DE102006025396A1

DE102006025396A1 - Verbesserter mehrphasiger bürstenloser Motor mit einer verringerten Anzahl an Statorpolen

Info

Publication number: DE102006025396A1
Application number: DE102006025396A
Authority: DE
Inventors: Tomokazu Kariya Ishikawa; Masayuki Kariya Nashiki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2026-06-01
Also published as: KR100808287B1; JP4626405B2; CN1881758A; US7569962B2; KR20060125581A; CN1881758B; DE102006025396B4; US20060273684A1; JP2006340487A

Abstract

Ein A-phasiger bürstenloser Motor enthält einen Stator und einen Rotor, wobei A eine Ganzzahl größer gleich 2 ist. Der Stator weist q Statorpole auf, wobei q eine Ganzzahl größer gleich A ist. Die Statorpole bilden S Statorpolsätze, die jeweils aus A Statorpolen bestehen, wobei jeder mit einer der A PÜhasen korrespondiert, wobei S eine Ganzzahl gleich (q/A) ist. Der Rotor weist p Rotorpole auf, wobei p eine Ganzzahl größer gleich 2 ist, und ist so angeordnet, dass die Rotorpole den Statorpolen gegenüberliegen. Ferner gilt bei dem bürstenlosen Motor p größer gleich q und die Statorpole sind in der Umfangsrichtung des Motors derart angeordnet, dass eine Differenz in der elektrischen Winkelposition zwischen zwei benachbarten A Statorpolen in jeder der S Statorpolsätze gleich (360 DEG /A) beträgt.

Description

QUERBEZUG ZUR VERWANDTEN ANMELDUNG
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-161561, eingereicht am 1. Juni 2005, in Anspruch, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme dieser Anmeldung offenbart ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein bürstenlose Permanentmagnetmotoren für Automobile, elektrische Haushaltsgeräte und industrielle Anwendungen.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen mehrphasigen, büstenlosen Permanentmagnetmotor mit einem verbesserten Aufbau, bei welchem die Anzahl an Statorpolen geringer ist als die an Rotorpolen.

Für dreiphasige Wechselstrommotoren gibt es eine Vielzahl von Kombinationen zwischen der Anzahl der Rotorpolen und der Statorzähnen. Unter diesen wird die Kombination von acht Rotorpolen und zwölf Statorzähnen, welche im allgemeinen als 2-3-System bezeichnet wird, oft verwendet. (Als Beispiel kann hier die erste Veröffentlichung des japanischen Patents Nr. H06-261513 angeführt werden.)

16 zeigt einen herkömmlichen dreiphasigen Wechselstrommotor, bei dem das 2-3-System verwendet wird.

Wie in 16 gezeigt enthält der Motor einen Rotor 1 und einen Stator 2. Der Rotor 1 ist mit einen Rotorkern 6 und acht Permanentmagneten 3 aufgebaut, die an der Oberfläche des Rotorkerns 6 angeordnet sind. Der Stator 2 ist derart konfiguriert, dass er einen Statorkern 7 mit zwölf Zähnen 4 und Statorwicklungen 5 aufweist, die um den Statorkern 7 mittels eines Verfahrens für konzentrierte Wicklungen gewickelt ist.

Gemäß dem Verfahren für konzentrierte Wicklungen, ist der Statorkern in einer geteilten Form ausgeführt, um den Raumfaktor der Statorwicklungen 5 zu verbessern. Genauer gesagt ist jeder Zahn 4, wie in 19 dargestellt, in zwei Teile 4a und 4b aufgeteilt, zwischen welchen die Statorwicklungen 5, die um einen Spulenkörper gewickelt sind, eingefügt sind.

Wie des Weiteren in 17 gezeigt, besitzen die Statorpole bezüglich der Rotorpole, die eine Polteilung entsprechend einer elektrischen Winkelbreite von 180° aufweisen, an dem inneren Ende des Zahns 4 eine Winkelbreite, die einem elektrischen Winkelbreite α von 120° entspricht. Wenn der Wicklungsfaktor k mit Kosinus ((180° – α)/2) definiert wird, beträgt in diesem Fall k 0,866. Da es Nutöffnungen zwischen den Zähnen 4 gibt, liegt die tatsächliche elektrische Winkelbreite α in einem Bereich von 100 bis 110°. Dementsprechend ist der Wicklungsfaktor kleiner und beträgt zwischen 0,766 und 0,82.

Wenn zudem ein Verfahren für eine verteilte Wicklung anstelle dem Verfahren für eine konzentrierte Wicklung verwendet wird, würde die elektrische Winkelbreite α entsprechend der Wickelbreite Statorpole 180° betragen, wie in 18 gezeigt; der Wicklungsfaktor k würde dementsprechend 1 werden.

Der zuvor beschriebene herkömmliche Motor weist nachfolgend Nachteile auf.

Da die Winkelbreite der Statorpole in Bezug auf die elektrische Winkelbreite bezüglich der Polteilung des Rotors klein ist, ist auch das durch den elektrischen Strom, welcher durch die Statorwicklungen 5 fließt, induzierte Drehmoment klein. Überdies sind sowohl die Leistungsabgabe als auch die Effizienz des Motors aufgrund des kleinen Wicklungsfaktors k niedrig.

Obwohl der Raumfaktor der Statorwicklungen 5 durch Teilen des Statorkerns 7 verbessert wird, erhöht sich ferner der Magnetwiderstand an den Verbindungsabschnitten zwischen den geteilten Stücken des Statorkerns, womit sich die Leistungsabgabe und die Effizienz des Motors verringert.

Außerdem führt die geteilte Struktur des Statorkerns 7 zu einem Ungleichgewicht beim magnetischen Widerstand in dem Motor, was die Schwingungen und die Geräusche des Motors verstärkt.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die zuvor beschriebenen Nachteile des herkömmlichen Motors zu überwinden.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen mehrphasigen bürstenlosen Motor mit einem verbesserten Aufbau zu schaffen, der eine hohe Effizienz des Motors sicher stellt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein A-phasiger bürstenloser Motor vorgesehen, welcher einen Stator und einen Rotor enthält, wobei A eine Ganzzahl größer gleich 2 ist.

Der Stator weist q Statorpole auf, wobei q eine Ganzzahl größer oder gleich A ist. Die Statorpole bilden S Statorpolsätze, welche jeweils aus A Statorpolen bestehen, und welche jeweils einen der A Phasen entsprechen, wobei S eine Ganzzahl gleich (q/A) ist Der Rotor weist p Rotorpole auf, wobei p eine Ganzzahl größer oder gleich 2 ist, und ist so angeordnet, dass die Rotorpole den Statorpolen gegenüber liegen.

Ferner ist bei dem bürstenlosen Motor p ≥ q und die Statorpole sind in einer Umfangsrichtung des Motors derart angeordnet, dass eine Differenz in der elektrischen Winkelposition zwischen zwei beliebigen benachbarten A Statorpolen in jedem der S Statorpolsätze gleich (360°/A) ist.

Bei dem oben angegebenen bürstenlosen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl an Statorpolen verglichen mit dem in 16 gezeigten herkömmlichen Motor verringert und der für die Statorwicklungen verfügbare Platz dementsprechend vergrößert.

Dementsprechend ist es möglich, Drähte mit einer größeren Querschnittsfläche bei der gleichen Anzahl von Wicklungen für die Statorwicklung zu verwenden, wodurch sowohl die Kupfer als auch Eisenverluste des Motors verringert werden. Andererseits ist es ebenso möglich, Drähte mit einer größeren Anzahl von Wicklungen bei gleicher Querschnittsfläche für die Statorwicklungen zu verwenden, wodurch der elektrische Strom, der zum Erzeugen des gleichen Drehmoments erforderlich ist, verringert werden kann, und somit die Kupferverluste des Motors verringert werden können. Im Ergebnis wird damit eine hohe Effizienz des Motors sicher gestellt.

Vorzugsweise ist bei dem bürstenlosen Motor eine Differenz in der elektrischen Winkelposition zwischen einem benachbarten Paar von Statorpolen in unterschiedlichen Sätzen der S Sätzen gleich (360° × (A-1)/A) oder (360° × (A-1)/A-180°).

Vorzugsweise ist der bürstenlose Motor derart konfiguriert, dass er in Kombination mit einem oder mehrerer anderen Motoren verwendet werden kann.

Bei dem bürstenlosen Motor kann p gleich 4 × N sein, während q = 3 × N ist, wobei N eine positive Ganzzahl ist.

Bei dem bürstenlosen Motor kann p ebenso gleich 6 × N sein, während q = 3 × N ist, wobei N eine positive Ganzzahl ist.

Bei dem bürstenlosen Motor kann p ebenso gleich 8 × N sein, während q = 3 × N ist, wobei N eine positive Ganzzahl ist.

Bei dem bürstenlosen Motor kann p ebenso gleich 10 × N sein, während q = 6 × N ist, wobei N eine positive Ganzzahl ist.

Bei dem bürstenlosen Motor kann p gleich 4 × N sein, während p = 2 × N ist, wobei N eine positive Ganzzahl ist.

Bei dem bürstenlosen Motor kann p gleich 6 × N sein, während q = 4 × N ist, wobei N eine positive Ganzzahl ist.

Bei dem bürstenlosen Motor kann p ebenso gleich 6 × N sein, während q = 2 × N ist, wobei N eine positive Ganzzahl ist.

Vorzugsweise besitzt bei dem bürstenlosen Motor jeder der Statorpole eine Winkelbreite, die mit einem elektrischen Winkelbreite in einem Bereich von 120 bis 180° korrespondiert. Ferner bilden die Statorpole eine erste Polgruppe und die Rotorpole eine zweite Polgruppe und die Pole der ersten und zweiten Spulengruppe sind geschrägt.

Bei dem bürstenlosen Motor bilden die Statorpole eine erste Polgruppe und die Rotorpole bilden eine zweite Polgruppe, und jeder der Pole von der ersten und zweiten Polgruppe ist derart geformt, dass ein Luftspalt zwischen jedem der Pole und einem Pol, der den Polen gegenüber liegt, von einem umfänglichen Mittel jeder der Pole zu den beiden Umfangsenden der Polen in sich vergrößert.

Vorzugsweise enthält bei den bürstenlosen Motor der Rotor ein Rotorbasisteil, das aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist, und eine Mehrzahl von Permanentmagneten und eine Mehrzahl von Nuten oder nichtmagnetischen Teilen, die in dem Rotorbasisteil angeordnet sind, um die Magnetflussdichteverteilung in jedem der Statorpole zu steuern. Ferner ist bei jedem der Rotorpole die Schlitze oder nichtmagnetischen Teile entlang der Umfangsrichtung des Motors mit einem elektrischen Winkelabstand D angeordnet, und es gibt E Rotorpole, unter denen eine derartige Beziehung besteht, dass eine Differenz in der elektrischen Winkelposition zwischen den Schlitzen oder nichtmagnetischen Teilen in jedem der E Rotorpole und solchen in einem anderen der E Rotorpole gleich D/E beträgt, wobei E eine Ganzzahl größer gleich 2 ist.

Bei dem bürstenlosen Motor kann der Rotor mit einem Rotorbasisteil und einer Mehrzahl von Permanentmagneten aufgebaut sein, die auf der Oberfläche des Rotorbasisteils angeordnet sind.

Bei dem bürstenlosen Motor kann der Rotor mit einem Rotorbasisteil und einer Mehrzahl von Permanentmagneten aufgebaut sein, die in dem Rotorbasisteil eingebettet sind.

Vorzugsweise ist bei dem bürstenlosen Motor zumindest einer der Statorpole so angeordnet, dass er eine Winkelposition aufweist, die von einer Referenzwinkelposition um einen Verschiebungswinkel abweicht, der mit einer elektrischen Winkelposition korrespondiert, die ein ganzzahliges Vielfaches von 180° beträgt.

Bei dem bürstenlosen Motor ist zumindest einer der Rotorpole vorzugsweise so angeordnet, dass er eine Winkelposition aufweist, die von einer Referenzwinkelposition, die ein ganzzahliges Vielfaches von 180° ist, um einen Verschiebungswinkel abweicht.

Vorzugsweise enthält bei dem bürstenlosen Motor der Stator einen Statorkern, welcher q Zähne aufweist, und Statorwicklungen, die um den Statorkern gewickelt sind, wobei der Statorkern aus aufeinander folgende Statorlaminierungen integral ausgebildet ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung und der begleitenden Zeichnung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besser verständlich, wobei die bevorzugten Ausführungsformen nicht als eine Beschränkung der Erfindung auf bestimmte Ausführungsformen aufzufassen sind, sondern lediglich zum Zwecke der Erläuterung und des Verständnisses dienen.
In der begleitenden Zeichnung zeigt:
1 eine Querschnittsansicht, die einen Gesamtaufbau eines bürstenlosen Motors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 eine Querschnittsansicht, die eine erste Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
3 eine Querschnittsansicht, die eine zweite Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
4 eine Querschnittsansicht, die eine dritte Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
5 eine Querschnittsansicht, die eine vierte Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
6 eine Querschnittsansicht, die eine fünfte Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
7 eine Querschnittsansicht, die eine sechste Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
8 eine Querschnittsansicht, die eine siebte Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
9 eine Querschnittsansicht, die eine achte Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
10 eine Querschnittsansicht, die eine neunte Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
11 eine Querschnittsansicht, die eine zehnte Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
12 eine Querschnittsansicht, die eine elfte Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
13 eine Querschnittsansicht, die eine zwölfte Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
14 eine Querschnittsansicht, die eine dreizehnte Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
15 eine Querschnittsansicht, die eine vierzehnte Abwandlung des in 1 gezeigten bürstenlosen Motors darstellt;
16 eine Querschnittsansicht, die den Gesamtaufbau eines herkömmlichen bürstenlosen Motors zeigt;
17 eine schematische Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Polteilung des Rotors und der Winkelbreite der Statorpole bei dem herkömmlichen bürstenlosen Motor der 16 darstellen;
18 eine schematische Ansicht, die ein Verfahren für eine verteilte Wicklung darstellt, die für bürstenlose Motoren verwendet wird; und
19 eine schematische Ansicht, die den geteilten Aufbau des Statorkerns, der bei dem herkömmlichen bürstenlosen Motor der 16 verwendet wird, darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 15 beschrieben.
Es ist festzuhalten, dass aus Gründen der Klarheit und Verständlichkeit identische Bauteile mit identischen Funktionen in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung soweit möglich mit den gleichen Bezugszeichen in jeder der Figuren versehen worden sind.
1 zeigt den Gesamtaufbau eines dreiphasigen, bürstenlosen Permanentmagnetenmotor M1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 gezeigt, enthält der Motor M1 im wesentlichen einen Rotor 10 und einen Stator 20.
Der Rotor 10 definiert acht Rotorpole. Genauer gesagt, enthält der Rotor 10 einen Rotorkern 11 und eine Mehrzahl von Permanentmagneten 13. Der Rotorkern 11 ist aus einem weichmagnetischen Material hergestellt. Die Permanentmagnete 13 sind in dem Rotorkern 11 eingebettet und beispielsweise aus einem Seltene-Erden-Metall. Der Ro torkern 11 ist so geformt, dass die äußere Oberfläche des Rotorkerns 11 an den Rand- oder Übergangs-)abschnitten zwischen den Rotorpolen radial nach innen vertieft ist. Für jeden der Rotorpole ist der äußere Umfang mit einem kreisförmigen Bogen ausgebildet, der einen Radius aufweist, der geringer ist als der des Rotors 10.
Des weiteren sind in jedem der Rotorpole eine Vielzahl von Schlitzen 12 zwischen den Permanentmagneten 13 angeordnet, um die Verteilung der Magnetflussdichte in diesem Rotorpol zu steuern. Genauer gesagt wird der Magnetfluss, der durch die Permanentmagnete 13 erzeugt wird, daran gehindert, sich in der Umfangsrichtung des Motors M1 quer zu den Schlitzen 12 zu erstrecken. Überdies sind die Schlitze 12 derart orientiert, dass der Magnetfluss auf dem Umfangszentrum des Rotorpols konzentriert ist. Folglich ist an dem Umfangszentrum die Magnetflussdichte am höchsten und an den beiden Umfangsenden (d. h. den Randabschnitten) des Rotorpols am niedrigsten was zu einer Magnetflussverteilung in der Form einer angenäherten Sinuswelle führt.
Mit dem obigen Rotoraufbau mit den eingebetteten Permanentmagneten 13 wird es demgemäß möglich, die gewünschte Magnetflussverteilung zu erzielen, wodurch das Ausgangsdrehmoments des Motors M1 vergrößert wird.
Außerdem liefert der Magnetfluss, der durch die Randabschnitte zwischen den Rotorpolen verläuft im allgemeinen nur einen geringen Beitrag zu der Erzeugung des Motordrehmoments. Im Gegensatz dazu erzeugt eine hohe Magnetflussdichte an den Randabschnitten eher eine Drehmomentwelligkeit. Demgemäß sind bei der vorliegenden Ausführungsform die Randabschnitte wie zuvor beschrieben vertieft, um die Magnetflussdichte an dieser Stelle zu verringern.
Es ist zu beachten, dass anstelle der Schlitze 12 auch nicht magnetische Teile in den Rotorkern 11 eingebettet werden können, um den gleichen Effekt zu erzielen.
Der Stator 20 definiert sechs Statorpole. Genauer gesagt enthält der Stator 20 einen Statorkern 23 und Statorwicklungen 22. Der Statorkern 20 weist sechs Zähne 21 auf, die als ausgeprägte Pole des Stators ausgebildet sind, sowie sechs Nuten, die zwischen den Zähnen 21 ausgebildet sind. Die Statorwicklungen 22 sind um die Zähne 21 des Statorkerns 23 herumgewickelt. Überdies weist bei der vorliegenden Ausführungsform der Statorkern 23 einen integrierten Aufbau auf, in welchem eine Mehrzahl an dünnen Statorlaminierungen aufeinander gestapelt sind, um zusammen den Statorkern 23 auszubilden.
Verglichen mit dem in 16 gezeigten herkömmlichen Motor, weist der Motor M1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weniger Statorpole bei der gleichen Anzahl an Rotorpolen auf. Genauer gesagt beträgt bei dem herkömmlichen Motor das Verhältnis der Anzahl an Rotorpolen zu der Anzahl an Statorpolen (8:12), wohingegen bei dem Motor M1 das Verhältnis (8:6) beträgt.
Des weiteren bilden bei dem Motor M1 die Statorpole des Stators 20 zwei verschiedene Statorpolsätze aus. Der erste Satz enthält drei Statorpole, die jeweils den U-, V- und W-Phasen entsprechen und elektrische Winkelpositionen von 0°, 120° bzw 240° aufweisen. Somit beträgt die Differenz bei der elektrischen Winkelposition zwischen zwei benachbarten Statorpolen in dem ersten Satz gleich (360°/3), d. h. 120° Grad.
Der zweite Satz enthält ebenso drei Statorpole die jeweils den U-, V- und W-Phasen entsprechen.
Wenn die Statorwicklungen 22 bei dem zweiten Satz in der gleichen Richtung um den Statorpol gewickelt sind, wie die in dem ersten Satz, weisen die Statorpole in dem zweiten Satz elektrische Winkelpositionen von 0° Grad, 120° Grad bzw. 240° Grad auf. Somit beträgt die Differenz in der elektrischen Winkelposition zwischen zwei benachbarten Statorpolen in den zweiten Satz ebenso (360°/3), d.h. 120° Grad. Überdies beträgt die Differenz in der elektrischen Winkelposition zwischen einem benachbarten Paar von Statorpolen in unterschiedlichen Sätzen, wie etwa dem Paar des W-Phasen-Statorpols in dem ersten Satz und dem U-Phasen-Statorpol in dem zweiten Satz gleich (360° × (3-1)/3), d.h. 240°.
Wenn andererseits die Statorwicklung 22 in dem zweiten Satz in einer zu dem ersten Satz umgekehrte Richtung um die Statorpole herumgewickelt ist, besitzen die Statorpole in dem zweiten Satz elektrische Winkelpositionen von 180°, 300° bzw. 420°. Somit beträgt die Differenz in der elektrischen Winkelposition zwischen zwei benachbarten Statorpolen in dem zweiten Satz weiterhin (360°/3), d.h. 120°. Jedoch beträgt die Differenz in der elektrischen Winkelposition zwischen einem benachbarten Paar von Statorpolen in unterschiedlichen Sätzen, wie etwa dem Paar des W-Phasen-Statorpols in dem ersten Satz und dem U-Phasen-Statorpols in dem zweiten Satz, gleich (360° × (3-1)/ 3-180°), d. h. 60°.
Der zuvor beschriebene Motor M1 gemäß der vorliegenden Erfindung hat die folgenden Vorteile.
Bei dem Motor M1 ist die Anzahl q (q = 6) der Statorpole geringer als die Anzahl p (p=8) der Rotorpole, (d.h. p > q). Daher gibt es eine klare Differenz zwischen dem Aufbau des Motors M1 und dem des herkömmlichen Motors, wie er in 16 gezeigt ist, bei dem p = 2 × 4, q = 3 × 4, und damit p < q ist.
Da die Anzahl der Statorpole bei dem Motor M1 verringert ist, ist daher der für die Statorwicklungen 22 zur Verfügung stehende Raum vergrößert. Demgemäß ist es möglich, Kupferdrähte mit einer größeren Querschnittsfläche und der gleichen Anzahl an Windungen für die Statorwicklung 22 zu verwenden, wodurch sowohl die Kupferals auch Eisenverluste des Motors M1 verringert werden. Andererseits ist es ebenso möglich, Kupferdrähte mit einer größeren Anzahl an Windungen und der gleichen Querschnittsfläche für die Statorwicklungen 22 zu verwenden, wodurch der elektrische Strom verringert wird, der für die Erzeugung des gleichen Drehmoments benötigt wird und damit werden auch die Kupferverluste des Motors M1 verringert. Im Ergebnis wird damit eine hohe Effizienz des Motors M1 sichergestellt.
Außerdem lässt sich die Beziehung zwischen der Ausgangsleistung T und dem Drehmoment P des Motors M1 wie folgt angeben: P = V × I = dΦ/dt × I = N × T,wobei V die Spannung ist, I der elektrische Strom ist, Φ der magnetische Fluß ist, t die Zeit ist und N die Anzahl der Umdrehungen ist.
Bei dem Motor M1 ist der Statorkern 23 mit einem Stapel aus Statorlaminierungen integral ausgebildet.
Mit dem integrierten Aufbau des Statorkerns 23 ist es möglich ein Ungleichgewicht in dem Magnetwiderstand in dem Magnetkreis zu beseitigen, welches ansonsten bei der geteilten Struktur, wie in 19 gezeigt, verursacht wird. Ferner wird es mit dem integrierten Aufbau möglich, die Steifigkeit des Statorkerns 23 zu verbessern. Foglich wird es mit dem ausgeglichenen Magnetwiderstand und der verbesserten Steifigkeit des Statorkerns möglich, die Effizienz des Motors M1 zu vergrößern, während gleichzeitig die Vibrationen bzw. Schwingungen mit den dazugehörigen Geräusch verringert wird.
Bei dem Motor M1 ist es möglich, weite Öffnungen der Nuten die zwischen den Statorpolen in dem Statorkern 23 ausgebildet sind, aufgrund der verringerten Anzahl von Statorpolen und dem integrierten Aufbau des Statorkerns 23 sicherzustellen.
Demgemäß wird es möglich die Statorwicklung 22 direkt um die Statorzähne 21 herumzuwickeln. Dagegen ist es ebenso möglich, die Statorwicklungen 22, die zuvor gewickelt worden sind, in die Nuten des Statorkerns 23 einzufügen. Die Produktivität des Motors M1 kann bei Verwendung sowohl des einen als des anderen Verfahrens verbessert werden.
Bei dem Motor M1 weist jeder der Statorpole eine Winkelbreite auf, die mit der elektrischen Winkelbreite in dem Bereich von 120 bis 180 Grad korrespondiert. Demgemäß liegt auch der Wicklungsfaktor k in dem Bereich von 0,866 bis 1,0.
Mit dem großen Wicklungsfaktor k wird es möglich, die Leitungsabgabe und die Effizienz des Motors M1 zu vergrößern.
Bei dem Motor M1 ist jeder der Rotorpole derart geformt, dass der Luftspalt zwischen dem Rotorpol und einem der Statorpole, der dem Rotorpol gegenüber liegt, sich allmählich von dem Umfangszentrum bzw. der Umfangsmitte des Statorpols zu seinen beiden Umfangsenden hin allmählich vergrößert.
Mit einer derartigen Form der Rotorpole ist es möglich eine schnelle Änderung in dem magnetischen Fluss in der Umfangsrichtung des Motors M1 zu unterdrücken, wodurch die Drehmomentwelligkeit und das Nutrastmoment verringert werden.
Bei dem Motor M1 sind zwölf Schlitze zwischen den Permanentmagneten 13 angeordnet, um die Verteilung der Magnetflussdichte in jedem der Rotorpole zu steuern.
Dementsprechend wird es möglich, eine gewünschte Magnetflussverteilung durch Anordnen der Spitze 12 zu erzielen, wodurch das Ausgangsdrehmoment des Motors M1 vergrößert wird.
Des weiteren sind bei jedem der Rotorpole die Schlitze 12 entlang der Umfangsrichtung des Rotors 10 in elektrischen Winkelabständen D voneinander beabstandet. Überdies gibt es E Rotorpole, unter welchen eine derartige Beziehung besteht, dass eine Differenz in der elektrischen Winkelposition zwischen dem Schlitzen 12 in jeder der E Rotorpole und den Schlitzen 12 in einem anderen der E-Rotorpole gleich D/E beträgt, wobei E eine Ganzzahl größer oder gleich 2 ist.
Genauer gesagt werden in 1 drei Schlitze 12 in jedem der vier rechten Rotorpole und vier Schlitze 12 in jeden der vier linken Rotorpole dargestellt. Die Differenz in der elektrischen Winkelposition zwischen zwei benachbarten Stützen 12 in dem selben Rotorpol beträgt 45° (d.h. D = 45°). Überdies beträgt die Differenz in der elektrischen Winkelposition zwischen den Schlitzen 12 in jedem der vier rechten Rotorpole und der Schlitze 12 in einem der vier linken Rotorpole gleich 22,5°. Mit anderen Worten, in diesem Fall ist E=2 und es gibt vier Paare von Rotorpolen, die die obige Beziehung erfüllen.
Mit einer derartigen Anordnung der Schlitze 12 wird es nötig, die Drehmomentwelligkeit, die in einem der Rotorpole erzeugt wird, durch die in dem anderen des gleichen Paares auszugleichen.
Obgleich die zuvor erwähnte Ausführungsform der Erfindung ausführlich gezeigt und beschrieben worden ist, ist es für den Anwender der Erfindung und den Fachmann offensichtlich, dass zahlreiche Modifikationen, Änderungen und Verbesserungen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem offenbarten Grundgedanken abzuweichen.
Beispielsweise kann der zuvor beschriebene Motor M1 für elektrische Haushaltsgeräte, wie einem Kühlschrank und einer Klimaanlage, oder Automobile und industrielle Anwendungen verwendet werden.
Obgleich bei der vorherigen Ausführungsform überdies der Rotor 10 durch Einbetten der Permanentmagnete 13 in den Rotorkern 11 erzielt worden ist, kann er ebenso durch andere Verfahren wie etwa einem Anordnen der Permanentmagnete auf der Oberfläche des Rotors 11 erzielt werden.
Der Motor M1 ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass er in Verbindung mit einem oder mehreren anderen Motoren verwendet werden kann, um ein vergrößertes Drehmoment und eine vergrößerte Ausgangsleistung vorzusehen.
Obgleich bei der vorhergehenden Ausführungsform der Motor M1 als ein Dreiphasenmotor (d.h. A=3) konfiguriert ist, ist es ebenso möglich, ihm mit einer anderen Anzahl an Phasen größer oder gleich 2 (d.h. A>2) zu konfigurieren.
2 zeigt eine erste Abwandlung des Motors M1, welcher ein 4p3s Dreiphasenwechselstrommotor ist, bei dem der Rotor 10 durch Anordnen der Permanentmagnete 13 auf der Oberfläche des Rotorkerns 11 ausgebildet ist, und vier Rotorpole definiert sind und bei dem der Stator 3 Zähne 21 aufweist, die drei Statorpole definieren. Hierbei stellt 4p3s die Anzahl der Rotorpole mit gleich vier und die Anzahl der Statorpole mit gleich drei dar.
Die erste Abwandlung des Motors M1 fällt in eine erste Gruppe von bürstenlosen Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Anzahl der Rotorpole gleich 4 × N ist und die Anzahl der Statorpole gleich 3 × N beträgt, wobei N eine positive Ganzzahl ist. Andere Motoren der ersten Gruppe, für die eine praktische Verwendung möglich ist, sind beispielsweise 8p6s und 12p9s Motoren.
3 zeigt eine zweite Abwandlung des Motors M1, welcher ein 6p3s Dreiphasenwechselstrommotor ist, bei dem der Rotor durch Anordnen der Permanentmagnete 13 auf der Oberfläche des Rotorkerns 11 ausgebildet wird und sechs Rotorpole definiert, und bei dem der Stator 20 drei Zähne 21 aufweist, die drei Statorpole definieren.
Die zweite Abwandlung des Motors M1 fällt in die zweite Gruppe von bürstenlosen Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Anzahl der Rotorpole gleich 6 × N beträgt, während die Anzahl der Statorpole gleich 3 × N beträgt, wobei N eine positive Ganzzahl ist. Andere Motoren der zweiten Gruppe für die es praktische Anwendung gibt, sind beispielsweise 12p6s und 18p9s Motoren.
4 zeigt eine dritte Abwandlung des Motors M1, welcher ein 8p3s Dreiphasenwechselstrommotor ist, bei dem der Rotor durch Anordnen der Permanentmagnete 13 auf der Oberfläche des Rotorkerns 11 ausgebildet ist und acht Rotorpole definiert, und bei dem der Stator 20 drei Zähne 21 aufweist, um drei Statorpole zu definieren.
Die dritte Abwandlung des Motors M1 fällt in eine dritte Gruppe von bürstenlosen Motoren der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Anzahl an Rotorpolen gleich 8 × N beträgt, während die Anzahl der Statorpole gleich 3 × N beträgt, wobei N eine positive Ganzzahl ist. Andere Motoren der dritten Gruppe, für die es eine praktische Anwendung gibt, sind beispielsweise 16p6s und 24p9s Motoren.
5 zeigt eine vierte Abwandlung des Motors M1, welcher ein 16p6s Dreiphasenwechselstrommotor ist, bei dem der Rotor durch Anordnen der Permanentmagnete 13 auf der Oberfläche des Rotorkerns 11 ausgebildet wird und zehn Rotorpole definiert, und bei dem der Stator 20 sechs Zähne 21 aufweist, die sieben Statorpole definieren.
Die vierte Abwandlung des Motors M1 fällt in eine vierte Gruppe von bürstenlosen Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Anzahl der Rotorpole gleich 10 × N beträgt, während die Anzahl von Statorpolen gleich 6 × N beträgt, wobei N eine positive Ganzzahl ist. Andere Motoren der vierten Gruppe, für die es eine praktische Anwendung gibt, sind beispielsweise 20p12s und 30p24s Motoren.
6 zeigt eine fünfte Abwandlung des Motors M1, welcher ein 4p2s Zweiphasenwechselstrommotor ist, bei dem der Rotor 10 durch Anordnen der Permanentmagnete 13 auf der Oberfläche des Rotorkerns 11 ausgebildet wird und vier Rotorpole definiert, und bei dem der Stator 20 zwei Zähne 21 aufweist, die zwei Statorpole definieren.
Die fünfte Abwandlung des Motors M1 fällt in eine fünfte Gruppe von bürstenlosen Motoren, gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Anzahl der Rotorpole die gleich 4 × N beträgt, während die Anzahl der Statorpole gleich 2 × N beträgt, wobei N eine positive Ganzzahl ist. Andere Motoren der fünften Gruppe, für die es eine praktische Anwendung gibt, sind beispielsweise 8p4s und 12p6s Motoren.
7 zeigt eine sechste Abwandlung des Motors M1, welcher ein 6p4s Zweiphasenwechselstrommotor ist, bei dem der Rotor 10 durch Anordnen der Permanentmagnete 13 auf der Oberfläche des Rotorkerns 11 ausgebildet wird und sechs Rotorpole definiert, und bei dem der Stator 20 vier Zähne 21 aufweist und, die vier Statorpole definieren.
Die sechste Abwandlung des Motors M1 fällt in eine sechste Gruppe von bürstenlosen Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Anzahl an Rotorpolen gleich 6 × N beträgt, während die Anzahl an Statorpolen 4 × N beträgt, wobei N eine positive Ganzzahl ist. Andere Motoren der sechsten Gruppe, für die es eine praktische Anwendung gibt, sind beispielsweise 12p8s und 18p12s Motoren.
8 zeigt eine siebte Abwandlung des Motors M1, welcher ein 6p2s Zweiphasenwechselstrommotor ist, bei welcher der Rotor 10 durch Anordnung der Permanentmagnete 13 auf der Oberfläche des Rotorkerns 11 ausgebildet wird und sechs Rotorpole definiert, und bei dem der Stator 20 zwei Zähne 21 aufweist, die zwei Statorpole definieren.
Die siebte Abwandlung des Motors M1 fällt in die siebte Gruppe von bürstenlosen Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Anzahl von Rotorpolen gleich 6 × N beträgt, während die Anzahl an Statorpolen gleich 2 × N beträgt, wobei N eine positive Ganzzahl ist. Andere Motoren der siebten Gruppe, für die es eine praktische Anwendung gibt, sind beispielsweise 12p4s und 18p6s Motoren.
Die bürstenlosen Motoren, die in den 1 bis 8 dargestellt sind, weisen jeweilige Eigenschaften auf. Beispielsweise betrifft die Anzahl p der Rotorpole die zulässige Drehzahl des Motors. Da überdies das Produkt der Anzahl p an Rotorpolen und der Anzahl an Umdrehungen proportional zur Ansteuerfrequenz des Motors ist, besitzen sowohl die Anzahl p der Rotorpole als auch die Anzahl der Umdrehungen eine starke Korrelation mit den Eisenverlusten des Motors und betreffen die zulässige Ansteuerfrequenz des Motors. Demgemäß ist es notwendig, die Anzahl p für bürstenlose Motoren mit höherer Drehzahl klein einzustellen.
Ferner tendiert das Drehmoment mit abnehmender Anzahl q an Statorpolen dazu sich zu vergrößern; jedoch verringert sich zur gleichen Zeit die Anzahl an Abschnitten, die das Drehmoment erzeugen, woraus verstärkte Schwingungen und ein Geräusch bzw. Lärm des Motors entsteht.
Des weiteren ist die Anzahl A an Phasen ebenso ein wichtiger Faktor. Beispielsweise weisen die zweiphasigen bürstenlosen Motoren einen einfachen Aufbau auf; jedoch ist die Konfiguration der Umrichtheransteuerung relativ komplex. Die dreiphasigen bürstenlosen Motoren werden daher am meisten verwendet und die Konfiguration der Umrichtheransteuerung ist hierbei relativ einfach. Mit einer Anzahl A an Phasen, die nicht kleiner als 4 ist, ist es möglich, einen hochqualifizierten Betrieb von bürstenlosen Motoren zu erzielen, jedoch ist die Konfiguration der Umrichter, die diese ansteuern, relativ komplex.
Demgemäß wird es bevorzugt, einen bürstenlosen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung für eine bestimmte Verwendung in Anbetracht der zuvor erwähnten Eigenschaften der bürstenlosen Motoren auszuwählen.
9 zeigt eine achte Abwandlung des Motors M1, welcher ein 8p6s Dreiphasenwechselstrommotor ist, bei dem der Rotor 10 durch Anordnen der Permanentmagnete 13 auf der Oberfläche des Rotorkerns 11 ausgebildet wird und acht Rotorpole definiert, der Stator 20 sechs Zähne 21 aufweist, die sechs Statorpole definieren, und bei dem jeder der Statorpole eine Winkelbreite aufweist, die eine elektrischen Winkelbreite von 180° entspricht. Mit anderen Worten, jeder der Statorpole weist eine Winkelbreite auf, die gleich der Polteilung des Rotors ist.
10 stellt eine neunte Abwandlung des Motors M1 entlang seiner Umfangsrichtung dar, bei welchem der Stator so geschrägt ist, dass jeder der Statorpole eine Winkelbreite aufweist, die eine elektrische Winkelbreite von 180° entspricht.
Mit der oben dargestellten Schrägung des Stators 20 kann der Wicklungsfaktor k verbessert werden. Außerdem ist es ebenso möglich den Rotor 10 zusammen mit oder anstelle des Stators 10 mit einer Schrägung zu versehen, um den gleichen Effekt zu erzielen.
11 zeigt eine zehnte Abwandlung des Motors M1, bei welcher die Zähne 21 des Statorkerns 23 eine modifizierte Form aufweisen. Genauer gesagt weist die innere Oberfläche von jedem der Zähne 21 die Form eines ringförmigen Bogens an einem Umfangsmittelabschnitt 25 auf und erstreckt sich allmählich an beiden Umfangsendabschnitten 24 von dem Kreisbogen radial nach außen. Folglich vergrößert sich allmählich der Innendurchmesser des Statorkerns 23 an den Umfangsendabschnitten 24 und somit vergrößert sich ebenso der Luftspalt zwischen dem Stator 20 und dem Rotor 10 allmählich an den Umfangsendabschnitten 24.
Mit der modifizierten Form des Statorzahns 21 ist es möglich, eine schnelle Änderung in dem Magnetfluss in der Umfangsrichtung des Motors zu unterdrücken, wodurch die Drehmomentwelligkeit und das Nutrastmoment verringert werden.
12 zeigt eine elfte Abwandlung des Motors M1, bei welchem eine erhöhte Anzahl an Schlitzen 12 in jedem der Statorpole verwendet wird, um eine bessere Annäherung an eine Sinuswellen-förmige Verteilung der Magnetflussdichte zu erzielen.
Mit der verbesserten Magnetflussdichteverteilung kann folglich die Drehmomentwelligkeit verringert werden und das Ausgangsdrehmoment des Motors erhöht werden. Außerdem können, wie zuvor beschrieben, nichtmagnetische Teile in jedem der Statorpole anstelle der Schlitze 12 angeordnet werden, um den gleichen Effekt zu erzielen.
13 zeigt eine zwölfte Abwandlung des Motors M1, bei welchem der Motor 10 durch Anordnen einer Mehrzahl von Permanentmagneten 13 auf der Oberfläche des Rotorkerns 11 ausgebildet wird und bei welchem jeder der Permanentmagnete 13 die gleiche äußere Oberflächenform aufweisen, wie in dem Motor M1.
14 zeigt eine dreizehnte Abwandlung des Motors M1, bei welchem zumindest einer der Statorpole so angeordnet ist, dass er eine Winkelposition aufweist, die um einen Verschiebungswinkel SSA von einer Referenzwinkelposition, die eine elektrische Winkelposition eines ganzzahligen Vielfachen von 180° entspricht, abweicht.
Mit der zuvor beschriebenen Abwandlung der Statorpole ist es möglich, die Drehmomentwelligkeit zu verringern, die eine Frequenz aufweist, die ein Vielfaches des Verschiebungswinkel SSA ist.
15 zeigt eine vierzehnte Abwandlung des Motors M1, bei welchem der Motor 10 durch Anordnen einer Mehrzahl von Permanentmagnete 13 auf der Oberfläche des Rotorkerns 11 ausgebildet wird, und bei dem zumindest einer der Rotorpole so angeordnet ist, dass er eine Winkelposition aufweist, die um einen Verschiebungswinkel RSA von einer Referenzwinkelposition abweicht, die einem elektrischen Winkelposition entspricht, die ein ganzzahliges Vielfaches von 180° ist.
Mit der zuvor beschriebenen Anordnung der Rotorpole ist es möglich, die Drehmomentwelligkeit zu verringern, die eine Frequenz aufweist, die ein ganzzahliges Vielfaches des Verschiebungswinkels RSA ist.
Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Abwandlungen können andere Modifikationen, Änderungen und Verbesserungen für den Fachmann innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche offensichtlich sein.

Claims

A-phasiger bürstenloser Motor, wobei A eine Ganzzahl > 2 ist, aufweisend: einen Stator mit q Statorpolen, wobei q eine Ganzzahl > A ist, wobei die Statorpole S Statorpolsätze ausbilden, die jeweils aus A Statorpolen bestehen, von denen jeder mit einer der A Phasen korrespondiert, wobei S eine Ganzzahl gleich (q/A) ist; und einen Rotor mit p Rotorpolen, wobei p eine Ganzzahl mit > 2 ist, die so angeordnet ist, dass die Rotorpole den Statorpolen gegenüberliegen, wobei p ≥ q ist; und wobei die Statorpole in einer Umfangsrichtung des Motors derart angeordnet sind, dass eine Differenz in einer elektrischen Winkelposition zwischen zwei benachbarten der A Statorpolen in jeder der S Statorpolsätze gleich (360/A) ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei ein Unterschied in der elektrischen Winkelposition zwischen einem benachbarten Paar an Statorpolen in unterschiedlichen Sätzen der S-Sätze gleich (360° × (A-1)/A) ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei eine Differenz in der elektrischen Winkelposition zwischen einem benachbarten Paar von Statorpolen in unterschiedlichen Sätzen der S Sätze gleich (360° × (A-1)/A-180°) beträgt.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei der bürstenlose Motor so konfiguriert ist, dass er in Kombination mit einem oder mehreren anderen Motoren verwendet werden kann.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei p = 4 × N, q = 3 × N und, wobei N eine positive Ganzzahl ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei p = 6 × N, q = 3 × N und, wobei N eine positive Ganzzahl ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei p = 8 × N, q = 3 × N und, wobei N eine positive Ganzzahl ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei p = 10 × N, q = 6 × N und, wobei N eine positive Ganzzahl ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei p = 4 × N, q = 2 × N und, wobei N eine positive Ganzzahl ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei p = 6 × N, q = 4 × N und, wobei N eine positive Ganzzahl ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei p = 6 × N, q = 2 × N und, wobei N eine positive Ganzzahl ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei jeder der Statorpole eine Winkelbreite aufweist, die einer elektrischen Winkelbreite in einem Bereich von 120° bis 180° entspricht.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 12, wobei die Statorpole eine erste Polgruppe ausbilden und die Rotorpole eine zweite Polgruppe ausbilden und wobei die Pole der ersten und/oder zweiten Polgruppe geschrägt sind.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei die Statorpole eine erste Polgruppe ausbilden und die Rotorpole eine zweite Polgruppe ausbilden und wobei jeder der Pole der ersten und/oder zweiten Polgruppe derart geformt ist, dass ein Luftspalt zwischen jedem der Pole und jedem der diesen gegenüberliegenden Pole sich von einem Umfangszentrum in jeden der Pole zu ihren beiden Umfangsenden hin allmählich vergrößert.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei der Rotor ein Rotorbasisteil enthält, das aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist, sowie eine Mehrzahl von Permanentmagneten, und wobei eine Mehrzahl von Schlitzen oder nichtmagnetischen Teilen in dem Rotorbasisteil angeordnet sind, um die Verteilung der Magnetflussdichte in jedem der Rotorpole zu steuern.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 15, wobei jeder der Rotorpole, Schlitze oder nichtmagnetischen Teile entlang der Umfangsrichtung des Motors mit einem elektrischen Winkelabstand D beabstandet sind, und wobei es E Rotorpole gibt, unter denen eine Beziehung dahingehend besteht, dass eine Differenz in der elek trischen Winkelposition zwischen den Schlitzen oder nichtmagnetischen Teilen in jeder der E Rotorpole und solchen in jeden der anderen E Rotorpole gleich D/E beträgt, wobei E eine Ganzzahl größer gleich 2 ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei der Motor mit einem Rotorbasisteil und einer Mehrzahl von Permanentmagneten, die auf der Oberfläche des Rotorbasisteils angeordnet sind, konfiguriert ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei der Rotor mit einem Rotorbasisteil und einer Mehrzahl von Permanentmagneten, die in dem Rotorbasisteil eingebettet sind, konfiguriert ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei zumindest einer der Statorpole so angeordnet ist, dass er eine Winkelposition aufweist, die um einen Verschiebungswinkel von einer Referenzwinkelposition abweicht, die einer elektrischen Winkelposition entspricht, die ein ganzzahliges Vielfaches von 180° ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei zumindest einer Rotorpole so angeordnet ist, dass er eine Winkelposition aufweist, die um einen Verschiebungswinkel von einer Referenzwinkelposition abweicht, die einer elektrischen Winkelposition entspricht, die ein ganzzahliges Vielfaches von 180° ist.
Bürstenloser Motor gemäß Anspruch 1, wobei der Stator einen Statorkern enthält, welcher q Zähne aufweist, und Statorwicklungen enthält, die um den Statorkern gewickelt sind, und wobei der Statorkern durch aufeinander folgende Statorlaminierungen integral ausgebildet ist.