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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Synchronmotor und insbesondere auf einen Synchronmotor mit hoher Ansprechempfindlichkeit.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Bei bekannten Motoren ist ein verteiltes Wickelsystem verwendet worden, bei dem vorgewickelte Spulen in die Nuten des Stators eingesetzt werden. Auf der anderen Seite wurde in den letzten Jahren ein konzentriertes Wickelsystem verwendet, bei dem eine Spule unmittelbar auf die Statorzähne über ein Isoliermaterial gewickelt wird. Daher ist der Anteil der Wicklung auf der Stirnfläche des Kerns des Stators verringert. Dies ist vorteilhaft, da der Umfang der Spule stark vermindert ist. Die Nutzung dieses Vorteils führt zur Verminderung des elektrischen Widerstandes, wenn ein dicker elektrischer Draht mit hoher Dichte gewickelt wird. Ferner kann die Größe des Endes der Wicklung verkleinert werden. Dies wiederum hat den Vorteil, dass ein großes Drehmoment bei gleichzeitig kompaktem Motor erzielbar ist.
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Die
japanische Veröffentlichung der offengelegten Patentanmeldung Nr. 2002-10541 offenbart einen Aufbau, bei dem die Spaltlänge zwischen einem Magnetpol und der inneren Umfangsfläche des Stators an einer Stelle nahe dem Zentrum eines Abschnitts des Rotors, der einem Pol entspricht, verkürzt ist und an einer Stelle nahe beiden Enden des einem Pol entsprechenden Abschnitts des Rotors vergrößert ist. Dies macht es möglich, dass Rastmoment des Motors zu verkleinern.
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Bei einem in einem Roboter hoher Arbeitsgeschwindigkeit und Ansprech- bzw. Reaktionsempfindlichkeit, der im Betrieb mit einer hohen Frequenz und hohen Geschwindigkeit beim Aufnehmen und Ablegen bzw. Einsetzen arbeitet, eingesetzten Motor ist es erforderlich, das Trägheitsmoment so weit wie möglich herabzusetzen und dennoch ein großes Nenndrehmoment sicher zu stellen, dass ständig über eine lange Zeit zur Verfügung steht. Mit anderen Worten, ein in einem Roboter einzusetzender Motor erfordert ein sehr großes Verhältnis von Drehmoment zu Trägheitsmoment.
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Für den oben erwähnten Einsatz ist es vorteilhaft, wenn der Durchmesser des Rotors eines Motors so weit wie möglich verkleinert ist und die Anzahl der Nuten durch Aufbau des Stators des Motors mit einer konzentrierten bzw. dichten Wicklungsstruktur zu verringern. Es ist jedoch in diesem Fall schwierig, das Rastmoment zu unterdrücken. Unter diesen gegebenen Umständen wird ein mit einem konzentriert gewickelten Stator bzw. mit konzentrierter Statorwicklung ausgeführter Motor nur begrenzt als ein auf einem Fahrzeug befestigter Motor oder ein Motor für Haushaltsgeräte verwendet und wird kaum als ein Servomotor auf einem Roboter eingesetzt, der eine der eine gleichmäßige Rotation erfordert.
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Ein Rotor, der mit radial ausgerichteten Magneten bestückt ist, ist in der Lage, die Magnetflussdichte im Spalt zu erhöhen. Daher lässt sich ein großes Drehmoment erzeugen. Es gibt einen Motor mit einem Rotor mit 10 Polen mit einem solchen Aufbau und mit einem Stator mit 12 Nuten und einer konzentrierten Wicklung. Wenn an den bekannten Motor mit einem Rotor mit 10 Polen und einem Stator mit 12 Nuten und einer konzentrierten Wicklung ein Antriebsstrom mit hoher Geschwindigkeit an den Motor angelegt wird, kann ein an sich hoher Wirbelstromverlust in dem Rotor noch vergrößert werden. Daher ist es schwierig, einen solchen Motor in einem Roboter einzusetzen, der häufig eine sehr schnelle Betätigung erfordert.
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Aufgrund des oben gesagten ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindungen, einen Synchronmotor zu schaffen, der eine gleichförmige Drehung bei einem geringen Trägheitsmoment und einem hohen Drehmoment möglich macht und der Stromverluste selbst im Arbeitsbereich mit hoher Geschwindigkeit unterdrückt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Um das oben genannte Ziel zu erreichen, ist gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein Synchronmotor geschaffen, der umfasst:
einen Stator mit 12 Nuten und konzentrierter Wicklung und
einen Rotor mit 8 Polen, der auf der Innenseite der konzentrierten Startorwicklung angeordnet und so ausgebildet ist, dass er 8 Magnete in radialer Ausrichtung hat, bei dem ein Teil oder die ganze äußere Kontur des Rotors, die einem Pol entspricht, kurvenförmig nach einer trigonometrischen Funktion oder angenähert nach einer trigonometrischen Funktion ausgebildet ist.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform bzw. einem zweiten Aspekt der Erfindung dient, ebenso wie bei der ersten Ausführungsform, der Teil der äußeren Kontur des Rotors, der einem Pol entspricht, als ein mittlerer Teil der äußeren Kontur des Rotors entsprechend dem einen Pol.
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Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung, ebenso wie bei der ersten und der zweiten Ausführungsform, umfasst der Rotor eine erste Magnetgruppe, die durch die radial ausgerichteten 8 Magnete gebildet ist, und eine zweite Magnetgruppe, die durch 8 radial ausgerichtete Magnete derart gebildet ist, dass die zweite Magnetgruppe in Achsrichtung des Synchronmotors neben der ersten Magnetgruppe angeordnet ist, und bei dem die erste Magnetgruppe und die zweite Magnetgruppe gegeneinander um 7,5° um die Achse des Synchronmotors versetzt angeordnet sind.
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Nach der vierten Ausführungsform, ebenso wie bei der ersten oder zweiten Ausführungsform, umfasst der Rotor
eine erste Magnetgruppe, die aus 8 radial angeordneten Magneten gebildet ist,
eine zweite Magnetgruppe, die aus 8 radial angeordneten Magneten so gebildet ist, dass die zweite Magnetgruppe in Axialrichtung des Synchronmotors neben der ersten Magnetgruppe angeordnet ist,
eine dritte Magnetgruppe, die aus 8 radial angeordneten Magneten so gebildet ist, dass die dritte Magnetgruppe in Axialrichtung des Synchronmotors neben der zweiten Magnetgruppe angeordnet ist, und
eine vierte Magnetgruppe, die aus 8 radial ausgerichteten Magneten so gebildet ist, dass sie in Axialrichtung des Synchronmotors neben der dritten Magnetgruppe angeordnet ist, wobei zwei nebeneinander liegende Magnetgruppen aus der ersten Magnetgruppe bis zur vierten Magnetgruppe so angeordnet sind, dass sie gegeneinander um 3,75° um die Achse des Synchronmotors versetzt sind.
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Bei einer fünften Ausführungsform ist ebenso wie bei der dritten Ausführungsform ein erstes Befestigungsloch in einem ersten Rotorjoch der ersten Magnetgruppe des Rotors an einer Stelle, die von einer Mittellinie eines Abschnitts des Rotors entsprechend jedem Pol um 3,75° um die Achse des Synchronmotors versetzt ist, ausgebildet und
ist ein zweites Befestigungsloch in einem zweiten Rotorjoch der zweiten Magnetgruppe des Rotors an einer Stelle ausgebildet, die von einer Mittellinie eines Abschnitt des Rotors entsprechend jedem Pol um 3,75° um die Achse des Synchronmotors in einer zum ersten Befestigungsloch entgegengesetzten Richtung versetzt ist.
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Bei einer sechsten Ausführungsform ist ebenso wie in der vierten Ausführungsform ein erstes Befestigungsloch in einem ersten Rotorjoch der ersten Magnetgruppe des Rotors an einer Stelle, die von einer Mittellinie eines Abschnitts des Rotors entsprechend jedem Pol um 5,625° um die Achse des Synchronmotors versetzt ist, ausgebildet,
ist ein zweites Befestigungsloch, das in einem zweiten Rotorjoch der zweiten Magnetgruppe des Rotors an einer Stelle ausgebildet, die gegenüber einer Mittellinie eines Abschnitts des Rotors entsprechend jedem Pol um 1,875° um die Achse des Synchronmotors in der gleichen Richtung wie das erste Befestigungsloch versetzt ist,
ist ein drittes Befestigungsloch, das in einem dritten Rotorjoch der dritten Magnetgruppe des Rotors an einer Stelle ausgebildet, in die gegenüber einer Mittellinie eines Abschnitts des Rotors entsprechend jedem Pol um 1,875° um die Achse des Synchronmotors in einer zum ersten Befestigungsloch entgegengesetzten Richtung versetzt ist, und
ist ein viertes Befestigungsloch, das in einem vierten Rotorjoch der vierten Magnetgruppe des Rotors an einer Stelle ausgebildet, die gegenüber einer Mittellinie eines Abschnitts des Rotors entsprechend jedem Pol um 5,625° um die Achse des Synchronmotors in einer zum ersten Befestigungsloch entgegengesetzten Richtung versetzt ist.
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Diese und noch andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch deutlicher, wenn man die ausführliche Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, näher studiert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist die Darstellung einer Stirnfläche eines Synchronmotors nach der vorliegenden Erfindung.
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In 2 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht des in 1 dargestellten Synchronmotors.
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotors.
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4 ist eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts des Rotors entsprechend einem Pol.
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5 ist ein erstes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Drehwinkel und dem Rastmoment darstellt.
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6 ist eine erste vergrößerte Ansicht eines Rotorjochs.
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7 ist eine zweite perspektivische Ansicht eines Rotors.
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8 ist ein zweites Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Drehwinkel und dem Rastmoment darstellt.
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9 ist eine zweite vergrößerte Ansicht eines Rotorjochs.
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10 ist eine dritte vergrößerte Ansicht eines Rotorjochs.
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11 ist eine dritte perspektivische Ansicht eines Rotors.
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12 ist ein drittes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Drehwinkel und dem Rastmoment darstellt.
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13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Strom und dem Wirbelstromverlust des Rotors wiedergibt.
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14 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Verhältnis von größter Spaltlänge zu geringster Spaltlänge und dem Rastmoment wiedergibt.
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15 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem durchgehenden Nenndrehmoment und dem Verhältnis von Drehmoment zu Trägheitsmoment wiedergibt.
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Ausführliche Beschreibung
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Im nachfolgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen werden gleichen Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bzw. -Zahlen gekennzeichnet. Um das Verständnis zu erleichtern, sind die Maßstäbe in den Zeichnungen bei Bedarf unterschiedlich gewählt.
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In 1 ist die Darstellung der Stirnfläche eines Synchronmotors nach der vorliegenden Erfindung. Der in 1 dargestellte Synchronmotor 10 umfasst vornehmlich einen Stator 20 und einen innerhalb des Stators 20 vorgesehenen Rotor 30. Der Stator 20 umfasst einen Statorkern, der aus einer Vielzahl elektromagnetischer, übereinander geschichteter Stahlbleche (Blechpaket) aufgebaut ist. 12 Nuten 21 sind in gleichem Abstand voneinander an der inneren Umfangsfläche des Stators 20 ausgebildet. Eine nicht dargestellte Wicklung ist um jeden Statorzahn 22 zwischen den entsprechenden einander benachbarten Nuten 21 über eine Isoliermaterialschicht gewickelt.
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2 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht des in 1 dargestellten Synchronmotors. Wie in den 1 und 2 wiedergegeben, enthält der Rotor 30 8 Magnete m1 und Rotorjoche 31, die jeweils zwischen den Magneten m1 angeordnet sind. Wie in 2 gezeigt, hat jeder Rotor 8 Magnete m1 einen rechteckförmigen Bereich und ist sich in radialer Richtung des Synchronmotors 10 erstreckend vorgesehen. Die Anzahl der Magnete m1 entspricht der Anzahl der Pole des Synchronmotors 10. Ferner ist das Rotorjoch 31 als ein Stapel von elektromagnetischen Stahlblechen ausgebildet. Ein Befestigungsloch 41 für eine nicht dargestellte Zugstange zur integralen Befestigung der elektromagnetischen Stahlblechplatten ist in dem Rotorjoch 31 an einer Stelle nahe dem Zentrum des Rotorjochs 31 ausgebildet.
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3 ist eine erste perspektivische Ansicht eines Rotors. Wie in 3 dargestellt, sind Magnete m2 neben den Magneten m1 auf deren unterer Seite in Richtung der Achse des Synchronmotors 10 angeordnet. Die Magnete m2 haben im Wesentlichen die gleiche Form und Magnetkraft wie die Magnete m1. Die Anzahl der Magnete m2 beträgt 8. Jeder der 8 Magnete m2 ist so angeordnet, dass er sich in Richtung der Achse des Synchronmotors 10 erstreckt, ebenso wie die Magnete m1. Die Magnete m2 befinden sich entsprechend neben den korrespondierenden Magneten m1.
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Ferner sind Magnete m3 neben den Magneten m2 auf deren unterer Seite in Richtung der Achse des Synchronmotors 10 vorgesehen und Magnete m4 sind neben den Magneten m3 auf deren unterer Seite in Richtung der Achse des Synchronmotors 10 angeordnet. Die Magnete m4 sind neben den Magneten m3 auf der unteren Seite in Richtung der Achse des Synchronmotors 10 vorgesehen. Die Magnete m3 und die Magnete m4 sind im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie die Magnete m2 angeordnet. Im nachfolgenden werden die 8 Magnete m1 und die zugehörigen Bauteile als erste Magnetgruppe M1 und die Magnete m2, m3 und m4 und die sich auf die entsprechenden Magnete beziehenden Bauteile entsprechend als zweite Magnetgruppe M2, als dritte Magnetgruppe M3 und als vierte Magnetgruppe M4, so wie es erforderlich ist, bezeichnet. Wie an späterer Stelle beschrieben werden wird, sind die Magnetgruppen M1 bis M4 in einer bestimmten Winkelposition um die Achse des Synchronmotors 10 herum angeordnet.
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In dem auf diese Weise aufgebauten Synchronmotor 10 wird ein Magnetfeld in dem Statorkern durch Magnetflüsse der Magnete m1 und dergleichen des Rotors 30 erzeugt. Ferner, wenn Strom durch die nicht dargestellten Spulen, die auf die Nuten 21 des Stators 20 gewickelt sind, fließt wird ein Magnetfeld durch elektromagnetische Induktion erzeugt. Magnetflüsse werden in den Magneten m1 und so weiter und in den Spulen je nach ihrer Winkelstellung erzeugt und wird ein bestimmtes Drehmoment durch Bündelung dieser Magnetflüsse erhalten, wodurch der Rotor 30 des Synchronmotors 10 gedreht wird.
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4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Rotors, der einem Pol entspricht. 4 stellt ein Rotorjoch 31 entsprechend einem Pol des Rotors 30 dar. Ferner ist zur Vereinfachung der Beschreibung auf eine Darstellung einen gut 21 auf einer inneren Umfangsfläche 29 des Stators 20 verzichtet. Wie in 4 dargestellt, wird davon ausgegangen, dass eine Mittellinie, die durch den Drehmittelpunkt O des Synchronmotors 10 und durch den Mittelpunkt des Rotorjochs 31 verläuft, eine Gerade X0 ist. Ferner wird von der Annahme ausgegangen, dass eine Gerade durch Drehung der Geraden X0 im Gegenuhrzeigersinn um den Drehmittelpunkt O um den Winkel Θ eine gerade Linie X1 ergibt.
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4 lässt sich entnehmen, dass die äußere Umfangsfläche 33 des Rotorjochs 31 so ausgebildet ist, dass sie am nächsten zur inneren Umfangsfläche 29 des Stators 20 in der Nähe der Mittellinie X0 liegt und weiter weg von der inneren Umfangsfläche 29 des Stators 20 in der Nähe der beiden Enden des Umfangs des Rotorjochs 31 ist. Die Gestalt der äußeren Umfangsfläche 33 des Rotorjochs 31 lässt sich durch eine trigonometrische Funktion wie die der Gleichung (1) wiedergegeben. Lg = G0/cos(Kc × Θ) (1)
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In der Gleichung (1) bezeichnet Lg die Spaltweite zwischen der äußeren Umfangsfläche 33 des Rotorjochs 31 und der inneren Umfangsfläche 29 des Stators 20 längs der Geraden X1. G0 ist die geringste Spaltweite zwischen der äußeren Umfangsfläche 33 des Rotorjochs 31 und der inneren Umfangsfläche 29 des Stators 20 längs der Mittellinie X0. Kc ist ein Koeffizient, der eine Krümmung definiert. Alternativ kann die äußere Umfangsfläche 33 des Rotorjochs 31 auch nach einer anderen Funktion als einer trigonometrischen Funktion ausgebildet werden. Außerdem können nur ein Teil, zum Beispiel nur der innere Teil bzw. Abschnitt der äußeren Umfangsfläche 33 des Rotorjochs 31 unter Verwendung einer solchen Funktion ausgebildet werden. Die zuvor erwähnte Modifikation ist auch dennoch vom Umfang der vorliegenden Erfindung erfasst.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die äußere Kontur des Rotors 30 aus einer Kurve einer trigonometrischen Funktion gebildet, die es ermöglicht, eine gleichmäßige bzw. gleichförmige Drehung mit einem niedrigen Trägheitsmoment und einem großen Drehmoment zu verwirklichen und Stromverluste selbst im hohen Geschwindigkeitsbereich zu unterdrücken. Folglich ist es möglich, den erfindungsgemäßen Synchronmotor 10 bei einem mit hoher Geschwindigkeit und hoher Reaktions- bzw. Ansprechempfindlichkeit arbeitenden Roboter einzusetzen, der eine hohe Frequenz und hohe Geschwindigkeit beim Aufnehmen und Ablegen erfordert.
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5 ist ein erstes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Drehwinkel und dem Rastmoment bei der Drehung des Synchronmotors wiedergibt. In 5 ist auf der waagerechten Achse der Drehwinkel Θ und auf der vertikalen Achse das Rastmoment aufgetragen. Die gleiche Definition der Achsen wird auch in 8 und in 12, die an späterer Stelle beschrieben werden, verwendet. Ferner enthält der Synchronmotor 10, der in 5 dargestellt ist, einen Stator 20 mit 12 Nuten wie er in 1 und an anderer Stelle dargestellt ist, und den Rotor 30, der in 3 gezeigt ist. Mit Worten, der Rotor 30 des Synchronmotors 10 in 5 enthält die erste Magnetgruppe M1 bis vierte Magnetgruppe M4, in die jeweils unter dem gleichen Winkel angeordnet sind.
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In diesem Fall hat der Synchronmotor 10 8 Pole und 12 Nuten, wie dies in 5 dargestellt ist,. Es wird eine Rastmoment mit einer Hauptkomponente P erzeugt, die 24 mal je um Drehung auftritt. In 5 ist ebenfalls eine harmonische Komponente Q dargestellt, die der Hauptkomponente P folgt und 24 mal je Umdrehung auftritt, was dem doppelten des Auftretens der Hauptkomponente P entspricht. Es ist schwer, den Synchronmotor 11 wegen des Auftretens der Hauptkomponente P und der harmonischen Komponente Q gleichförmig rotieren zu lassen.
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Die Größe der Hauptkomponente P und die Größe der harmonischen Komponente Q werden durch Veränderung des Werts des Koeffizienten Kc in Gleichung (1) eingestellt. Es ist jedoch – ganz gleich wie der Koeffizient Kc verändert wird – schwer möglich, die Hauptkomponente P und die harmonische Komponente Q selbst zu unterdrücken. Es ist erforderlich, die Hauptkomponente P und die harmonische Komponente Q selber zu beseitigen, um den Synchronmotor 10 gleichförmig rotieren zu lassen.
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Der Synchronmotor 10 nach der Erfindung ist mit 8 Polen und 12 Nuten versehen. Das kleinste gemeinsame Vielfache von 8 und 12 ist 24. Ein Winkel von 15° wird durch Teilen einer Umdrehung (= 360°) durch 24 gewonnen. Es ist daher möglich, die Hauptkomponente P des Rastmoments durch gegenseitiges Versetzen der in 3 dargestellten Magnetgruppen um die Achse um 7,5°, was der Hälfte von 15° entspricht, auszuschalten.
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6 ist eine erste vergrößerte Ansicht eines Rotorjochs. Ein erstes Befestigungsloch 41a eines Rotorjochs 31a, das in 6 gezeigt ist, ist an einer Stelle ausgebildet, die gegenüber der Mittellinie X0 versetzt ist. Wie in 6 dargestellt, beträgt der Winkel Θ, der durch ein Linienstück X2, das den Mittelpunkt des Befestigungslochs 41a mit dem Drehmittelpunkt O verbindet, und der Mittellinie X0 eingeschlossen wird 3,75°. Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Rotorjoch 31a, in dem das Befestigungsloch 41a auf diese Weise ausgebildet ist, verwendet.
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7 ist eine zweite perspektivische Ansicht eines Rotors. In 7 werden in der ersten Magnetgruppe M1 und der zweiten Magnetgruppe M2 Magnete m1 und m2 unter Verwendung von 8 Rotorjochen 31a mit Befestigungslöchern 41a befestigt. Im Gegensatz hierzu werden in der dritten Magnetgruppe M3 und der vierten Magnetgruppe M4 Magnete m3 und m4 unter Verwendung von 8 Rotorjochen 31a mit der oben beschriebenen Ausbildung so befestigt, dass die Vorderseite und die Hinterseite der Rotorjoche 31a gegeneinander vertauscht sind.
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Als Ergebnis der oben beschriebenen Ausbildung, wie sie auch in 7 dargestellt ist, sind die erste Magnetgruppe M1 und die zweite Magnetgruppe M2 gemeinsam um die Achse um 7,5° gegenüber der Magnetgruppe M3 und der Magnetgruppe M4 verdreht angeordnet. Der Drehwinkel von 7,5° ist die Summe aus dem absoluten Wert des Winkels Θ (= 3,75°) des Befestigungslochs 41a des Rotorjochs 31a, das in der ersten Magnetgruppe M1 und der zweiten Magnetgruppe M2 verwendet ist, und dem absoluten Wert des Winkels Θ (= –3,75°) des Befestigungslochs 41a des Rotorjochs 31a, das in der dritten Magnetgruppe M3 und der vierten Magnetgruppe M4 verwendet ist.
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Wenn der Synchronmotor 10 mit dem so aufgebauten Rotor 30 und dem Stator 20 verwendet wird, ergibt sich die Beziehung zwischen dem Drehwinkel und dem Rastmoment, wie sie in 5 oder 8 dargestellt ist. 5 ist ein Diagramm, das die Hauptkomponente P, die 24 mal je Umdrehung auftritt, und die harmonische Komponente Q, die 48 mal je Umdrehung auftritt, dargestellt, was das Doppelte der Auftretens der Hauptkomponente P ist. 8 ist ein Diagramm, dass nur die Hauptkomponente P zeigt, die 24 mal je Umdrehung auftritt. Der Wellenzug, der in 5 dargestellt ist, oder der Wellenzug, der in 8 gezeigt ist, wird je nach der Gestalt eines Magnetpols oder dergleichen erhalten. Jeder der Wellenzüge verändert sich die Größe des Rastmoments mit der Änderung des Koeffizienten der trigonometrischen Funktion, wie dies in 14 wiedergegeben ist.
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Betrachtet man nun 14, so zeigt sich, dass ein kleines Rastmoment selbst dann verbleibt, wenn die Amplitude des Wellenzugs minimiert ist. Es ist möglich, das Rastmoment im Wesentlichen zu null werden zu lassen, wenn der in 7 dargestellte Rotor verwendet wird, was es möglich macht, eine noch gleichförmigere Drehung des elektrischen Motors zu erzielen, der mit einem solchen Rotor ausgerüstet ist. Folglich lässt sich die Hauptkomponente P, die 24 mal je Umdrehung auftritt, praktisch auf null senken.
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Ferner, da in der ersten Ausführungsform einige Rotorjoche 31a am vorderen Ende und am hinteren Ende der Rotorjoche umgedreht bzw. gewendet verwendet werden, ist es möglich, den Rotor 30 mit einer Winkelversetzung von 7,5° nur durch Verwendung der Rotorjoche 31a eines einzigen Typs aufzubauen. Alternativ kann die erste Magnetgruppe M1 und die dritte Magnetgruppe M3 unter Verwendung des Rotorjochs 31a, das in 6 dargestellt ist, und die zweite Magnetgruppe M2 und die vierte Magnetgruppe M4 unter Verwendung des Rotorjochs 31a mit vorne und hinten zueinander verdreht verwendet werden.
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Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform beschrieben. 9 ist eine zweite vergrößerte Ansicht eines Rotorjochs. Ein Befestigungsloch 41b in einem Rotorjoch 31b, das in 9 gezeigten ist, ist an einer außermittigen Stelle zur Mittellinie X0 ausgebildet. Wie es in 9 dargestellt ist, beträgt der Winkel Θ, der durch ein Linienstück X3, das den Mittelpunkt des Befestigungslochs 41b und den Drehmittelpunkt O miteinander verbindet, und die Mittellinie X0 eingeschlossen ist, 1,875°.
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Weiterhin zeigt 10 eine dritte vergrößerte Ansicht eines Rotorjochs. Ein Befestigungsloch 41c in einem Rotorjoch 31c, das in 10 gezeigt ist, ist an einer außermittigen Stelle gegenüber der Mittellinie X0 ausgebildet. Wie es in 10 dargestellt ist, beträgt der Winkel Θ, der durch ein Liniensegment X4, das den Mittelpunkt des Befestigungslochs 41c und den Drehmittelpunkt O miteinander verbindet, und die Mittellinie X0 eingeschlossen ist, 5,625°. In der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zwei Arten von Rotorjochen 31b und 31c verwendet, in denen die Befestigungslöcher 41b und 41c wie zuvor beschrieben ausgebildet sind.
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11 ist eine dritte perspektivische Ansicht eines Rotors. In 11 sind die Magnete m1 in der ersten Magnetgruppe M1 unter Verwendung von 8 Rotorjochen 31c mit Befestigungslöchern 41c befestigt und mit der Vorderseite und der Rückseite von ihnen mit Bezug auf den in 10 dargestellten Zustand gewendet. Ferner sind in der zweiten Magnetgruppe M2 die Magnete m2 unter Verwendung von 8 Rotorjochen 31b mit darin ausgebildeten Befestigungslöchern 41b und mit deren Vorderseite und Rückseite mit Bezug auf den in 9 dargestellten Zustand gewendet befestigt.
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In der dritten Magnetgruppe M3 sind die Magnete m3 unter Verwendung von 8 Rotorjochen 31b mit darin ausgebildeten Befestigungslöchern 41b befestigt. Weiterhin sind in der vierten Magnetgruppe M4 die Magnete m4 unter Verwendung von 8 Rotorjochen 31c mit Befestigungslöchern 41c befestigt.
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Als Folge des oben beschriebenen Aufbaus, wie er in 11 dargestellt ist, ist die erste Magnetgruppe M1 mit einem Drehversatz um die Achse in Bezug auf die zweite Magnetgruppe M2 von 3,75° (= –5,625° – (–1,875°) angeordnet. In gleicher Weise ist die zweite Magnetgruppe M2 mit einem Drehversatz um die Achse in Bezug auf die dritte Magnetgruppe M3 von 3,75° ( = (–1,875°) – 1,875°) angeordnet. Fernerhin ist die dritte Magnetgruppe M3 mit einem Drehversatz um die Achse in Bezug auf die vierte Magnetgruppe M4 um 3,75° (1,875° – 5,625°) angeordnet.
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Wenn ein Synchronmotor 10 der zweiten Ausführungsform, der mit dem so ausgebildeten Rotor 30 und dem Starter 20 ausgerüstet ist, verwendet wird, ergibt sich eine Beziehung zwischen dem Drehwinkel und dem Rastmoment, wie sie in 12 wiedergegeben ist. Nach 12 sind eine Hauptkomponente P und eine harmonische Komponente Q entfernt und als Folge dieser Entfernung wird kein Rastmoment erzeugt. Daher wird verglichen mit den in den 5 und 8 dargestellten Fällen es offensichtlich, dass sich der mit dem in 11 dargestellten Rotor 30 ausgestattete Synchronmotor 10 noch gleichförmiger dreht.
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13 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Strom und den Wirbelstromverlusten des Rotors wiedergibt. In 13 gibt die horizontale Achse den Strom und die vertikale Achse den Wirbelstromverlust des Rotors wieder. Ferner gibt die in 13 dargestellte durchgezogene Linie A1 das Verhalten des erfindungsgemäßen Synchronmotors 10 mit 8 Polen und 12 Nuten und die unterbrochene Linie A2 das Verhalten eines Synchronmotors mit 10 Polen und 12 Nuten wieder.
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Wie es die in 13 dargestellte unterbrochene Linie A2 wiedergibt, steigt mit ansteigendem Strom der Wirbelstromverlust des Rotors eines Synchronmotors mit 10 Polen und 12 Nuten ebenfalls an. Auf der anderen Seite ändert sich bei dem erfindungsgemäßen Motor 10 mit 8 Polen und 12 Nuten der Wirbelstromverlust des Rotors, wie dies durch die dargestellte durchgehende Linie A1 wiedergegeben kann, unabhängig von einem Anstieg des Stroms. Daher ist es einsichtig, dass die Ausbildung des Synchronmotors mit 8 Polen und 12 Nuten vorteilhaft für die Unterdrückung eines Anstiegs der Wirbelstromverluste des Rotors ist.
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Kommt man noch einmal zu 4 zurück, zeigt 4 auch eine maximale Spaltweite Gm zwischen der inneren Umfangsfläche 29 des Stators 20 und der äußeren Umfangsfläche 33 des Rotorjochs 31. 14 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Verhältnis der größten Spaltweite zur kleinsten Spaltweite und dem Rastmoment wiedergibt. In 14 sind auf der horizontalen Achse das Verhältnis Gm/G0 und auf der vertikalen Achse das Rastmoment aufgetragen. In der Beschreibung der vorliegenden Anmeldung wird das Verhältnis Gm/G0 zwischen der größten Spaltweite Gm und der kleinsten Spaltweite G0 auch als Krümmung bzw. Rundung (curvature) bezeichnet.
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Wie in 14 dargestellt, die das Rastmoment mit zunehmendem Verhältnis Gm/G0 bis zum Zahlenwert 5 zurück. Dann, wenn das Verhältnis Gm/G0 über den Zahlenwert 5 hinaus ansteigt, steigt das Rastmoment wieder an. Mit anderen Worten, wenn das Verhältnis Gm/G0 gleich dem Zahlenwert 5 ist, hat das Rastmoment seinen kleinsten Wert. Es ist daher möglich, das Rastmoment auf einen geringsten Wert durch Einsatz eines Rotors 30 zu senken, der so ausgebildet ist, dass die größte Spaltweite Gm und die kleinste Spaltweite G0 so gewählt sind, dass das Verhältnis Gm/G0 gleich dem Zahlenwert 5 ist.
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Wenn der Synchronmotor 10 in einem mit hoher Geschwindigkeit und hoher Ansprechempfindlichkeit arbeiten Roboter, der eine hohe Arbeitsfrequenz und hohe Geschwindigkeit für das Aufnehmen und Ablegen erfordert, eingesetzt wird, ist der Synchronmotor 10 zur Sicherstellung eines großen Verhältnisses (Drehmoment zu Trägheitsmoment) zwischen kontinuierlichem Nenndrehmoment und Trägheitsmoment erforderlich. 15 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem kontinuierlichen Nenndrehmoment und dem Verhältnis Drehmoment zu Trägheitsmoment darstellt. In 15 ist auf der horizontalen Achse das kontinuierliche Nenndrehmoment und auf der vertikalen Achse das Verhältnis von Drehmoment zu Trägheitsmoment aufgetragen. Ferner gibt in 15 der Punkt C den Synchronmotor 10 nach der Erfindung und die durchgezogene Linie D das Verhalten eines bekannten Motors wieder.
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In 15 gibt der Punkt C, der das Verhältnis von Drehmoment zu Trägheitsmoment des Synchronmotors 10 nach der Erfindung darstellt, einen höheren Wert als die durchgezogene Linie D wieder, die das Verhalten eines bekannten Motors darstellt. Mit anderen Worten, es ist augenscheinlich, dass der Synchronmotor 10 nach der Erfindung eine bemerkenswert hohe Leistung im Vergleich zu dem bekannten Motor hat. Es ist deshalb möglich, dass der Synchronmotor 10 nach der Erfindung auch in einem Roboter mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit und hoher Reaktionsempfindlichkeit, der eine hohe Arbeitsfrequenz und hohe Geschwindigkeit beim Aufnehmen und Ablegen erfordert, eingesetzt wird.
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Wirkungen der Erfindung
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In der ersten und zweiten Ausführungsform, ist ein Aufbau mit 8 Polen und 12 Nuten eingesetzt und die äußere Kontur des Rotors hat die Form einer Kurve nach einer trigonometrischen Funktion. Daher ist es möglich, einen Synchronmotor zu gewinnen, der eine gleichförmige Drehung mit einem geringen Trägheitsmoment und einem großen Drehmoment ermöglicht und Stromverluste selbst in einem Bereich hoher Geschwindigkeit zu unterdrücken. Folglich kann der Synchronmotor nach der Erfindung bei einem Roboter hoher Geschwindigkeit und hoher Reaktionsempfindlichkeit, der eine hohe Arbeitsfrequenz und hohe Geschwindigkeit beim Aufnehmen und Ablegen erfordert, eingesetzt werden.
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In der dritten Ausführungsform ist eine Hauptkomponente, nämlich das Rastmoment ausgeschaltet. Daher kann die Drehung des Motors noch gleichförmiger gemacht werden.
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In der vierten Ausführungsform sind sowohl die harmonische Komponente als auch die Hauptkomponente, das Rastmoment, beseitigt. Daher kann die Drehung des Motors nochmals gleichförmiger gemacht werden.
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In der fünften Ausführungsform ist es leicht, die erste Magnetgruppe und die zweite Magnetgruppe voneinander um 3,5° um die Achse zu versetzen, und zwar mit der Herstellung von Rotorjochen mit nur einer einzigen Bauform.
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In der sechsten Ausführungsform bzw. nach dem sechsten Aspekt ist es leicht, zwei zueinander benachbarte Magnetgruppe bei einem vergleichsweise einfachen Aufbau um 7,5° um die Achse zu versetzen.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass Fachleute auf dem vorliegenden Gebiet der Technik die oben beschriebenen und verschiedene andere Modifikationen mit Auslassungen und Hinzufügungen ausführen können, ohne dabei vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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