,
und sie ist in der Figur durch die durchgezogene Linie D dargestellt.
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Wie
es aus der Figur ersichtlich ist, verfügen die Gruppen T1 bis T6 und
T13 bis T18 oder T7 bis T12 und T19 bis T24 vorstehender Pole über dasselbe
Anbringungsmuster, und dasselbe Anbringungsmuster wiederholt sich
periodisch für
jede Magnetpolgruppe-Periode λp.
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Nun
wird die Positionsbeziehung zwischen der Phase U und der Phase V
beschrieben.
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Bei
der ersten Ausführungsform
der Erfindung sind Grenzen zwischen vorstehenden Ankerpolen jeweiliger
Phasen mit Intervallen n × (λp/Np) (wobei
n eine beliebige ganze Zahl ist) für die Magnetpolgruppe-Periode λp platziert,
wenn der Motor mit der Phase Np angesteuert wird. Erläuterungen
ent sprechend der obigen Formel werden unten angegeben.
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Beim
Ansteuern mit drei Phasen sind der Anker für die Phase U (SY11, SY12,
C1, ST1, ST2) und der Anker für
die Phase V (SY12, SY22, C2, ST1, ST2) um λp/3 gegeneinander verschoben,
wenn Np = 3 und n = 1 gelten. Z. B. beträgt der Abstand zwischen dem
am ersten Joch SY1 für
die Phase U angebrachten vorstehenden Pol ST1 (T1) und dem am ersten
Joch SY21 für
die Phase V angebrachten vorstehenden Pol ST1 (T1) λp/3. In ähnlicher
Weise beträgt
der Abstand zwischen ST1 (T1) für
die Phase V und ST1 (T1) für
die Phase W λp/3,
und demgemäß beträgt der Abstand
zwischen der Phase W und der Phase U λp/3. (In der Figur beträgt der Abstand
zwischen dem vorstehenden Pol ST1 (T1) für die Phase W und dem vorstehenden
Pol ST1 (T13) λp/3,
jedoch wiederholt sich dasselbe Anbringungsmuster für jede Magnetpolgruppe-Periode λp, wie oben
beschrieben, und daher gilt vorstehender Pol ST1 (T1) = vorstehender
Pol ST1 (T13). Demgemäß kann der
Abstand zwischen dem vorstehenden Pol ST1 (T1) für die Phase W und dem vorstehenden
Pol ST1 (T1) für
die Phase U als λp/3
angesehen werden.)
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Nun
wird die Beziehung zwischen der Anzahl der Magnetpole Nm innerhalb
der Magnetpolgruppe-Halbperiode λp/2
und der Anzahl der vorstehenden Ankerpole Ns beschrieben. Bei der
ersten Ausführungsform
der Erfindung hat die Anzahl Nm der Magnetpole innerhalb der Magnetpolgruppe-Halbperiode λp/2 den Wert
5, und die Anzahl Ns der vorstehenden Ankerpole hat den Wert 6.
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(Die
Zahl der Magnetpole Nm = 1 ist ein Wert, der einen Permanentmagnet
mit einem N- oder S-Pol angibt, oder einen zugeordneten Magnetpol, und
es handelt sich nicht um einen allgemein genannten Logarithmus mit
kombinierten N- und S-Polen.
Ein Polpaar ist als Zahl von Magnetpolen nm = 2 re präsentiert.
Die Anzahl Ns der vorstehenden Pole gibt die Anzahl der vorstehenden
Pole an, die am ersten und zweiten Joch angebracht sind.)
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Bei
der ersten Ausführungsform
der Erfindung gilt zwischen der Anzahl Nm der Magnetpole und der
Anzahl Ns vorstehender Ankerpole die Beziehung Ns = Nm + 1 (6 =
5 + 1, wenn die Zahlen eingesetzt werden) innerhalb der Magnetpolgruppe-Halbperiode λp/2.
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Die
vorstehenden Pole ST1 und ST2 sind am ersten Joch SY1 und am zweiten
Joch SY2 angebracht, und daher müssen
sie entsprechend den beiden Jochen unterteilt sein. So ist es wünschenswert, eine
solche Konstruktion vorzunehmen, dass die Anzahl der vorstehenden
Pole Ns eine gerade Zahl ist (2n, wobei n eine ganze Zahl ist).
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Wie
es aus der Figur ersichtlich ist, kann, wenn die Anzahl Ns der vorstehenden
Ankerpole so gewählt
wird, dass Ns = 2n × Np
(n ist eine ganze Zahl) gilt, das Zentrum jedes vorstehenden Pols
ST jeder Phase auf derselben Achse in Bezug auf die Permanentmagnete
MN und Ms platziert werden, wobei der Abstand zwischen Phasen berücksichtigt wird
(z. B. λp/3
beim Ansteuern mit drei Phasen, da Anzahl der Treiberphasen: Np
den Wert 3 hat (Betrieb mit drei Phasen)).
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Wenn
das oben Beschriebene berücksichtigt wird,
gilt die Beziehung (Ns = Nm ± 1) ∩ (Ns = 2n × Np, wobei
n eine ganze Zahl ist) zwischen der Anzahl Nm von Magnetpolen innerhalb
der Magnetpolgruppe-Halbperiode λp/2
und der Anzahl Ns vorstehender Ankerpole und der Anzahl Np von Treiberphasen
als empfohlener Bedingung, und aus der obigen Formel wird Nm = 2n × Np ± 1 (n
ist eine ganze Zahl) hergeleitet.
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Daraus
ist es ersichtlich, dass als Anzahl Nm von Magnetpo len innerhalb
der Magnetpolgruppe-Halbperiode λp/2
eine ungerade Zahl gewählt werden
sollte.
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Nun
wird das Drehmoment des Synchronmotors der ersten Ausführungsform
der Erfindung im Vergleich mit einem Beispiel eines herkömmlichen Synchronmotors
beschrieben.
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Die 4(A), 4(B) und 4(C) sind schematische Diagramme eines Schnitts
der ersten Ausführungsform
der Erfindung. Es sind perspektivische Ansichten gesehen von der
Seite des ersten Jochs SY1 her, und der Zweckdienlichkeit der Erläuterung
halber ist keine Wicklung dargestellt.
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Die
Permanentmagnet-Magnetpolteilung des Rotors oder Schlittens ist
Pm, und die Teilung der vorstehenden Pole ist als Ps definiert (Pm
ist in diesem Fall größer als
Ps). Der Verstellweg des Rotors oder Schlittens (Permanentmagnete
MN und MS sowie Paketjoch MV) ist, wie im Fall der 10(A), 10(B) und 10(C), der als Beispiel eines herkömmlichen
Synchronmotors beschrieben wurde, die Magnetpolteilung Pm der Permanentmagnete.
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Hierbei
kann die erzeugte Kraft durch F = dEm/dz ausgedrückt werden (dEm repräsentiert
eine Änderung
der dem <Magnetfeld
zugeordneten Energie, und dz repräsentiert eine Positionsänderung).
So ist es ersichtlich, dass eine große Kraft F erzielt werden kann,
wenn eine größere Änderung
der dem Magnetfeld zugeordneten Energie (dEm) für eine kleinere Positionsänderung
(dz) erzielt werden kann.
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Nachfolgend
wird das Beispiel des herkömmlichen
Synchronmotors mit der ersten Ausführungsform verglichen.
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In
den 10(A), 10(B) und 10(C) wird, wenn der Rotor oder Schlitten um die
Magnetpolteilung Pm der Permanentmagnete verstellt wird, die durch
die Magnetpole der Permanentmagnete gebildete Magnetpolgruppe (durch
eine geschlossene Schleife mit durchgezogener Linie und weiße und schwarze
Pfeile dargestellt) nur um einen Weg verschoben, der einem vorstehenden
Pol des Ankers entspricht (entsprechend Ps). Jedoch wird bei der ersten
Ausführungsform
der Erfindung die Magnetpolgruppe um einen Wert verstellt, der 6
vorstehenden Polen des Ankers entspricht, wenn eine Verstellung
um die Magnetpole Pm der Permanentmagnete vorliegt, wie es in den 4(A), 4(B) und 4(C) dargestellt ist.
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Wenn
hiervon eine Ersetzung durch einen Rotationsmotor so erfolgt, dass
die Anzahl Nm von Permanentmagnet-Magnetpolen innerhalb der Magnetpolgruppe-Gruppe λp 10 ist,
ist die Anzahl Ns vorstehender Ankerpole 10, da die Anzahl der Permanentmagnet-Magnetpole
Nm beim Beispiel des herkömmlichen
Synchronmotors der Anzahl vorstehender Ankerpole entspricht. In
diesem Fall wird die durch Magnetpole von Permanentmagneten gebildete
Magnetpolgruppe um einen Wert verstellt, der einem vorstehenden
Ankerpol entspricht, wenn der Rotor oder Schlitten um die Magnetpolteilung
Pm eines Permanentmagnets verstellt wird, und daher beträgt der Magnetpolgruppe-Verstellwinkel
360°/10
= 36° (Maschinenwinkel).
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Andererseits
gilt bei der ersten Ausführungsform
der Erfindung die Beziehung Ns = Nm ± 1 innerhalb der Magnetpolgruppe-Halbperiode λp/2, und
daher ist, wenn die Anzahl Nm der Permanentmagnet-Magnetpole 10
ist, die Anzahl Ns vorstehender Ankerpole innerhalb der Magnetpolgruppe-Periode λp 12, und
die Magnetpolgruppe wird um einen Wert verstellt, der sechs vorstehenden
Polen entspricht, wenn der Rotor oder der Schlitten um eine Magnetpolteilung
Pm der Permanentmagnete verstellt wird, und daher beträgt der Magnetpolgruppe-Verstellwinkel
360°/12 × 6 = 180° (Maschinenwinkel).
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Wie
oben beschrieben, ist bei der ersten Ausführungsform der Erfindung der
Verstellwinkel der Magnetpolgruppe 5 (1800/36° = 5) mal so groß wie der
Verstellwinkel beim Beispiel des herkömmlichen Synchronmotors, und
der Magnetfluss innerhalb des Ankers ändert sich mit einem Abstand,
der 5 mal so groß wie
der Verstellwert desselben Rotors oder Schlittens ist.
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Wie
oben beschrieben, gilt bei der ersten Ausführungsform der Erfindung für den Verstellweg der
Magnetpolgruppe = dEm, und die Änderung
der dem Magnetfeld zugeordneten Energie ist erhöht, weswegen das Drehmoment
entsprechend erhöht sein
kann.
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Demgemäß kann durch
die erste Ausführungsform
der Erfindung ein Synchronmotor geschaffen werden, der für einen
Betrieb mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment geeignet ist.
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Nun
wird die Form des vorstehenden Pols bei der ersten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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Die 5(A), 5(B) und 5(C) zeigen eine Änderung der Form des vorstehenden
Ankerpols bei der ersten Ausführungsform
der Erfindung. Die Figuren zeigen eine Situation, bei der die vorstehenden
Pole ST1 und ST2 am ersten Joch SY1 bzw. am zweiten Joch SY2 angebracht
sind, wenn ein Schnitt der Magnetpolgruppe-Halbperiode λp/2 vorliegt
(mit gestrichelten Linien dargestellte Gebiete repräsentieren
Anbringungsseiten in vorstehenden Polen ST1 und ST2). Die 5(A) zeigt den Fall, bei dem die vorstehenden
Pole ST1 und ST2 dieselbe Breite aufweisen, und die Breite x eines
vorstehenden Pols viel größer als
das Intervall y zwischen vorstehenden Polen ist. Wie es in den 4(A), 4(B) und 4(C) angegeben ist, existiert eine Differenz der
Flusskopplungsstärke
innerhalb der Magnetpolgruppe innerhalb des Ankers. Genauer gesagt,
ist der Wert der Magnetflüsse,
die den vorstehenden Ankerpol und den Jochabschnitt schneiden, nahe
der Polgruppengrenze klein, während
die Flusskopplung im Zentrum zwischen Polgruppengrenzen größer ist.
Demgemäß ist in
der 5(B) die Breite der vorstehenden
Pole entsprechend der Verteilung der Flusskopplung des Permanentmagnets
geändert.
D. h., dass die Breiten vorstehender Pole nahe den Polgruppengrenzen
A und C verkleinert sind, während
die Breiten vorstehender Pole nahe dem Polgruppengrenzezentrum (B)
erhöht sind.
D. h., dass, wie es in der 5(B) dargestellt ist,
zwischen den Breiten x1, x2 und x3 vorstehender Pole die Beziehung
x1 < x2 < x3 gilt. Umgekehrt
sind, hinsichtlich des Intervalls vorstehender Pole, Intervalle
vorstehender Pole nahe den Polgruppengrenzen A und C groß, und Intervalle
vorstehender Pole nahe dem Polgruppengrenzezentrum (B) sind kleiner.
D. h., dass zwischen den Intervallen y1, y2 und y3 vorstehender
Pole die Beziehung y1 > y2 > y3 gilt. Die 5(C) zeigt den Fall, bei dem die vorstehenden
Pole ST1 und ST2 verschiedene Schnittflächen (dem Rotor oder Schlitten
zugewandte Fläche)
und Formen aufweisen, wobei die Schnittflächen vorstehender Pole nahe
den Polgruppengrenzen A und C klein sind, während die Schnittflächen vorstehender Pole
nahe dem Polgruppengrenzezentrum (B) größer sind. In diesem Fall sind
die Breite x vorstehender Pole und das Intervall y vorstehender
Pole fixiert.
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Die 5(B) und 5(C) konzentrieren sich
auf die magnetische Kopplung des Permanentmagnet-Magnetflusses zum
vorstehenden Pol, und wenn die Bedingung erfüllt ist, dass die Querschnittsfläche (oder
das Volumen) des vorstehenden Pols an der Polgruppengrenze kleiner
als das im Zentrum sein sollte, kann die Querschnittsform entweder rechteckig
oder trapezförmig
sein, was jedoch in der Figur nicht speziell dargestellt ist. Es
können
große und
kleine Breiten vorstehender Pole und Intervalle vorstehender Pole
frei kombiniert werden, und z. B. kann ein Betrieb ausgeführt werden,
bei dem eine hohe harmonische Welle irgendeines Spannungsverlaufs
verwendet wird, wie er in der Wicklung induziert wird, was durch
eine Kombination großer/kleiner/großer ...
Breiten vorstehender Pole erfolgt. Durch Ausführen der Betriebsweisen gemäß den 5(B) und 5(C) scheint
seitens des Ankers, wenn vom Rotor oder Schlitten aus gesehen, periodisch
ein Unterschied des magnetischen Widerstands vorzuliegen, und es
kann ein Anker mit einer Struktur vorstehender Magnetpole konstruiert
werden, was es ermöglicht,
eine größere Kraft
(Drehmoment) zu erzielen.
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Die 6 ist
ein schematisches Diagramm, bei dem bei der in der 1 dargestellten
ersten Ausführungsform
der Erfindung ein vorstehender Pol mit einer Breite vorstehender
Pole gemäß der 5(B) angewandt ist.
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Ausführungsform
2
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Die 7(A) und 7(B) zeigen
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung. Die zweite Ausführungsform
der Erfindung ist ein Beispiel einer Ansteuerung mit sechs Phasen,
wobei eine in der Figur dargestellte Phase X eine Umkehrphase zur
Phase U ist, eine Phase Y eine Umkehrphase zur Phase V ist und eine
Phase Z eine Umkehrphase zur Phase W ist. Die 7(A) ist
eine vergrößerte Teilansicht
der 7(B), wobei die 7(B) die
Situation von Ankern für
insgesamt sechs Phasen zeigt, wobei Pfeile an Wicklungen C1 bis
C6 Wicklungsrichtungen der Wicklungen anzeigen. Komponenten, die
mit denen der ersten Ausführungsform
der Erfindung übereinstimmen,
oder ähnlich
sind, sind mit denselben Symbolen versehen, und ihre detaillierte
Beschreibung wird nicht wiederholt.
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Als
Erstes wird die Konfiguration der 7(A) beschrieben.
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Der
Anker verfügt über ein
erstes Joch SY1, ein zweites Joch SY2 und ein drittes Joch SY1'. Das dritte Joch
SY1' ist liniensymmetrisch
zum ersten Joch SY1 in Bezug auf das zweite Joch SY2 platziert. Zwischen
dem ersten Joch SY1 und dem zweiten Joch SY2 sowie zwischen dem
zweiten Joch SY2 und dem dritten Joch SY'1 sind Wicklungen C1 vorhanden, und
da die Erregungsrichtungen durch die Wicklungen C1 verschieden sind,
können
diese Wicklungen C1 zurückgeführt werden
und außerhalb des
Bereichs einer Magnetpolgruppe-Periode λp miteinander verbunden werden
und so als eine Wicklung behandelt werden. Der zurückgeführte Teil
hat dieselbe Bedeutung wie das in ”Beschreibung der einschlägigen Technik” beschriebene
Wicklungsende, jedoch ist die gesamte Wicklung in einem Ankerkern
untergebracht, und daher tritt kein problematischer Temperaturgradient
in einem Wicklungsendabschnitt auf.
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Der
Abstand zwischen dem ersten Joch SY1 und dem zweiten Joch SY2 sowie
der Abstand zwischen dem zweiten Joch SY2 und dem dritten Joch SY1' ist viel kleiner
als die Magnetpolgruppe-Periode λp,
und eine Wärmeerzeugung
aufgrund von Kupferverlusten in diesem Gebiet ist im Vergleich zur
Wärmeerzeugung
der gesamten Wicklung sehr klein. Wenn mit der Phase Np angesteuert
wird, beträgt
die Differenz zwischen der Gruppe vorstehender Pole für die Phase
U und der Gruppe vorstehender Pole für die Phase Z λp/6, wenn
Np = 6 und n = 1 gelten, und zwar gemäß der Regel, dass die Grenzen
vorstehender Ankerpole jeweiliger Phasen für die Magnetpolgruppe-Periode λp mit Intervallen
gemäß n × (λp/Np) (wobei
n eine beliebige ganze Zahl ist) platziert sind.
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Nachfolgend
sind Gruppen vorstehender Pole jeweiliger Phasen so platziert, dass
der wechselseitige Abstand λp/6
beträgt.
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Nun
wird die Konfiguration eines Linearmotors unter Anwendung der ersten
oder zweiten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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Die 8 zeigt
eine Ausführungsform
des Linearmotors.
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Hierbei
verfügt
ein Stator über
einen Permanentmagnet MG und ein hinteres Joch MY und eine Seitenplatte
SFL. Ein Schlitten verfügt über Ankerkerne
SC1 und SC2 sowie Rahmen CFL und UFL, und er verfügt über Wicklungen
C1, C2 und C3 innerhalb der Ankerkerne SC1 und SC2 (bei einer Ansteuerung
mit drei Phasen). In den Ankerkernen SC1 und SC2 ist eine Kühlleitung
gemeinsam mit den Wicklungen C1, C2 und C3 aufgewickelt. Diese Kühlleitung CP
kann die Wicklungen C1, C2 und C3 direkt über eine Isolierlage oder dergleichen
kühlen.
Da die in den Ankerkernen SC1 und SC2 jeweiliger Phasen untergebrachte
Kühlleitungen
elektrisch in Reihe geschaltet sind, beträgt die Summe der Spannungen, wie
sie durch einen die Kühlleitung
CP schneidenden Magnetfluss erzeugt werden, immer 0, und die Kühlleitung
selbst erzeugt kaum Wärme.
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Nun
wird die Konfiguration eines Rotationsmotors unter Anwendung der
ersten oder zweiten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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Die 9 zeigt
eine Ausführungsform
des Rotationsmotors.
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Ein
Rotor oder Schlitten verfügt über ein
hinteres Joch MY, das ein Permanentmagnet MG ist, und eine Achse
sowie eine Farbe RC. Ein Stator verfügt über Ankerkerne SCF1 bis SC3
und Rahmen CFL und OFL sowie Wicklungen C1 bis C3, und gemeinsam
mit den Wicklungen ist eine Kühlleitung
CP in den Ankerkernen SC1 bis SC3 untergebracht.
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Die
Kühlleitung
CP ist so aufgewickelt, dass die Summe von Spannungen, wie sie durch
einen die Kühlleitung
CP schneidenden Magnetfluss erzeugt werden, immer 0 ist, wie es
bei der 8 beschrieben wurde, und daher
erzeugt die Kühlleitung
in diesem Fall kaum Wärme.
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Obwohl
es in den Figuren nicht dargestellt ist, kann die folgende Änderung
vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken abzuweichen. Gemäß der obigen
Beschreibung sind Permanentmagnete von Rotoren oder Schlitten so
angeordnet, dass benachbarte Magnete entgegengesetzte Polaritäten bilden,
jedoch ist auch eine Magnetanordnung vom sogenannten Abstoßungstyp
oder entsprechend einer Halbach-Anordnung möglich, bei der Magnete über ein
Joch hinweg so angeordnet sind, dass sie dieselbe Polarität bilden.