-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine drehzahlveränderliche rotierende Dauermagnet-Elektromaschine.
-
Ein
herkömmlicher
drehzahlveränderlicher Dauermagnetmotor
ist beispielsweise in der JP-Patentanmeldung
Nr. 2003-9486 angegeben. Dieser Motor ist von einem Doppelankertyp
mit einem allgemein ringförmigen.
Rotor bzw. Läufer
und einem Paar von Ankern, wobei der eine Anker im Inneren des Läufers und
der andere außerhalb
des Läufers
angeordnet ist, so daß elektrische
Winkelpositionen des inneren und des äußeren Ankers relativ verändert werden
können.
-
Dabei
sind bei diesem bekannten Motor die Winkelpositionen des inneren
und des äußeren Ankers,
die innerhalb und außerhalb
des Läufers
jeweils konzentrisch angeordnet sind, relativ veränderbar gemacht.
Der Motor wird nach einem sogenannten Feldschwächungs-Steuerverfahren gesteuert,
wobei mit jedem Anker verkettete Magnetfelder sich nicht zu einem
Maximalwert des Magnetflusses addieren, sondern einander teilweise
aufheben, um den Gesamtmagnetflußwert zu verringern. Die Feldschwächungs-Steuerung
dient dazu, kombinierte Spannungen zu verringern, die in einem Hochgeschwindigkeitsbereich
in Ankerwicklungen der beiden Anker induziert werden, so daß die in
den Ankerwicklungen induzierten Spannungen eine Maximalspannung,
die an die Ankerwicklungen angelegt werden kann, nicht überschreiten.
Diese Anordnung ermöglicht
es, einen Betrieb des Motors mit drehzahlveränderlicher Steuerung auf einfache
Weise auszuführen
und den Motor mit weniger elektrischen Beschränkungen und einem verbesserten
Konstruktions-Freiheitsgrad
herzustellen.
-
Wie
oben angegeben wird, hat eine herkömmliche rotierende Doppelanker-Elektromaschine zwei
ständerseitige
Anker, von denen der eine im Inneren eines Läufers und der andere an der
Außenseite
des Läufers
angeordnet ist. Daher verwendet diese Art von rotierender Elektromaschine
typischerweise eine Konstruktion, bei welcher der Läufer auf einseitig
befestigte Weise abgestützt
ist. Es ist daher schwierig, den Läufer in einer stabilen Position
zu halten, wenn der Läufer
sich dreht. Insbesondere kann zwar der Läufer ohne weiteres von einer
einseitigen Stützkonstruktion
gehalten werden, wenn er von einem Typ mit geringer axialer Länge ist,
es ist aber schwierig, den Läufer
stabil zu halten, wenn er eine große axiale Länge hat. Bei einer bereits
bekannten Anordnung zur stabilen Abstützung des rotierenden Läufers wird
der Läufer
von einem Paar von Lagern oder dergleichen abgestützt, die
an beiden Enden einer Läuferachse
angeordnet sind. Diese bekannte Vorgehensweise weist das Problem
auf, daß eine
recht komplizierte Läuferstützkonstruktion erforderlich
ist.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Angesichts
des oben angegebenen Problems beim Stand der Technik ist es die
Aufgabe der Erfindung, eine rotierende Elektromaschine anzugeben,
deren Drehzahl auf einfache Weise gesteuert geändert werden kann, indem die
relativen elektrischen Winkelpositionen einer Mehrzahl von Ankern geändert werden,
wobei ein Läufer
an seinen beiden Enden mittels einer relativ einfachen Konstruktion hoher
Steifigkeit auf zuverlässige
Weise abgestützt wird.
-
Gemäß einem
Hauptmerkmal der Erfindung weist eine drehzahlveränderliche
rotierende Elektromaschine, die Dauermagnete verwendet, wenigstens zwei
Anker mit jeweiligen Ankerwicklungen für eine Vielzahl von Phasen
sowie einen Läufer
auf, der die vorgenannten Dauermagnete hat. Die Anker sind konzentrisch
zueinander auf solche Weise angeordnet, daß die elektrischen Winkelpositionen
der einzelnen Anker in einer Umfangsrichtung relativ geändert werden
können.
Die Ankerwicklungen jeder Phase sind in Reihe verbunden, und der
Läufer
ist mit den Ankern an seiner Innenseite konzentrisch angeordnet.
-
Die
rotierende Elektromaschine der Erfindung kann auf gesteuerte Weise
ohne weiteres mit veränderlichen
Drehzahlen betrieben werden durch Ändern der elektrischen Winkelpositionen
der konzentrisch angeordneten Vielzahl von Ankern in der Umfangsrichtung.
Diese rotierende Elektromaschine kann eine Stützkonstruktion zur Abstützung des
Läufers
mit einem Paar von Lagern oder dergleichen verwenden, die an beiden
Enden einer Läuferachse
angeordnet sind. Da diese Stützkonstruktion
den Läufer mit
hoher Steifigkeit abstützt,
kann die Stützkonstruktion
ohne weiteres bei allgemein üblichen
rotierenden Elektromaschinen verwendet werden, deren Läufer große axiale
Länge haben.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Die
Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und
Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in:
-
1 eine
Querschnittsansicht eines drehzahlveränderlichen Dauermagnetmotors
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
-
2 einen
Querschnitt in Längsrichtung des
Motors von 1;
-
3 ein
Diagramm einer Charakteristik, die erhalten wird durch Analysieren
von elektromagnetischen Feldern, die durch die Summen von Spannungen
(die kombinierten Spannungen) erzeugt werden, die in Ankerwicklungen
einzelner Phasen induziert werden, wenn bei dem in den 1 und 2 gezeigten
Motor die elektrischen Winkelpositionen von ersten und zweiten Ankern
in einer Umfangsrichtung relativ verändert werden;
-
4 ein
Diagramm von charakteristischen Kurven, die Ergebnisse einer Untersuchung
der Stärke
eines Reaktionsmoments zeigen, das auf den zweiten Anker infolge
eines Drehmoments wirkt, das an einem Läufer in einer Konstruktion
der ersten Ausführungsform
erzeugt wird, wobei der zweite Anker keinen gezahnten Tragkörper hat,
und in einer modifizierten Konstruktion, wobei der zweite Anker
einen gezahnten Tragkörper
hat;
-
5 eine
Querschnittsansicht in Querrichtung eines drehzahlveränderlichen
Dauermagnetmotors gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
-
6A eine
Teilquerschnittsansicht des 8-Pol-, 6-Nut-Motors von 5,
wobei ein Zustand zu sehen ist, in dem sich der elektrische Winkel
jedes Zahns eines zweiten Ankers relativ zu jedem Zahn eines ersten
Ankers von 0° zu
180° ändert;
-
6B eine
Teilquerschnittsansicht eines 8-Pol-, 12-Nut-Motors, der als Vergleichsbeispiel
dargestellt ist und einen Zustand zeigt, in dem sich der elektrische
Winkel jedes Zahns eines zweiten Ankers relativ zu jedem Zahn eines
ersten Ankers von 0° zu 180° ändert;
-
7 ein
Diagramm von charakteristischen Kurven, die erhalten sind durch
Analysieren von elektromagnetischen Feldern, die durch die Summen
von Spannungen (kombinierte Spannungen) erzeugt sind, die in Ankerwicklungen
einzelner Phasen induziert werden, wenn bei dem 8-Pol-, 6-Nut-Motor von 6A und
bei dem 8-Pol-, 12-Nut-Motor von 6B die
elektrischen Winkelpositionen des ersten und des zweiten Ankers
in einer Umfangsrichtung relativ geändert werden;
-
8 eine
Teilquerschnittsansicht eines drehzahlveränderlichen Dauermagnetmotors
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung;
-
9 ein
Diagramm von charakteristischen Kurven, die zeigen, wie die relative
Permeabilität
von typischen elektromagnetischen Stahlblechen sich mit Änderungen
der Magnetflußdichte ändert;
-
10 ein
Diagramm einer Beziehung zwischen dem Magnetfluß, der von Dauermagneten eines
Läufers
erzeugt wird, und dem Verhältnis
des durch Einzelzähne
eines zweiten Ankers gehenden Magnetflusses zu dem Gesamtmagnetfluß in dem Motor
von 8;
-
11 eine
Teilquerschnittsansicht eines drehzahlveränderlichen Dauermagnetmotors
in einer modifizierten Form der dritten Ausführungsform;
-
12 ein
Diagramm von charakteristischen Kurven eines drehzahlveränderlichen
Dauermagnetmotors gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung, wobei sowohl erste als auch zweite Anker ihre jeweiligen
Zähne haben
und die charakteristischen Kurven Ergebnisse einer Untersuchung
der Größe von Reaktionsmomenten
zeigen, die infolge eines an einem Läufer erzeugten Drehmoments
auf die ersten und zweiten Anker wirken;
-
13 ein
erläuterndes
Schema, das allgemein zeigt, wie von Dauermagneten eines Läufers erzeugter
Magnetfluß mit
Ankerwicklungen eines zweiten Ankers und mit Ankerwicklungen eines
ersten Ankers in einem drehzahlveränderlichen Dauermagnetmotor
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung verkettet ist;
-
14 ein
Diagramm von charakteristischen Kurven, die erhalten sind durch
Analysieren von elektromagnetischen Feldern, die von den Summen
von Spannungen (kombinierten Spannungen) erzeugt sind, die in Ankerwicklungen
von Einzelphasen induziert werden, wenn die elektrischen Winkelpositionen der
ersten und zweiten Anker in einer Umfangsrichtung relativ geändert werden
in einem Fall, in dem die Windungszahl jeder Ankerwicklung des ersten
Ankers größer als
die von jeder Ankerwicklung des zweiten Ankers ist, und in einem
Fall, in dem die Windungszahl jeder Ankerwicklung des ersten Ankers gleich
derjenigen von jeder Ankerwicklung des zweiten Ankers ist;
-
15A eine Teilquerschnittsansicht in Längsrichtung
eines drehzahlveränderlichen
Dauermagnetmotors gemäß einer
sechsten Ausführungsform
der Erfindung, wobei Ankerwicklungen von ersten und zweiten Ankern
konzentriert gewickelt sind; und
-
15 eine Teilquerschnittsansicht in Längsrichtung
eines drehzahlveränderlichen
Dauermagnetmotors, der als Vergleichsbeispiel zu dem Motor von 15A gezeigt ist, wobei Ankerwicklungen von ersten
und zweiten Ankern verteilt gewickelt sind.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Spezielle
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
-
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
-
1 ist
eine Querschnittsansicht und 2 ist eine
Querschnittsansicht in Längsrichtung
eines drehzahlveränderlichen
Dauermagnetmotors gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
-
Der
drehzahlveränderliche
Dauermagnetmotor dieser Ausführungsform
weist einen ersten Anker 1, einen im Inneren des ersten
Ankers 1 angeordneten zweiten Anker 2 und einen
im Inneren des zweiten Ankers 2 angeordneten Läufer 5 auf.
Der erste und der zweite Anker 1, 2 sind konzentrisch
angebracht und voneinander durch einen schmalen Spalt 3 getrennt.
Der zweite Anker 2 und der Läufer 5 sind ebenfalls
konzentrisch angebracht und voneinander durch einen Luftspalt 4 getrennt.
Der Motor der ersten Ausführungsform
ist ein 8-Pol-, 6-Nut-Dauermagnetemotor,
wie in 1 zu sehen ist, aber die Erfindung ist hinsichtlich
der Anzahl von Polen und Nuten nicht auf das gezeigte Beispiel beschränkt.
-
Der
erste Anker 1 hat ein Läuferblechpaket 11,
in dem eine Vielzahl von Zähnen 11b an
einer gekrümmten
inneren Oberfläche
eines Blechpaketrückens 11a in
regelmäßigen Abständen entlang
einer Umfangsrichtung ausgebildet sind, und Ankerspulen 12 für die Einzelphasen,
die in Nuten eingepaßt
sind, die von den aufeinanderfolgenden Zähnen 11b gebildet
sind. Der erste Anker 1 ist an einer gekrümmten inneren
Oberfläche
eines Gehäuses 6 festgelegt.
-
Der
zweite Anker 2 weist Ankerspulen 22 für eine Vielzahl
von Phasen auf. Diese Ankerspulen 22 sind unter Verwendung
von nichtmagnetischem nichtleitfähigem
Material wie etwa Formharz zu einer Einzelkonstruktion geformt.
Der zweite Anker 2 ist an einer gekrümmten äußeren Oberfläche eines
Tragzylinders 7 befestigt, der aus einem nichtmagnetischen nichtleitfähigen Material
wie etwa einem Kunststoff besteht, und ist in dem Gehäuse 6 angebracht.
Der Tragzylinder 7 ist mit Lagern 8 drehbar abgestützt, die
an Halterungen 61 befestigt sind, die am linken und rechten
Ende des Gehäuses 6 angeordnet
sind, wobei der Tragzylinder 7 mit einem Stirnrad 9 ausgerüstet ist,
das innerhalb eines vorgegebenen mechanischen Winkelbereichs gedreht werden
kann. Das Stirnrad 9 kämmt
mit einem Stirnrad 15, das außerhalb des Gehäuses 6 vorgesehen
und auf einer Welle eines Antriebsmotors 16 befestigt ist.
-
Wenn
der Antriebsmotor 16 das Stirnrad 9 über das
Stirnrad 15 um einen bestimmten mechanischen Winkel dreht,
dreht sich der zweite Anker 2 um einen entsprechenden mechanischen
Winkel gemeinsam mit dem Tragzylinder 7, und infolgedessen werden
die elektrischen Winkelpositionen des ersten und des zweiten Ankers 1, 2 in
der Umfangsrichtung relativ geändert.
Eine Technik zum Ändern
der Werte von in den Ankerspulen 12, 22 des ersten
und des zweiten Ankers 1, 2 induzierten kombinierten
Spannungen durch Ändern
eines relativen elektrischen Winkels zwischen den beiden Ankern 1, 2 in
der Umfangsrichtung wird hier nicht im einzelnen beschrieben, weil
diese Technik bekannt ist.
-
Die
Ankerspulen 12 und 22 des ersten und des zweiten
Ankers 1, 2 sind für jede Phase in Reihe verbunden.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, sind die Ankerspulen 12 und 22 der
Einzelphasen des ersten und des zweiten Ankers 1, 2 durch
Kabel verbunden, die hinreichende Länge haben, so daß die Kabel auch
dann nicht brechen, wenn der zweite Anker 2 vollständig in
Extremstellungen des erwähnten
vorgegebenen Winkelbereichs in der Umfangsrichtung gedreht wird.
-
Der
Läufer 5 weist
ein Feldeisen 51, eine in das Feldeisen 51 auf
einer Mittelachse davon eingesetzte Welle 52 und eine Vielzahl
von Dauermagneten 53 auf, die an einer gekrümmten äußeren Oberfläche des
Feldeisens 51 in regelmäßigen Abständen entlang
der Umfangsrichtung angebracht sind. Die Welle 52 ist an
beiden Enden in Lagern 17 drehbar abgestützt, die
in linke und rechte Halterungen 61 des Gehäuses 6 eingesetzt
sind. Diese Axt von Konstruktion zur Abstützung beider Enden der Welle 52 des
Läufers 5 mittels
der Lager 17 ist mechanisch robust und äquivalent einer Stützkonstruktion,
die in herkömmlichen
elektrischen Rotationsmaschinen allgemein verwendet wird, so daß die Stützkonstruktion der
Ausführungsform
auch bei allgemein existierenden elektrischen Rotationsmaschinen
anwendbar ist, deren Läufer
große
axiale Länge
hat.
-
3 ist
eine grafische Darstellung einer charakteristischen Kurve, die erhalten
ist durch die Analyse elektromagnetischer Felder, die von den Summen
von Spannungen (kombinierten Spannungen) erzeugt werden, die in
den Ankerspulen 12, 22 der Einzelphasen induziert
werden, wenn die elektrischen Winkelpositionen des ersten und des
zweiten Ankers 1, 2 in dem Motor der 1 und 2 in
der Umfangsrichtung relativ geändert
werden. Die Horizontalachse von 3 bezeichnet
einen relativen elektrischen Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten
Anker 1, 2 in der Umfangsrichtung, und die Vertikalachse
bezeichnet eine normalisierte kombinierte Spannung, die in den Ankerspulen 12, 22 einer Phase
der beiden Anker 1, 2 induziert wird.
-
Wie
aus 3 ersichtlich ist, ist es möglich, die in den Ankerspulen 12, 22 jeder
Phase induzierte kombinierte Spannung dadurch zu ändern, daß der relative
elektrische Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 bei
dem Dauermagnetmotor der ersten Ausführungsform, die wie beschrieben ausgebildet
ist, geändert
wird. Dieses Merkmal der Ausführungsform
ermöglicht
es, den Motor auf einfache Weise mit veränderlichen Drehzahlen auf gesteuerte
Weise durch Feldschwächungs-Steuerung zu
betreiben und den Motor mit weniger elektrischen Einschränkungen
und einem erhöhten
Konstruktions-Freiheitsgrad zu fertigen.
-
Wenn
die beiden Anker 1, 2 wie bei der vorliegenden
Ausführungsform
konzentrisch angeordnet sind, sollte der relative elektrische Winkel
zwischen dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 mit
180° eingestellt
sein, um die kombinierte Spannung jeder Phase auf ungefähr null
zu reduzieren, wie aus 3 ersichtlich ist. Im Fall eines
Motors jedoch, der drei konzentrisch angeordnete Anker hat, kann
die Vektorsumme der Spannungen, die in Spulen jeder Phase der drei
Anker induziert werden, dadurch zu ungefähr null gemacht werden, daß der relative
elektrische Winkel zwischen dem einen und dem nächsten der drei Anker mit 120° eingestellt
wird.
-
Bei
dem oben beschriebenen Motor der ersten Ausführungsform hat der erste Anker 1 das
Läuferblechpaket 11 und
befindet sich in einer äußersten Position,
wie die 1 und 2 zeigen,
so daß der erste
Anker 1 schwerer als der zweite Anker 2 ist. Bei dem
Motor der ersten Ausführungsform
wird der zweite Anker 2, der leichter ist und somit geringere Trägheit zeigt,
von dem Antriebsmotor 16 wie oben erläutert gedreht. Das ist vorteilhaft,
um den relativen elektrischen Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten
Anker 1, 2 rasch zu ändern. Die vorgenannte Konstruktion
der ersten Ausführungsform,
bei welcher der schwerere erste Anker 1 fest angebracht und
der leichtere zweite Anker 2 drehbar angebracht ist, ist
auch im Hinblick auf diesen Aspekt vorteilhaft.
-
4 ist
eine grafische Darstellung von charakteristischen Kurven, wobei
Ergebnisse einer Untersuchung der Größe eines Reaktionsmoments gezeigt
sind, das infolge eines von dem Läufer 5 in der Konstruktion
der ersten Ausführungsform
erzeugten Drehmoments auf den zweiten Anker 2 wirkt, wobei der
zweite Anker 2 keinen gezahnten Tragkörper hat und bei einer modifizierten
Konstruktion der zweite Anker 2 einen gezahnten Tragkörper hat.
Die Horizontalachse in 4 bezeichnet die an dem Läufer 5 erzeugte
Drehkraft, und die Vertikalachse bezeichnet das Reaktionsmoment,
das auf den zweiten Anker 2 wirkt. Die Größe des Reaktionsmoments,
das auf den zweiten Anker 2 wirkt, ändert sich mit dem relativen elektrischen
Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2.
Größenbereiche
des Reaktionsmoments sind in 4 für beide
Konstruktionen schraffiert dargestellt.
-
Aus 4 ist
zu sehen, daß der
Absolutwert des Reaktionsmoments, das auf den zweiten Anker 2 wirkt,
bei der Konstruktion, die den zweiten Anker 2 ohne gezahnten
Tragkörper
verwendet, kleiner ist als bei der Konstruktion, die den zweiten
Anker 2 mit dem gezahnten Tragkörper verwendet. Bei der Konstruktion
der ersten Ausführungsform
hat der zweite Anker 2 keinen gezahnten Tragkörper, wogegen
der erste Anker 1 die Zähne 11b hat,
die an dem Ankerttagkörper 11 gebildet
sind. Diese Konstruktion der Ausführungsform ist insofern vorteilhaft,
als die Größe des Reaktionsmoments,
das auf den zweiten Anker 2 wirkt, klein ist. Dieses Merkmal
der Ausführungsform
erzeugt in Kombination mit dem erwähnten Merkmal, daß der schwerere
erste Anker 1 fest angebracht ist, die vorteilhafte Wirkung,
daß eine Stützkonstruktion
für den
zweiten Anker 2 ohne weiteres konfiguriert werden kann.
-
Es
versteht sich aus der vorstehenden Erörterung, daß der drehzahlveränderliche
Dauermagnet-Motor
der ersten Ausführungsform
insofern vorteilhaft ist, als der Motor ohne weiteres auf gesteuerte Weise
mit veränderlichen
Drehzahlen betrieben werden kann, indem die elektrischen Winkelpositionen des
ersten und des zweiten Ankers 1, 2 in der Umfangsrichtung
relativ geändert
werden und dadurch die Werte der kombinierten Spannungen geändert werden,
die in den Ankerspulen 12, 22 der Einzelphasen
induziert werden. Da außerdem
die Achse 52 des Läufers 5 an
beiden Enden in den Lagern 17 mit einfacher Konstruktion
abgestützt
sind, wird der Läufer 5 mit
hoher Steifigkeit abgestützt.
Diese Stützkonstruktion
der Ausführungsform
kann bei allgemein verwendeten rotierenden Elektromaschinen, deren Läufer große axiale
Länge hat,
ohne weiteres angewandt werden.
-
Ferner
ist bei dem drehzahlveränderlichen Dauermagnet-Motor
der ersten Ausführungsform
der erste Anker 1 fest angebracht, und der zweite Anker 2 ist
drehbar angebracht, wobei der zweite Anker 2 keinen gezahnten
Tragkörper 11 aufweist.
Somit sind das Trägheitsmoment
des zweiten Ankers 2 und das auf den zweiten Anker 2 wirkende
Reaktionsmoment so gering, daß der
relative elektrische Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten
Anker 1, 2 in der Umfangsrichtung rasch geändert werden
kann.
-
Die
vorstehende erste Ausführungsform
wurde zwar unter Bezugnahme auf ein Beispiel beschrieben, bei dem
die beiden Anker 1, 2 konzentrisch angeordnet
sind, aber die Erfindung ist nicht auf die Ausbildung dieses speziellen
Beispiels beschränkt, sondern
auch bei einem Motor anwendbar, der drei oder mehr konzentrisch
angeordnete Anker hat, wobei dennoch die gleichen vorteilhaften
Auswirkungen erzielt werden, die vorstehend erörtert wurden.
-
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
-
5 ist
eine Querschnittsansicht in Querrichtung eines drehzahlveränderlichen
Dauermagnet-Motors
gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
Erfindung, wobei identische oder äquivalente Elemente wie bei
der ersten Ausführungsform
der 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen
sind.
-
Für den Motor
der zweiten Ausführungsform ist
charakteristisch, daß der
Motor einen ersten Anker 1 mit der gleichen Konstruktion
wie die erste Ausführungsform
und einen zweiten Anker 2 aufweist, der Ankerspulen 22 für Vielfachphasen
und eine Vielzahl von Zähnen 23 hat,
die jeweils zwischen einer Ankerspule 22 und der nächsten liegen.
Die Ankerspulen 22 und die Zähne 23 sind zu einer
einzigen Konstruktion geformt unter Verwendung eines nichtmagnetischen
nichtleitfähigen
Materials wie etwa Formharz.
-
Wenn
sowohl der erste als auch der zweite Anker 1, 2 mit
den Zähnen 11b, 23 versehen
sind, was bei der zweiten Ausführungsform
der Fall ist, werden Kraftlinienwege mit niedriger Reluktanz zum Leiten
des von den am Läufer 5 angebrachten
Dauermagneten 53 erzeugten Magnetflusses leichter ausgebildet
als bei dem zweiten Anker 2 der ersten Ausführungsform,
der keine Zähne
hat (1). Infolgedessen nehmen die Flußverkettungen
an dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 zu.
-
Ein
an dem Läufer 5 erzeugtes
Drehmoment ist proportional zu dem Produkt aus dem Magnetfluß, der von
den Dauermagneten 53 erzeugt wird, und einer magnetomotorischen
Kraft, die von den Ankerspulen 22 erzeugt wird, so daß das an
dem Läufer 5 erzeugte
Drehmoment um so größer ist,
je größer der von
den Dauermagneten 53 erzeugte Magnetfluß ist. Daher ist die vorstehende
Konstruktion der zweiten Ausführungsform,
bei der sowohl der erste als auch der zweite Anker 1, 2 mit
den Zähnen 11b, 23 versehen
sind, insofern vorteilhaft, als die Reluktanz der Kraftlinien minimiert
wird, so daß zugelassen
wird, daß der
Magnetfluß leicht
fließt
und ein großes
Drehmoment an dem Läufer 5 erzeugt
wird.
-
Unter
Bezugnahme auf den Motor der zweiten Ausführungsform, bei dem sowohl
der erste als auch der zweite Anker 1, 2 mit Zähnen 11b, 23 versehen
sind, wird nun eine Beziehung zwischen der Zahl von Polen, die von
den Dauermagneten 53 gebildet sind, und der Zahl von Nuten,
die in jedem von dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 gebildet
sind, betrachtet.
-
Wie 5 zeigt,
ist der Motor der zweiten Ausführungsform
ein 8-Pol-, 6-Nut-Dauermagnetmotor. 6A ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht in Querrichtung dieses
8-Pol-, 6-Nut-Motors
und zeigt einen Zustand, bei dem der elektrische Winkel jedes Zahns 23 des
zweiten Ankers 2 relativ zu jedem Zahn 11b des
ersten Ankers 1 sich von 0° bis 180° ändert. 6B ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht in Querrichtung eines 8-Pol-, 12-Nut-Motors
als Vergleichsbeispiel und zeigt einen Zustand, bei dem der elektrische
Winkel jedes Zahns 23 eines zweiten Ankers 2 relativ
zu jedem Zahn 11b eines ersten Ankers 1 sich von
0° bis 180° ändert.
-
Im
Fall des 8-Pol-, 6-Nut-Motors entspricht ein elektrischer Winkel
von 180° einem
mechanischen Winkel von 45°.
Ferner ist bei dem 8-Pol-, 6-Nut-Motor von 6A ein
Winkelabstand von Zahn zu Zahn 60°,
da in jedem von dem ersten und dem zweiten Anker 1, 26 Nuten
gebildet sind, wogegen ein Winkelabstand von Zahn zu Zahn bei dem 8-Pol-,
12-Nut-Motor von 6B 30° ist, da in jedem von dem ersten
und dem zweiten Anker 1, 2 12 Nuten gebildet sind.
-
Es
wird auf 6A Bezug genommen; wenn der
zweite Anker 2 von einer 0-Grad-Position, die in Strichlinien
gezeigt ist und in der die Zähne 23 des zweiten
Ankers 2 den entsprechenden Zähnen 11b des ersten
Ankers 1 zugewandt sind, in eine 180-Grad-Position bewegt
wird, die in Vollinien als relativer elektrischer Winkel in dem
8-Pol-, 6-Nut-Motor gezeigt ist, befindet sich jeder von den Zähnen 23 des
zweiten Ankers 2 an einer Position unmittelbar hinter einem
benachbarten Zahn 11b, der von der 0-Grad-Position um einen
mechanischen Winkel von 60° oder
den Zahn-zu-Zahn-Winkelabstand
des ersten Ankers 1 getrennt ist. Wenn dagegen in 6B der
zweite Anker 2 sich von einer 0-Grad-Position, die in Strichlinien
gezeigt ist und in der die Zähne 23 des
zweiten Ankers 2 den entsprechenden Zähnen 11b des ersten
Ankers 1 zugewandt sind, in eine 180-Grad-Position bewegt,
die in Vollinien als relativer elektrischer Winkel in dem 8-Pol-,
12-Nut-Motor gezeigt ist, befindet sich jeder der Zähne 23 des zweiten
Ankers 2 an einer Position unmittelbar über einen benachbarten Zahn 11b hinaus,
der von der 0-Grad-Position um einen mechanischen Winkel von 30° oder den
Zahn-zu-Zahn-Winkelabstand des ersten Ankers 1 getrennt
ist.
-
7 ist
ein Diagramm von charakteristischen Kurven, die durch eine Analyse
elektromagnetischer Felder erhalten sind, die von den Summen von
Spannungen (kombinierten Spannungen) erzeugt werden, die in den
Ankerspulen 12, 22 der Einzelphasen induziert
werden, wenn die elektrischen Winkelpositionen des ersten und des
zweiten Ankers 1, 2 in der Umfangsrichtung bei
dem 8-Pol-, 6-Nut-Motor und dem 8-Pol-, 12-Nut-Motor relativ geändert werden.
Die Horizontalachse von 7 bezeichnet einen relativen
elektrischen Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 in
der Umfangsrichtung, und die Vertikalachse bezeichnet eine normalisierte
kombinierte Spannung, die in den Ankerspulen 12, 22 einer
Phase der beiden Anker 1, 2 induziert wird.
-
Aus 7 geht
hervor, daß dann,
wenn die Zähne 23 des
zweiten Ankers 2 aus der 0-Grad-Position in die 180-Grad-Position gemäß 6A bewegt
werden und der relative elektrische Winkel zwischen dem ersten und
dem zweiten Anker 1, 2 größer wird, die in den Ankerspulen 12, 22 jeder
Phase induzierte kombinierte Spannung in dem 8-Pol-, 6-Nut-Motor
allmählich
geringer wird. Im Fall des 8-Pol-, 12-Nut-Motors dagegen wird die
in den Ankerspulen 12, 22 jeder Phase induzierte
kombinierte Spannung nicht allmählich
mit Änderungen
des relativen elektrischen Winkels zwischen dem ersten und dem zweiten
Anker 1, 2 geringer. Insbesondere ist die charakteristische
Kurve des 8-Pol-, 12-Nut-Motors in einem Bereich etwa um einen relativen
elektrischen Winkel von 90° herum
relativ flach, wo sich die kombinierte Spannung selbst dann nur
geringfügig ändert, wenn
der relative elektrische Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten
Anker 1, 2 geändert
wird.
-
Der
drehzahlveränderliche
Dauermagnetmotor der zweiten Ausführungsform soll mittels Feldschwächungs-Steuerung
betrieben werden, indem Änderungen
des relativen elektrischen Winkels zwischen dem ersten und dem zweiten
Anker 1, 2 zugelassen werden. Daher wird für die Durchführung des Feldschwächungs-Steuervorgangs
die obige Beschaffenheit des 8-Pol-, 12-Nut-Motors von 6B, bei
dem das Maß der Änderung
der kombinierten Spannungen relativ zu Änderungen des relativen elektrischen
Winkels zwischen dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 in
dem Bereich etwa um den relativen elektrischen Winkel von 90° herum klein
ist, nicht bevorzugt.
-
Bei
dem Motor der zweiten Ausführungsform ist
die Zahl von Nuten kleiner als die Zahl von Polen gemacht, wie oben
beschrieben wird. Es besteht daher eine Beziehung, die angenähert durch
eine lineare Funktion zwischen dem relativen elektrischen Winkel
zwischen dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 und
der kombinierten Spannung ausgedrückt wird, die in den Ankerspulen 12, 22 jeder
Phase bei dem Motor der zweiten Ausführungsform induziert wird. Das
bedeutet, daß die
in den Ankerspulen 12, 22 jeder Phase induzierte
kombinierte Spannung mit einer Vergrößerung des relativen elektrischen
Winkels zwischen dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 allmählich abnimmt,
so daß der
Motor kontrolliert auf einfache Weise durch Feldschwächungs-Steuerung betrieben
werden kann.
-
Da
ferner die Reluktanz der Kraftlinien durch das Vorhandensein der
Zähne 11b, 23 des
ersten und des zweiten Ankers 1, 2 minimiert wird,
so daß der
Magnetfluß leicht
fließen
kann, bietet die obige Konstruktion der zweiten Ausführungsform
den vorteilhaften Effekt, daß an
dem Läufer 5 ein
großes Drehmoment
erzeugt wird.
-
Die
zweite Ausführungsform
wurde bisher unter Bezugnahme auf ein Beispiel beschrieben, bei dem
der Motor zwei konzentrisch angeordnete Anker 1, 2 hat,
aber die Konstruktion der zweiten Ausführungsform ist auch bei einem
Motor anwendbar, der drei oder mehr konzentrisch angeordnete Anker
hat, wenn die Beziehung zwischen der Polzahl und der Nutzahl richtig
bestimmt ist, wie oben kurz beschrieben wurde. Dieser Aspekt wird
nachstehend weiter ausgeführt.
-
Wenn
man die Zahl von konzentrisch angeordneten Ankern mit N ausdrückt, erhält man einen maximalen
relativen elektrischen Winkel θe,
bei dem die Vektorsumme der Spannungen, die in Spulen jeder Phase
von N Ankern zu null wird, durch die nachstehende Gleichung (1)
ausgedrückt
wird: θe = 2π/N (1)
-
Wenn
man die Zahl der Pole, die von den Dauermagneten 53 gebildet
sind, mit Np bezeichnet, wird ein maximaler relativer mechanischer
Winkel θm durch
die nachstehende Gleichung (2) ausgedrückt unter Verwendung des maximalen
relativen elektrischen Winkels θe
der Gleichung (1): θm = 2θe/Np (2)
-
Wenn
die Zahl der Nuten Ns ist, wird ein Winkelabstand θs von Nut
zu Nut durch die nachstehende Gleichung (3) ausgedrückt: θs = 2θe/Ns (3)
-
Eine
Bedingung, die erforderlich ist, um eine allmähliche Abnahme der in den Ankerspulen 12, 22 induzierten
kombinierten Spannung sicherzustellen, ist, daß der Winkelabstand θs von Nut
zu Nut größer als
der maximale relative mechanische Winkel θm oder θm < θs
ist. Diese Beziehung kann aus den obigen Gleichungen (1) bis (3)
wie folgt ausgedrückt werden: Ns < N·Np/2 (4)
-
Aus
der vorstehenden Erörterung
ist ersichtlich, daß ungeachtet
der Tatsache, ob der Motor von einem Typ mit zwei Ankern oder mit
drei oder mehr Ankern ist, es möglich
ist, das oben genannte Phänomen
zu erschaffen, bei dem die in den Ankerspulen jeder Phase induzierte
kombinierte Spannung mit einer Vergrößerung des relativen elektrischen
Winkels zwischen den Ankern allmählich
geringer wird, wenn die einzelnen Anker mit Zähnen versehen sind und die
Zahl der Pole Np und die Zahl der Nuten Ns richtig bestimmt ist,
so daß sie
den Bedingungen genügen, die
durch die vorstehende Ungleichung (4) definiert sind.
-
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
-
8 ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht in Querrichtung eines drehzahlveränderlichen
Dauermagnetmotors gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung, wobei identische oder äquivalente Elemente wie bei
der ersten Ausführungsform
nach den 1 und 2 mit den
gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Einfachheit halber sind
in 8 Ankerspulen und ein Läufer 5 nicht dargestellt.
-
Für den Motor
der dritten Ausführungsform ist
charakteristisch, daß konzentrisch
angeordnete erste und zweite Anker 1, 2 ihre jeweiligen
Zähne 11b, 21b haben
und daß die
Zähne 21b des
zweiten Ankers 2 durch einem zylindrischen magnetischen Ring 21a miteinander
verbunden sind.
-
Wie
im Fall der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform
umfaßt
dabei der erste Anker 1 ein Läuferblechpaket 11,
dessen Zähne 11b an
einer gekrümmten
inneren Oberfläche
eines zylindrischen Blechpaketrückens 11a entlang
einer Umfangsrichtung ausgebildet sind, und die genannten, nicht
gezeigten Ankerspulen, die in Nuten eingesetzt sind, die von den
aufeinanderfolgenden Zähnen 11b gebildet
sind. Andererseits umfaßt
der zweite Anker 2 ein Läuferblechpaket 21,
dessen Zähne 21b an
einer gekrümmten äußeren Oberfläche des
zylindrischen Magnetrings 21a in regelmäßigen Abständen entlang der Umfangsrichtung
ausgebildet sind, und die genannten, nicht gezeigten Ankerspulen,
die in Nuten eingesetzt sind, die von den aufeinanderfolgenden Zähnen 21b gebildet
sind. Der Magnetring 21a und die Zähne 21b sind einstückig ausgebildet durch
Laminieren von strukturierten Flächenkörpern bzw.
Blechen, die beispielsweise durch Schneiden (Stanzen) erhalten sind,
um dem zweiten Anker 2 in dem Motor der dritten Ausführungsform
Steifigkeit zu verleihen. Bei einer Abwandlung der Ausführungsform
kann das Läuferblechpaket 21 gebildet
sein, indem der Magnetring 21a und die Zähne 21b separat geformt
und der Magnetring 21a und die Zähne 21a beispielsweise
durch Verwendung von Formharz zu einer einzigen Konstruktion miteinander
vereinigt sind.
-
Es
wird nun ein Vorteil erläutert,
der durch die oben beschriebene Konstruktion der dritten Ausführungsform
erhalten wird, bei welcher der zweite Anker 2 den die Zähne 21b aufweisenden
Magnetring 21a hat.
-
Wenn
der Außendurchmesser
des Läufers 5 mit
D und die Zahl der von den Dauermagneten 53 gebildeten
Pole mit Np bezeichnet wird, wird ein Winkelabstand W von Pol zu
Pol des zweiten Ankers 2 gemäß der folgenden Gleichung (5)
ausgedrückt: W = πD/Np (5)
-
Da
der Motor so ausgelegt ist, daß die
von den Dauermagneten 53 an dem Läufer 5 erzeugten Magnetflußdichten
B (deren Spitzenwert B0 ist) typischerweise in einem allgemein sinusförmigen Verlauf entlang
der Umfangsrichtung verteilt sind, ist ein Mittelwert Ba der Magnetflußdichten
gegeben durch Ba = 2B0/π.
Da außerdem
der Motor so ausgelegt ist, daß der
Magnetfluß,
der von ungefähr
einem Pol des Dauermagneten 53 erzeugt wird, im Fall eines
konzentrierten Windungstyps mit einem Zahn 21b verkettet
ist, besteht eine Beziehung, die gemäß der folgenden Gleichung (6)
ausgedrückt
wird: S1/W = Ba/Bt (6)wobei Bt
die Magnetflußdichte
an einem äußersten Ende
jedes Zahns 21b des zweiten Ankers 2 und S1 die
Breite jedes Zahns 21b, gemessen entlang der Umfangsrichtung,
ist.
-
Wenn
man W in der Gleichung (6) durch die Gleichung (5) substituiert,
kann die Gleichung (6) wie folgt umgeschrieben werden: S1 = (2D·Bo)/(Np·Bt) (7)
-
Dabei
wird davon ausgegangen, daß der
von den Dauermagneten 53 erzeugte Magnetfluß ϕ0
ist, der durch jeden Zahn 21b des zweiten Ankers 2 fließende Magnetfluß ϕ1
ist und der zu dem Magnetring 21a fließende (oder streuende) Magnetfluß ϕ2
ist, wie in 8 zu sehen ist. Bei gegebenem
Verhältnis 1/K
des maximalen zulässigen
Streuflusses, der durch den Magnetring 21a geht, zu dem
Gesamtmagnetfluß erhält man eine
Beziehung, die durch die Ungleichung (8) ausgedrückt wird: ϕ1 > K·ϕ2 (8)
-
Im
allgemeinen ist der Magnetfluß proportional
zu der Querschnittsfläche
und der relativen Permeabilität
eines Kraftlinienwegs und umgekehrt proportional zu der Länge des
Kraftlinienwegs. Daher kann die Ungleichung (8) wie folgt umgeschrieben werden: μs1·S1/L1 > μs2·S2/L2 (9) wobei μs1 die relative
Permeabilität
eines Spalts 3 zwischen dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 ist, μs2 die relative
Permeabilität
der Läuferblechpakete 11, 21 des
ersten und des zweiten Ankers 1, 2 ist, L die
Distanz zwischen den Zähnen 11b des
ersten Ankers 1 und den Zähnen 21b des zweiten
Ankers 2, gemessen in einer Radialrichtung, ist, L2 die
Distanz zwischen einem Zahn 21b und dem nächsten Zahn des
zweiten Ankers 2, gemessen entlang der Umfangsrichtung,
ist, S1 die Breite jedes Zahns 21b ist und S2 die Dicke
des Magnetrings 21a des zweiten Ankers 2 ist.
-
Die
Distanz L2 ist das, was durch Subtraktion der Breite S1 jedes Zahns 21b von
einem Nut-zu-Nut-Abstand
des zweiten Ankers 2 erhalten wird. Bei gegebener Zahl
von Nuten Ns des zweiten Ankers 2 ist daher L2 = πD/Ns–S1. Da
der Spalt 3 zwischen dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 gewöhnlich eine
Schicht ist, die mit einem nichtmagnetischen Material oder Luft
gefüllt
ist, ist μs1
= 1. Somit kann die Ungleichung (9) wie folgt umgeschrieben werden: S2 < 2B0·D2 {(π/Ns) – 2B0/(Np·Bt)}/(μs2·L1·K·Np·Bt). (10)
-
9 ist
ein Diagramm mit charakteristischen Kurven und zeigt, wie sich die
relative Permeabilität
von typischen elektromagnetischen Stahlblechen mit Änderungen
der Magnetflußdichte ändert. Die
Horizontalachse von 9 bezeichnet die Magnetflußdichte
B, und die Vertikalachse bezeichnet die relative Permeabilität μs. Eine der
beiden Kurven in 9 ist für ein elektromagnetisches Stahlblech,
das 3 % Silicium (Si) als Additiv enthält, und die andere ist für ein elektromagnetisches
Stahlblech, das kein Silicium enthält.
-
Die
meisten Magnetwerkstoffe, die zur Bildung eines Magnetpfads verwendet
werden, enthalten typischerweise 3 % oder weniger Silicium. Aus diesem
Grund sinkt die relative Permeabilität von in einem Läuferblechpaket
gebildeten Magnetpfaden rasch auf 10 oder weniger ab, so daß die Magnetpfade
magnetisch gesättigt
werden, wenn die Magnetflußdichte über einen
Punkt von ungefähr
2T hinausgeht.
-
Bei
dem Motor der dritten Ausführungsform, der
wie oben beschrieben ausgebildet ist, wird der Magnetring 21a des
zweiten Ankers 2 in einem magnetisch vollständig gesättigten
Zustand verwendet, und daher wird die relative Permeabilität des Magnetrings 21a zu
ungefähr
10 oder weniger, wie aus der Kurve von 9 ersichtlich
ist. Somit ist die relative Permeabilität μs auf 10 eingestellt, und die
nachstehend beschriebene mathematische Operation wird ausgeführt.
-
10 ist
eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen dem von den
Dauermagneten 53 erzeugten Magnetfluß ϕ0 und dem Verhältnis des durch
die Einzelzähne 21b des
zweiten Ankers gehenden Magnetflusses zu dem Gesamtmagnetfluß. Aus 10 ist
ersichtlich, daß der
durch die Zähne 21b gehende
Magnetfluß rasch
abnimmt, wenn der Wert von K zu ungefähr 3 oder kleiner wird. Daher kann
der Streufluß auf
oder unter einen zulässigen Wert
begrenzt werden, wenn der Wert von K ungefähr 3 oder größer ist.
Um etwas mehr Toleranz zu erhalten, ist bei der vorliegenden Ausführungsform
der Wert von K mit 4 (K = 4) eingestellt. Typischerweise ist ein
Dauermagnetmotor so ausgelegt, daß der Spitzenwert B0 der Magnetflußdichte
ungefähr
1T und die Magnetflußdichte
Bt an einem äußersten Ende
jedes Zahns ungefähr
2T ist. Bei dem Motor der vorliegenden Ausführungsform ist der Spitzenwert B0
mit 1 (B0 = 1) und die Magnetflußdichte Bt mit 2 (Bt = 2) eingestellt.
-
Wenn
man diese Werte in die obige Ungleichung (10) substituiert, erhält man die
nachstehende Ungleichung (11): S2 < D2 {(π/Ns) – (1/Np)}/(40·L1·Np) (11)
-
Es
versteht sich aus der obigen Erörterung, daß der zu
dem Magnetring 21a streuende Magnetfluß ϕ2 unter den maximal
zulässigen
Streufluß begrenzt
werden kann, wenn die Dicke S2 des Magnetrings 21a mit
einem Wert vorgegeben ist, der den durch die Ungleichung (11) definierten
Bedingungen genügt.
-
Bei
dem Dauermagnetmotor der dritten Ausführungsform weist der zweite
Anker 2 den Magnetring 21a auf, dessen Dicke S2
den Bedingungen der Ungleichung (11) genügt, wie oben erläutert wird. Diese
Konstruktion der dritten Ausführungsform
ist insofern vorteilhaft, als es möglich ist, die mechanische
Festigkeit des zweiten Ankers 2 zu steigern und ihm hohe
Steifigkeit zu verleihen, während
gleichzeitig der in den Magnetring 21a streuende Magnetfluß unter
einem zulässigen
Wert gehalten wird.
-
Bei
der oben beschriebenen Konstruktion der dritten Ausführungsform
(8) befindet sich der Magnetring 21a zwar
an der Innenseite der Zähne 21b;
die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann der
Motor dieser Ausführungsform
so modifiziert werden, daß der
Magnetring 21a an der Außenseite der Zähne 21b liegt,
wie 11 zeigt. Ein so ausgebildeter drehzahlveränderlicher Dauermagnetmotor
ergibt im wesentlichen die gleichen vorteilhaften Wirkungen wie
der Motor der dritten Ausführungsform.
-
Da
ferner bei der dritten Ausführungsform sowohl
der erste als auch der zweite Anker 1, 2 ihre jeweiligen
Zähne 11b, 21b haben,
kann der Motor der dritten Ausführungsform
wie bei der zweiten Ausführungsform
auf gut steuerbare Weise mit veränderlichen
Drehzahlen betrieben werden, wenn die Zahl der Pole Np und die Zahl
der Nuten Ns richtig festgelegt ist, so daß den Bedingungen der obigen
Ungleichung (4) genügt
ist.
-
VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
-
12 ist
eine grafische Darstellung von charakteristischen Kurven eines drehzahlveränderlichen
Dauermagnetmotors gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung, bei dem sowohl der erste als auch der zweite Anker 1, 2 ebenso
wie bei der dritten Ausführungsform
(8) ihre jeweiligen Zähne 11b, 21b haben.
Beispielsweise zeigen die charakteristischen Kurven Ergebnisse einer
Untersuchung der Größe von Reaktionsmomenten,
die auf den ersten und den zweiten Anker 1, 2 infolge
eines an einem Läufer 5 erzeugten
Drehmoments wirken. Die Horizontalachse von 12 bezeichnet
das an dem Läufer 5 erzeugte
Drehmoment, und die Vertikalachse bezeichnet das Reaktionsmoment,
das auf jeden von dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 wirkt.
Die Größe der Reaktionsmomente,
die auf den ersten und den zweiten Anker 1, 2 wirken, ändert sich mit
dem relativen elektrischen Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten
Anker 1, 2. Bereiche der Größe der Reaktionsmomente sind
in 12 für
den ersten sowie den zweiten Anker 1, 2 schraffiert
gezeigt.
-
Aus 12 ist
ersichtlich, daß dann,
wenn der erste und der zweite Anker 1, 2 ihre
jeweiligen Zähne 11b, 21b haben,
der Absolutwert des auf den zweiten Anker 2 wirkenden Reaktionsmoments
größer als
derjenige ist, der auf den ersten Anker 1 wirkt. Bei dem
Motor der vierten Ausführungsform,
bei dem der erste und der zweite Anker 1, 2 mit
ihren Zähnen 11b, 21b versehen
sind, ist es daher vorteilhaft, wenn der zweite Anker 2,
auf den das Reaktionsmoment mit größerem Absolutwert wirkt, fest
angebracht ist und der erste Anker 1, auf den das Reaktionsmoment mit
kleinerem Absolutwert wirkt, drehbar angebracht ist, damit der relative
elektrische Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 rasch
geändert
werden kann, was von dem Fall der ersten Ausführungsform verschieden ist.
Der Grund hierfür
ist, daß der
erste Anker 1 mit einer kleineren äußeren Kraft gedreht werden
kann und eine einfachere Stützkonstruktion
hat.
-
Eine
solche Stützkonstruktion
kann realisiert werden durch festes Anbringen des zweiten Ankers 2 an
einem Gehäuse 6 über einen
Stützzylinder 7,
Anbringen des ersten Ankers 1 an einem anderen Stützzylinder,
der an der Außenseite
des zweiten Ankers 2 drehbar angebracht ist, und Vorsehen
eines Antriebsmotors außerhalb
des Gehäuses 6,
um beispielsweise den Stützzylinder
zu drehen, an dem der erste Anker 1 angebracht ist.
-
Wenn
der erste und der zweite Anker 1, 2 wie oben erwähnt mit
den jeweiligen Zähnen 11b, 21b versehen
sind, ist die angegebene Konstruktion der vierten Ausführungsform
insofern vorteilhaft, als der relative elektrische Winkel zwischen
dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 rasch geändert werden
kann, indem der erste Anker 1, auf den das Reaktionsmoment
mit kleinerem Absolutwert wirkt, durch eine kleine äußere Kraft
um den fest angeordneten zweiten Anker 2 gedreht wird.
-
Dieser
Aspekt der Konstruktion der vierten Ausführungsform ist ebenso bei der
vorher beschriebenen Konstruktion des Motors der zweiten Ausführungsform
(5) anwendbar, bei dem der erste Anker 1 die
Zähne 11b und
der zweite Anker 2 die Zähne 23 hat. Außerdem wurde
zwar die vierte Ausführungsform
unter Bezugnahme auf ein Beispiel beschrieben, das die zwei Anker 1, 2 aufweist,
aber die Konstruktion der Ausführungsform
ist auch bei einem Motor mit drei oder mehr konzentrisch angeordneten Ankern
anwendbar.
-
FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM
-
13 ist
ein erläuterndes
Schema, das allgemein zeigt, wie bei einem drehzahlveränderlichen Dauermagnetmotor
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung der Magnetfluß,
der von den Dauermagneten 53 eines Läufers 5 erzeugt wird,
mit Ankerspulen 22 eines zweiten Ankers 2 und
Ankerspulen 12 eines ersten Ankers 1 verkettet
ist. In der nachfolgenden Erläuterung
werden die Ankerspulen 12 des ersten Ankers 1 bzw.
die Ankerspulen 22 des zweiten Ankers 2 einfach
als die ersten Ankerspulen 12 bzw. die zweiten Ankerspulen 22 bezeichnet.
-
Der
von den Dauermagneten 53, die an dem Läufer 5 angebracht
sind, erzeugte Magnetfluß ist
sowohl mit den ersten Ankerspulen 12 als auch den zweiten
Ankerspulen 22 verkettet. Wie 13 zeigt, kann
der von den Dauermagneten 53 erzeugte Magnetfluß in zwei
Anteile aufgeteilt werden, und zwar den Magnetfluß Φ1, der mit
den ersten Ankerspulen 12 verkettet ist, und den Magnetfluß Φb, der entlang Schleifenpfaden
gebildet und kaum mit den ersten Ankerspulen 12 verkettet
ist. Das bedeutet, daß dann,
wenn die Windungszahl jeder ersten Ankerspule 12 gleich
derjenigen jeder zweiten Ankerspule 22 ist, der mit den
ersten Ankerspulen 12 verkettete Magnetfluß Φa kleiner
ist, und infolgedessen wird eine in jeder ersten Ankerspule 12 induzierte
Spannung niedriger als eine in jeder zweiten Ankerspule 22 induzierte
Spannung. Somit kann die kombinierte Spannung, die in den ersten
und zweiten Ankerspulen 12, 22 jeder Phase induziert
wird, auch dann nicht annähernd
zu null gemacht werden, wenn der relative elektrische Winkel zwischen
dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 in der Umfangsrichtung
auf 180° eingestellt
ist.
-
14 ist
ein Diagramm mit charakteristischen Kurven, die erhalten sind durch
die Analyse elektromagnetischer Felder, die von den Summen von Spannungen
(kombinierten Spannungen) erzeugt werden, die in den ersten und
zweiten Ankerspulen 12, 22 der Einzelphasen induziert
werden, wenn die elektrischen Winkelpositionen des ersten und des
zweiten Ankers 1, 2 in der Umfangsrichtung relativ
verändert
werden, und zwar in einem Fall, in dem die Windungszahl jeder ersten
Ankerspule 12 größer als
diejenige jeder zweiten Ankerspule 22 ist, und in einem
Fall, in dem die Windungszahl jeder ersten Ankerspule 12 gleich
derjenigen jeder zweiten Ankerspule 22 ist. Die Horizontalachse
von 14 bezeichnet einen relativen elektrischen Winkel
zwischen dem ersten und dem zweiten Anker 1, 2 in
der Umfangsrichtung, und die Vertikalachse bezeichnet eine normalisierte
kombinierte Spannung, die in den Ankerspulen 12, 22 einer
Phase der beiden Anker 1, 2 induziert wird.
-
Aus 14 ist
ersichtlich, daß zwar
die kombinierte Spannung, die in den ersten und zweiten Ankerspulen 12, 22 jeder
Phase induziert wird, annähernd
zu null gemacht werden kann, wenn die Windungszahl jeder ersten
Ankerspule 12 größer als
die jeder zweiten Ankerspule 22 ist, aber die kombinierte Spannung
kann nicht annähernd
zu null gemacht werden, wenn die Windungszahl jeder ersten Ankerspule 12 gleich
derjenigen jeder zweiten Ankerspule 22 ist.
-
Da
die kombinierte Spannung in 14 normalisiert
ist, bezeichnet der Kehrwert der normalisierten kombinierten Spannung
an einem Punkt von 180° auf
der Horizontalachse ein maximales variables Verhältnis der kombinierten Spannung.
Das maximale variable Verhältnis
der kombinierten Spannung ist ungefähr 30, wenn die Windungszahl
jeder ersten Ankerspule 12 größer als diejenige jeder zweiten
Ankerspule 22 ist, wogegen das maximale variable Verhältnis der
kombinierten Spannung ungefähr
5,6 ist, wenn die Windungszahl jeder ersten Ankerspule 12 gleich
derjenigen jeder zweiten Ankerspule 22 ist. Wenn die Windungszahl
jeder ersten Ankerspule 12 größer als diejenige jeder zweiten
Ankerspule 22 gemacht ist, wird das maximale variable Verhältnis der kombinierten
Spannung größer, und
infolgedessen kann die in den ersten und zweiten Ankerspulen 12, 22 jeder
Phase induzierte kombinierte Spannung innerhalb eines größeren Bereichs
variiert werden durch Verändern
des relativen elektrischen Winkels zwischen dem ersten und dem zweiten
Anker 1, 2. Daher kann der Motor der fünften Ausführungsform auf
kontrollierte Weise durch Feldschwächungs-Steuerung leichter mit
variablen Drehzahlen betrieben werden.
-
Der
zweite Anker 2 hat bei der vorstehenden Konstruktion der
fünften
Ausführungsform
gemäß 13 keine
Zähne,
aber der Motor der Ausführungsform
kann so modifiziert werden, daß der
zweite Anker 2 Zähne
wie im Fall des Motors der zweiten und dritten Ausführungsform
hat und dennoch die gleichen vorteilhaften Wirkungen der Erfindung
aufweist, die bisher angegeben wurden. Außerdem ist die Konstruktion
der fünften
Ausführungsform
ebenfalls bei einem Motor mit drei oder mehr konzentrisch angeordneten
Ankern anwendbar, bietet aber die gleichen bereits angegebenen vorteilhaften
Wirkungen der Erfindung, wenn die Windungszahl jeder Ankerspule
von einem Anker zum nächsten
radial nach außen
aufeinanderfolgend erhöht
wird, um eine Abnahme des Maßes
der Verkettung des von den Dauermagneten 53 des Läufers 5 erzeugten
Magnetflusses zu den Ankerspulen der einzelnen Anker auszugleichen.
-
SECHSTE AUSFÜHRUNGSFORM
-
15A ist eine fragmentarische Querschnittsansicht
in Längsrichtung
eines drehzahlveränderlichen
Dauermagnetmotors gemäß einer sechsten
Ausführungsform
der Erfindung, wobei Ankerspulen 12, 22 von ersten
und zweiten Ankern 1, 2 konzentriert gewickelt
sind, und 15B ist eine fragmentarische
Querschnittansicht in Längsrichtung eines drehzahlveränderlichen
Dauermagnetmotors, der als Vergleichsbeispiel gezeigt ist und bei
dem Ankerspulen 12, 22 von ersten und zweiten
Ankern 1, 2 verteilt gewickelt sind. In diesen
Figuren sind Läufer und
zugehörige
Teile nicht gezeigt, und der Einfachheit halber ist nur einer von
achssymmetrischen Bereichen jedes Motors dargestellt.
-
Wie
diese Figuren zeigen, sind Spulenendbereiche 12b, 22b der
verteilt gewickelten Ankerspulen 12, 22 von 15B erheblich größer als Spulenendbereiche 12a, 22a der
konzentriert gewickelten Ankerspulen 12, 22 von 15A. Da die Spulenendbereiche 12a, 22a der
konzentriert gewickelten Ankerspulen 12, 22 (15A) leichter als die Spulenendbereiche 12b, 22b der
verteilt gewickelten Ankerspulen 12, 22 (15B) sind, haben die Spulenendbereiche 12a, 22a der
konzentriert gewickelten Ankerspulen 12, 22 ein
kleineres Trägheitsmoment.
Somit bietet der Motor der sechsten Ausführungsform (15A) gegenüber
dem Motor des Vergleichsbeispiels (15B)
den Vorteil, daß der
relative elektrische Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten
Anker 1, 2 rasch geändert werden kann. Es ist daher
vorteilhaft, die Ankerspulen 12, 22 des ersten
und des zweiten Ankers 1, 2 konzentriert zu wickeln,
und zwar ohne Rücksicht
darauf, ob der erste Anker 1 oder der zweite Anker 2 zum Ändern des
relativen elektrischen Winkels zwischen dem ersten und dem zweiten
Anker 1, 2 gedreht wird.
-
Die
Erfindung nach der ersten bis sechsten Ausführungsform wurde bisher als
in den drehzahlveränderlichen
Dauermagnetmotoren implementiert beschrieben, aber die Erfindung
ist nicht darauf beschränkt,
sondern gleichermaßen
auch bei drehzahlveränderlichen
Dauermagnetgeneratoren anwendbar.