DE102014114424A1

DE102014114424A1 - Elektromotor zur Verminderung des Rastdrehmoments

Info

Publication number: DE102014114424A1
Application number: DE201410114424
Authority: DE
Inventors: c/o FANUC Corporation Maeda Takuya
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2014-10-06
Publication date: 2015-04-16
Also published as: CN104578490B; US20180020923A1; JP2015077043A; US10285594B2; JP5758966B2; CN104578490A; CN204179778U; US20150102700A1

Abstract

Ein Elektromotor enthält einen Läufer, der Magnetpoleinheiten aufweist, und einen Ständer, der Schlitze hat, die der Außenrandfläche des Läufers gegenüberliegen. Jede Magnetpoleinheit ist in radialer Richtung nach außen gewölbt, damit der Verlauf der magnetischen Flussdichte, die der Läufer erzeugt, die Form einer Sinuskurve hat. Ein konkaver Abschnitt oder konvexer Abschnitt, der klein genug ist, um zu verhindern, dass sich die Kurvenperiode des Rastdrehmoments verändert, die durch die kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl der Schlitze und der Anzahl der Magnetpole des Läufers bestimmt ist, ist im Mittenbereich in der Umfangsrichtung einer Außenrandfläche in jeder Magnetpoleinheit ausgebildet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Elektromotoren, bei denen das Rastdrehmoment verringert werden kann.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Bei Elektromotoren, die einen Läufer aufweisen, der einen Permanentmagneten enthält, schwankt durch die vorhandenen Schlitze des Ständerkerns, die der Außenrandfläche des Läufers gegenüberliegen, die magnetische Coenergie während der Drehung des Läufers. Dadurch wird ein Rastdrehmoment erzeugt, d. h. eine Drehmomentschwankung. Man bevorzugt, das Rastdrehmoment zu verringern, da das Rastdrehmoment einer ruhigen Drehung des Läufers entgegensteht und Geräusche oder Vibrationen erzeugt. Man kennt herkömmliche Elektromotoren, die für ein verringertes Rastdrehmoment entworfen sind. Sie sind in der offengelegten japanischen Patentschrift Nr. 2003-023740 ( JP 2003-023740 A ) und der offengelegten japanischen Patentschrift Nr. 11-164501 ( JP 11-164501 A ) beschrieben.
Der Läufer eines Elektromotors, der in JP 2003-023740 A beschrieben ist, enthält eine Magnetpoleinheit, die eine kreisbogenförmige Außenrandfläche hat, die sich in radialer Richtung nach außen wölbt, damit der Verlauf der magnetischen Flussdichte, die der Läufer erzeugt, die Form einer Sinuskurve hat. Teile mit maximalem Außendurchmesser der Außenrandfläche sind zu beiden Seiten einer Umfangsrichtungsmitte (Magnetpolmitte) der Magnetpoleinheit angeordnet, und ein konkaver Abschnitt ist in der Umfangsrichtungsmitte der Magnetpoleinheit ausgebildet. Diese Anordnung verdoppelt die Anzahl der Spitzen in der Kurve des Rastdrehmoments, das bei jeder Umdrehung des Läufers erzeugt wird, und sie verringert die Höhe des Rastdrehmoments um die Hälfte. In JP 11-164501 A ist ein Elektromotor beschrieben, bei dem die Außenrandfläche einer Magnetpoleinheit eines Läufers zu einer zylindrischen Gestalt um die Drehwelle des Läufers geformt ist. Dieser Elektromotor ist so ausgelegt, dass der Verlauf der magnetischen Flussdichte des Läufers keine Sinuskurve ist, sondern eine Trapezkurve.
Der in JP 2003-023740 A beschriebene Elektromotor ist dafür ausgelegt, dass die Höhe des Rastdrehmoments halbiert wird, indem im Wesentlichen die Anzahl der Magnetpole verdoppelt wird. Die Höhe des Rastdrehmoments kann jedoch nicht auf eine beliebige Höhe eingestellt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Elektromotor einen Läufer, der Magnetpoleinheiten aufweist, und einen Ständer, der Schlitze hat, die der Außenrandfläche des Läufers gegenüberliegen. Jede Magnetpoleinheit ist in radialer Richtung nach außen gewölbt, damit der Verlauf der magnetischen Flussdichte, die der Läufer erzeugt, die Form einer Sinuskurve hat. Ein konkaver Abschnitt oder konvexer Abschnitt ist im Mittenbereich in der Umfangsrichtung einer Außenrandfläche in jeder Magnetpoleinheit ausgebildet, und er ist klein genug, um zu verhindern, dass sich die Kurvenperiode des Rastdrehmoments verändert, die durch die kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl der Schlitze und der Anzahl der Magnetpole des Läufers bestimmt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnungen deutlicher hervor.
Es zeigt:
1 eine Schnittansichtsskizze des inneren Aufbaus eines Elektromotors einer Ausführungsform der Erfindung;
2A eine vergrößerte Ansicht des Läufers, der in 1 dargestellt ist;
2B eine vergrößerte Ansicht der Anordnung eines Pols des Läufers, der in 2A dargestellt ist;
3 eine Skizze der Kurve einer magnetischen Flussdichte für den Fall, dass keine Schlitzöffnung in der Innenrandfläche des Ständers ausgebildet ist;
4 eine Beispielskizze für magnetische Flusslinien in einem Elektromotor;
5 eine Skizze der Kurve einer magnetischen Flussdichte für den Fall, dass eine Schlitzöffnung in der Innenrandfläche des Läufers ausgebildet ist;
6 eine vergrößerte Ansicht der Form einer Außenrandfläche des Läufers, der in dem Elektromotor enthalten ist, gemäß der Ausführungsform der Erfindung;
7 eine Skizze, die die Veränderung des Kurvenverlaufs des Rastdrehmoments darstellt, das in dem Elektromotor erzeugt wird, der die Form der Außenrandfläche in 6 hat;
8 eine Skizze, die die Veränderung der Form des Rastdrehmoments darstellt, und zwar bei Änderungen einer maximalen Korrekturgröße;
9A eine Skizze eines Läufers, der eine kreisförmige Außenrandfläche hat;
9B eine Skizze, die den Verlauf einer magnetischen Flussdichte darstellt, die vom Läufer in 9A erzeugt wird;
10 eine Skizze, die die Veränderung des Verlaufs des Rastdrehmoments darstellt, das in dem Elektromotor erzeugt wird, der die Außenrandfläche mit der Form in 9A hat;
11 eine Skizze eines abgewandelten Beispiels des Elektromotors in 6;
12 eine Skizze, die die Veränderung des Verlaufs des Rastdrehmoments darstellt, das in dem Elektromotor erzeugt wird, der die Außenrandfläche mit der Form in 11 hat;
13 eine Skizze eines weiteren abgewandelten Beispiels des Elektromotors in 6;
14 eine Skizze eines anderen abgewandelten Beispiels des Elektromotors in 6;
15A eine Skizze, die ein Verfahren zum Einstellen der Form einer Außenrandfläche eines Läufers beschreibt;
15B eine vergrößerte Ansicht der Form der Außenrandfläche des Läufers, die man mit dem Verfahren in 15A erhält;
16 eine Skizze eines weiteren abgewandelten Beispiels des Elektromotors in 6;
17 eine Skizze, die die Veränderung der Form des Rastdrehmoments darstellt, das in dem Elektromotor erzeugt wird, der die Außenrandfläche mit der Form in 16 hat;
18 eine Skizze, die ein abgewandeltes Beispiel des Elektromotors in 2A darstellt;
19 eine Skizze, die ein abgewandeltes Beispiel des Elektromotors in 1 darstellt;
20 eine Skizze, die die Veränderung der Form des Rastdrehmoments darstellt, das in dem Elektromotor erzeugt wird, der in 19 zu sehen ist; und
21 eine Skizze, die ein Beispiel der magnetischen Flusslinien in einem Elektromotor gemäß dem weiteren abgewandelten Beispiel des Elektromotors in 1 darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Weiteren werden die Ausführungsformen der Erfindung anhand von 1 bis 21 beschrieben. 1 zeigt eine Schnittansichtsskizze des inneren Aufbaus eines Elektromotors 100 einer Ausführungsform der Erfindung. Der Elektromotor 100, bei dem es sich um einen Permanentmagnet-Synchronmotor mit acht Polen und zwölf Schlitzen handelt, enthält einen Läufer 1, der mit Permanentmagneten 3 versehen ist, und einen Ständer 2, der um den Läufer 1 herum angeordnet ist. Eine Abtriebswelle 4 ist in der Mitte des Läufers 1 angeordnet.
Ein vorbestimmter Raum ist zwischen einer Außenrandfläche 11 des Läufers 1 und einer Innenrandfläche 21 des Ständers 2 ausgebildet. In der Innenrandfläche 21 des Ständers 2 sind Schlitzöffnungen 22 und Zähne 23 in Umfangsrichtung abwechselnd ausgebildet. Hinter den Schlitzöffnungen 22 sind Schlitze 20 in radialer Richtung gebildet. In jedem Schlitz 20 ist eine Spule aufgenommen. Durch Einspeisen von Strom in die Spule bildet der Ständer 2 ein rotierendes Magnetfeld aus, und der Läufer 1 dreht sich synchron mit dem rotierenden Magnetfeld.
2A zeigt eine vergrößerte Ansicht des Läufers 1. Die acht Permanentmagnete 3, siehe 2A, sind radial mit gleichen Abständen in der Umfangsrichtung um ein Drehzentrum P0 des Läufers 1 angeordnet. Zwischen einander in der Umfangsrichtung benachbarten Permanentmagneten 3, 3 ist jeweils ein Joch 10 angeordnet, und die Joche 10 bilden acht Magnetpole (Magnetpoleinheiten) mit jeweils der gleichen Form. Die Joche 10 werden durch das Schichten einer Anzahl Plattenteile in axialer Richtung gebildet, die durch Zugstäbe 5 miteinander verbunden werden.
2B zeigt eine vergrößerte Ansicht eines einzigen Jochs 10, anders ausgedrückt der Anordnung eines Pols des Läufers 1, der in 2A dargestellt ist. In 2B beträgt der mittige Winkel des Läufers 1 45 Grad. Der Läufer 1 hat bezüglich einer Bezugslinie 10, die das Drehzentrum P0 mit der Umfangsrichtungsmitte (Magnetpolmitte P1) einer Außenrandfläche 11 des Jochs 10 durch eine gerade Linie verbindet, eine achsensymmetrische Form. Die Außenrandfläche 11 des Jochs 10 ist so geformt, dass sie sich in radialer Richtung nach außen wölbt. Damit wird die Entfernung (Läuferradius R) vom Drehzentrum P0 zur Außenrandfläche 11 des Jochs 10 kleiner, wenn ein Winkel θ gegen die gerade Linie L0 größer wird. Der Läuferradius R hat seinen größten Wert an einem Magnetpol-Mittenabschnitt 12, bei dem gilt θ = 0 Grad. Der Winkel θ von der Bezugslinie L0 um das Drehzentrum P0 wird auch als mechanischer Winkel bezeichnet.
3 zeigt eine Skizze der Kurve einer magnetischen Flussdichte B für den Fall, dass keine Schlitzöffnung 22 in der Innenrandfläche 21 des Ständers 2 ausgebildet ist. Diesen Verlauf erhält man durch Anordnen eines Zylinders um dem Läufer 1 und Messen des magnetischen Flusses zwischen dem Läufer 1 und dem Zylinder in einem statischen Zustand des Läufers 1. In 3 ist auf der Abszisse der mechanische Winkel des Läufers 1 aufgetragen, und auf der Ordinate eine radial gerichtete Komponente der magnetischen Flussdichte B, die der Läufer 1 erzeugt. Eine Periode der Kurve entspricht einem mechanischen Winkel von 45 Grad. In der Ausführungsform ist die Außenrandfläche 11 des Läufers 1 in radialer Richtung nach außen gewölbt. Damit, siehe 3, hat die vom Läufer 1 erzeugte magnetische Flussdichte B die Form einer Sinuskurve, und der magnetische Fluss konzentriert sich am Mittenabschnitt 12 des Magnetpols (in 3 mit a bezeichnet).
Der reale Elektromotor 100 enthält die Schlitzöffnungen 22, die in der Innenrandfläche 21 des Ständers 2 ausgebildet sind. Damit entsteht ein Unterschied in der magnetischen Permeabilität μ zwischen den Schlitzöffnungen 22 und den Zähnen 23. Anders formuliert ist die magnetische Permeabilität μ der Zähne 23, die aus einem elektromagnetischen Stahlblech bestehen, in der Regel um den Faktor 1000 oder mehr größer als die magnetische Permeabilität μ der Schlitzöffnungen 22, die durch die Luft und die Spule (Kupfer) in jedem Schlitz 20 bestimmt wird. Dadurch, siehe 4, verläuft der vom Läufer 1 erzeugte magnetische Fluss durch die Zähne 23 und nicht durch die Schlitzöffnungen 22, die einen hohen magnetischen Widerstand aufweisen. Anders ausgedrückt ist der magnetische Fluss in den Zähnen 23 dicht und erzeugt eine Stark-Schwach-Verteilung der magnetischen Flussdichte B in der Umfangsrichtung.
Eine physikalische Größe, die man aus der magnetischen Flussdichte B × B/magnetische Permeabilität μ erhält, wird als magnetische Coenergie bezeichnet. Läuft der Magnetpol-Mittenabschnitt 12 bei der Drehung des Läufers 1 nacheinander an den Schlitzöffnungen 22 und den Zähnen 23 vorbei, so schwankt die magnetische Coenergie des Magnetpol-Mittenabschnitts 12, und es wird ein Rastdrehmoment erzeugt, d. h. eine Drehmomentschwankung. Der Erzeugungsstatus des Rastdrehmoments wird nun gesondert beschrieben. 5 zeigt eine Skizze der Kurve einer magnetischen Flussdichte B für den Fall, dass Schlitzöffnungen 22 in der Innenrandfläche 21 des Läufers 2 ausgebildet sind.
An einer Position, siehe 5, an der der Läufer 1 irgendeiner Schlitzöffnung 22 (in 5 bei ”b” dargestellt) gegenüberliegt, ist die Sinuskurve unterbrochen und die magnetische Flussdichte B geht gegen 0. Daher schwankt die magnetische Coenergie und erzeugt ein Rastdrehmoment. Das Rastdrehmoment wird bei jeder Umdrehung des Läufers 1 mit einer Häufigkeit erzeugt, die gleich dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Anzahl der Schlitze und der Anzahl der Magnetpole ist (beispielsweise vierundzwanzig Mal für acht Pole und zwölf Schlitze). Der mechanische Winkel einer Periode des Rastdrehmoments beträgt 15 Grad (= 360 Grad/24). Das Rastdrehmoment soll möglichst verringert werden, da es einen runden Lauf des Läufers 1 stört und Geräusche oder Vibrationen erzeugt. In der Ausführungsform ist der Magnetpol-Mittenabschnitt 12 des Läufers 1 (Joch 10), an dem sich der magnetische Fluss konzentriert, zum Verringern des Rastdrehmoments wie folgt aufgebaut.
6 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Form einer Außenrandfläche des Jochs 10, das in dem Elektromotor 100 enthalten ist, gemäß der Ausführungsform der Erfindung. Auf der Abszisse ist der Winkel gegen die Bezugslinie L0 aufgetragen (in 2B dargestellt), anders ausgedrückt der mechanische Winkel θ. Auf der Ordinate ist die Entfernung vom Drehzentrum P0 zur Außenrandfläche 11 aufgetragen, anders formuliert der Läuferradius R. In der Ausführungsform wird die Außenrandfläche 11 (durchgezogen dargestellt) dadurch festgelegt, dass eine Korrekturgröße ΔR in radialer Richtung, für die der mechanische Winkel θ als Parameter dient, zu einer Referenzoberfläche 11A (gestrichelt dargestellt) addiert wird, und zwar mit dem mechanischen Winkel θ als Parameter.
Die Referenzoberfläche 11A wölbt sich in radialer Richtung nach außen, und der Läuferradius R hat seinen größten Wert R1 an der Magnetpolmitte P1 beim mechanischen Winkel von 0 Grad, und sie hat insgesamt die Form eines Kreisbogens. Der Verlauf der magnetischen Flussdichte B von der Referenzoberfläche 11A ist sinusförmig, siehe 3, wenn die Schlitze 20 nicht berücksichtigt werden. Der Läuferradius R der Referenzoberfläche 11A wird gemäß der folgenden Formel (I) eingestellt. R = a – b/cos(Cθ) (I)
In Formel (I) bezeichnet ”a” den Radius (Ständerinnendurchmesser) der Innenrandfläche 21 des Ständers, ”b” den kleinsten Spalt zwischen dem Läufer 1 und dem Ständer 2, und c einen Koeffizienten. Der mechanische Winkel durchläuft den Bereich von –7,5 Grad bis 7,5 Grad.
Der Läuferradius R der Außenrandfläche 11 wird gemäß der folgenden Formel (II) eingestellt. R = a – b/cos(cθ) + d × sin(eθ) (II)
In Formel (II) bezeichnet d × sin(eθ) eine Korrekturfunktion, die eine Korrekturgröße ΔR angibt, wobei ”d” die maximale Korrekturgröße ist, und ”e” ein Koeffizient, der die Eigenschaften der Korrekturfunktion angibt. Der Koeffizient ”e” wird beispielsweise so festgelegt, dass eθ 180 Grad bzw. –180 Grad ist, wenn der mechanische Winkel seinen größten bzw. kleinsten Wert annimmt. Dabei ist die Korrekturgröße ΔR 0.
Durch das Einstellen der Korrekturgröße ΔR abhängig von der Sinusfunktion wie beschrieben hat die Korrekturgröße ΔR an der Magnetpolmitte P1 (θ = 0) den Wert 0, und die Korrekturgröße ΔR wächst mit dem zunehmendem mechanischen Winkel θ allmählich an. Dadurch wird ein sehr kleiner glatter kreisbogenförmiger konkaver Abschnitt 15 am Magnetpol-Mittenabschnitt 12 ausgebildet. Das Verhältnis b/a des kleinsten Spalts ”b” zum Ständerinnendurchmesser ”a” beträgt beispielsweise ungefähr 1/10, und das Verhältnis d/b der maximalen Korrekturgröße ”d” zum kleinsten Spalt ”b” beträgt beispielsweise ungefähr 1/10. Damit beträgt das Verhältnis d/a der maximalen Korrekturgröße ”d” zum Ständerinnendurchmesser ”a” ungefähr 1/100, und die maximale Korrekturgröße ”d” ist wesentlich kleiner als der Ständerinnendurchmesser ”a”.
In diesem Beispiel hat der Betrag der maximalen Korrekturgröße ”d” beispielsweise den Wert 0,1 mm oder weniger. Eine visuelle Prüfung des Vorhandenseins der Korrektur ist folglich schwierig. Die Prüfung kann mit Hilfe einer Messvorrichtung erfolgen, beispielsweise einem optischen Projektor. Die maximale Korrekturgröße ”d” wird strikt abhängig von der Abmessung des Ständerinnendurchmessers ”a” und der Abmessung des kleinsten Spalts ”b” eingestellt. Die maximale Korrekturgröße ”d” wird größer, wenn der Ständerinnendurchmesser ”a” und der kleinste Spalt ”b” größer werden. Als Beispiel liegt die maximale Korrekturgröße ”d” innerhalb eines Bereichs von 0,01 mm bis 0,1 mm.
7 zeigt eine Skizze des Verlaufs des Rastdrehmoments. In 7 ist W0 ein Verlauf des Rastdrehmoments für den Fall, dass keine Korrektur der Referenzoberfläche 11A erfolgt, d. h. wenn der Läuferradius R entlang der gepunkteten Linie in 6 festgelegt wird. W1 zeigt den Verlauf des Rastdrehmoments wenn die Referenzoberfläche 11A korrigiert wird, d. h. wenn der Läuferradius R entlang der durchgezogenen Linie in 6 festgelegt wird. Das Rastdrehmoment mit dem Verlauf W1, siehe 7, ist kleiner als das Rastdrehmoment mit dem Verlauf W0. Somit kann die Größe des Rastdrehmoments verringert werden, indem man die Korrekturgröße ΔR dem Rotorradius R der Referenzoberfläche 11A hinzufügt, damit der sehr kleine konkave Abschnitt 15 am Magnetpol-Mittenabschnitt 12 ausgebildet wird.
8 zeigt eine Skizze, die die Veränderung der Form des Rastdrehmoments darstellt, und zwar bei Änderungen einer maximalen Korrekturgröße ”d”. Die Kurven W11, W12, W13, W14 und W15 sind Verläufe des Rastdrehmoments, die jeweils zu maximalen Korrekturgrößen d1, d2, d3, d4 und d5 gehören. Die maximalen Korrekturgrößen d1 bis d5 stehen untereinander in dem Verhältnis d1 < d2 < d3 < d4 < d5. Mit der Zunahme der maximalen Korrekturgröße ”d”, siehe 8, weicht das Rastdrehmoment vom Verlauf W0 ab, und die Höchstwerte des Rastdrehmoments gehen gegen 0 (W11 → W12 → W13). Nimmt die maximale Korrekturgröße ”d” weiter zu, so werden Kurvenverläufe (W14 und W15) mit entgegengesetzten Phasen erzeugt. Durch das Einstellen der maximalen Korrekturgröße ”d” auf einen optimalen Wert kann man also das Rastdrehmoment im größtmöglichen Ausmaß verringern. In diesem Fall ist die maximale Korrekturgröße ”d” sehr klein (z. B. 0,1 mm oder weniger). Damit kann durch Verändern der maximalen Korrekturgröße ”d” die Kurvenperiode des Rastdrehmoments unbeeinflusst bleiben, und es kann nur die Höhe des Rastdrehmoments verändert werden.
Die Erfindung kann die folgenden Auswirkungen auf den Betrieb liefern.

(1) Jede Magnetpoleinheit (Joche 10) des Läufers 1 des Elektromotors 100 wölbt sich in radialer Richtung nach außen, damit die Kurve der magnetischen Flussdichte B, die der Läufer 1 erzeugt, sinusförmig ist (siehe 3). Der sehr kleine konkave Abschnitt 15 (in 6 dargestellt) ist im Mittenbereich in Umfangsrichtung (Magnetpol-Mittenabschnitt 12) der Außenrandfläche 11 der Magnetpoleinheit ausgebildet, und er ist so klein, dass eine Veränderung der Kurvenperiode des Rastdrehmoments, die durch die kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl der Schlitze 20 und der Anzahl der Magnetpole des Läufers 1 bestimmt ist, verhindert wird. Damit kann das Rastdrehmoment stark verringert werden, und die Verlaufsperiode des Rastdrehmoments bleibt erhalten.

Bei einer Anordnung, bei der konvexe Abschnitte zu beiden Seiten der Magnet-Polmitte P1 ausgebildet sind, so dass im Wesentlichen die Anzahl der Magnetpole des Läufers 1 verdoppelt wird, wird die Kurvenperiode des Rastdrehmoments auf ungefähr die Hälfte verringert. Dadurch geht zwar die Höhe des Rastdrehmoments auf ungefähr die Hälfte zurück; eine Verringerung der Höhe des Rastdrehmoments um mehr als die Hälfte ist jedoch schwierig. Dagegen kann in der Ausführungsform, in der winzige konkave Abschnitt 15, der nicht sichtbar ist, in der Magnetpolmitte 12 ausgebildet ist, an der sich der magnetische Fluss sammelt, die Höhe des Rastdrehmoments auf die geringstmögliche Größe verringert werden, indem man die Korrekturgröße ΔR, die den konkaven Abschnitt 15 bestimmt, geeignet einstellt (maximale Korrekturgröße ”d”).
Die beschriebene Wirkung kann man erzielen, falls der Läufer 1 so konfiguriert ist, dass der Läuferradius R der Referenzoberfläche 11A am Magnetpol-Mittenabschnitt 12 seinen maximalen Wert hat, und der Verlauf der magnetischen Flussdichte, die der Läufer 1 erzeugt, sinusförmig ist. Ist beispielsweise, siehe 9A, die Außenrandfläche 111 eines Läufers 101 kreisförmig, so ist der Verlauf der magnetischen Flussdichte B, die der Läufer 101 erzeugt, trapezförmig, siehe 9B. 10 zeigt eine Skizze, die die Veränderung der Form des Rastdrehmoments darstellt, wenn eine Korrekturgröße ΔR wie im obigen Fall zu der Referenzoberfläche 11A hinzugefügt wird, wobei die Außenrandfläche 111 des Läufers 101 als Referenzoberfläche 11A festgelegt ist. In 10 ist die Kurve W100 ein Verlauf des Rastdrehmoments für die unkorrigierte Referenzoberfläche 11A. Die Kurven W101 und W102 sind Verläufe, für die eine Korrektur vorgenommen wurde.
Bei dem trapezförmigen Verlauf konzentriert sich der magnetische Fluss nicht an den Mitten der Magnetpole (dargestellt in 9B). Damit, siehe 10, erreicht man auch dann keinen Reduziereffekt beim Rastdrehmoment, wenn eine Korrektur vorgenommen wird, die konkave Abschnitte in den Mittenbereichen der Magnetpole ausbildet. Bei einer Sinuskurve wie in der Ausführungsform konzentriert sich der magnetische Fluss an den Magnetpol-Mittenabschnitten 12. Durch das Ausbilden der winzigen konkaven Abschnitte 15 in den Magnetpol-Mittenabschnitten 12 kann die magnetische Coenergie eingestellt werden, und das Rastdrehmoment kann verringert werden.

(2) Wird die maximale Korrekturgröße ”d” beispielsweise auf 0,1 mm oder weniger eingestellt, oder auf ungefähr 1/100 des Ständerinnendurchmessers ”a”, so ist die Korrekturgröße ΔR sehr klein, und die Höhe des Rastdrehmoments kann abhängig von der maximalen Korrekturgröße ”d” eingestellt werden, ohne dass die Periode des Rastdrehmoments verändert wird. Ist – anders gesagt – die Magnetpolmitte 12, an der sich der magnetische Fluss konzentriert, mit einigen Millimetern Höhe konkav-konvex geformt, so ist der Einfluss auf die Magnetpoleinheit groß und bewirkt eine Periodenänderung des Rastdrehmoments. Ist dagegen die maximale Korrekturgröße ”d” sehr klein, so ist die Formänderung der Magnetpoleinheit schwach ausgeprägt, und man kann nur die Höhe des Rastdrehmoments geeignet einstellen.
(3) Die Form der Außenrandfläche 11 der Magnetpoleinheit oder anders formuliert der Radius R vom Läuferdrehzentrum P0 zur Außenrandfläche 11 wird durch das Addieren der Korrekturgröße ΔR in radialer Richtung zur Referenzoberfläche 11A eingestellt, die sich in radialer Richtung nach außen wölbt, damit die vom Läufer 1 erzeugte magnetische Flussdichte B einen sinusförmigen Verlauf hat. Damit ist die Formgebung der Außenrandfläche 11 einfach.
(4) Der konkave Abschnitt 15 ist so geformt, dass er eine glatte Kurve im Magnetpol-Mittenabschnitt 12 aufweist. Damit kann ohne irgendeine jähe Änderung der Form der Außenrandfläche 11 in der Umfangsrichtung eine Schwankung der magnetischen Coenergie verhindert werden, die durch das Vorhandensein des konkaven Abschnitts 15 ausgelöst wird.
(5) Die Korrekturgröße ΔR wird anhand der Funktion eingestellt, in der als Parameter die Phase verwendet wird, die in der Umfangsrichtungsmitte der Magnetpoleinheit den Wert 0 Grad hat. Anders formuliert wird in der Funktion als Parameter der mechanische Winkel θ gegen die Bezugslinie L0 verwendet, die durch die Magnetpolmitte P0 verläuft. Dadurch ist das Einstellen der Korrekturgröße ΔR, die sich mit zunehmendem mechanischen Winkel θ ändert, einfach.
(6) Die Korrekturgröße ΔR wird mit Hilfe einer Sinusfunktion festgelegt. Damit kann der konkave Abschnitt 15 mit einer glatten Form leicht im Magnetpol-Mittenabschnitt 12 ausgebildet werden.
(7) Wird die kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl der Magnetpole und der Anzahl der Schlitze erhöht (z. B auf mehr als 100), so verkürzt sich die Periode des Rastdrehmoments, damit die Höhe des Rastdrehmoments sinken kann, die Anzahl der Schlitze 20 oder der Magnete 3 nimmt jedoch zu. Daher wird in der Ausführungsform das Rastdrehmoment dadurch verringert, dass der winzige konkave Abschnitt 15 im Magnetpol-Mittenabschnitt 12 ausgebildet wird. Damit ist es nicht mehr nötig, die kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl der Magnetpole und der Anzahl der Schlitze (in der Ausführungsform ist die kleinste gemeinsame Vielfache 24) zu vergrößern, und man kann die Anzahl der Schlitze 20 oder der Magnete 3 verringern.

Abgewandeltes Beispiel
In der obigen Ausführungsform wird die Korrekturgröße ΔR der Außenrandfläche 11 der Magnetpoleinheit in der radialen Richtung mit einer Sinusfunktion eingestellt. Man kann die Korrekturgröße ΔR aber auch mit einer Cosinusfunktion oder einer Cosinushyperbolicusfunktion einstellen. Beispielsweise kann der Läuferradius R der Referenzoberfläche 11A gemäß der obigen Formel (I) gegeben sein, und der Läuferradius R nach der Korrektur kann gemäß der folgenden Formel (III) eingestellt werden. R = a – (b – d)/cos(cθ) + d/cosh(eθ) (III)
In Formel (III) gilt 1/cosh(0) = 1 für θ = 0. Daher wird zum Anpassen eines sehr kleinen Spalts ”b” nach der Korrektur an einen sehr kleinen Spalt ”b” der Referenzoberfläche 11A 1/cos(cθ) nicht mit einem Koeffizienten ”b” multipliziert, sondern mit einem Koeffizienten (b – d).
11 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Außenrandform des Jochs 10, die man mit Formel (III) erhält. Die gestrichelte Linie in 11 zeigt wie in 6 den Läuferradius R der Referenzoberfläche 11A. Die durchgezogene Linie in 11 zeigt, dass ein winziger konkaver Abschnitt 15 im Magnetpol-Mittenabschnitt 12 ausgebildet ist. Die Korrekturgröße ΔR in der Magnetpolmitte P1 hat den Wert 0, und der kleinste Spalt ”b” wird durch die Korrektur nicht verändert.
12 zeigt eine Skizze des Rastdrehmoments für den Fall, dass die Außenrandfläche 11 des Läufers 1 wie in 11 dargestellt konfiguriert ist. In 12 stellt W0 eine Kurve für den Fall dar, dass an der Referenzoberfläche 11A keine Korrektur vorgenommen wird (dargestellt durch die punktierte Linie in 11), und W1 stellt den Fall dar, dass eine Korrektur vorgenommen wird (dargestellt durch die durchgezogene Linie in 11). 12 zeigt, dass das Rastdrehmoment der Kurve W1 kleiner ist als das Rastdrehmoment der Kurve W0. Somit kann die Größe des Rastdrehmoments verringert werden, indem man die Korrekturgröße ΔR dem Läuferradius R der Referenzoberfläche 11A hinzufügt, damit der sehr kleine konkave Abschnitt 15 am Magnetpol-Mittenabschnitt 12 ausgebildet wird.
In der obigen Ausführungsform ist der winzige konkave Abschnitt 15 in dem Magnetpol-Mittenabschnitt 12 des Läufers 1 ausgebildet. Statt dessen kann jedoch auch ein sehr kleiner konvexer Abschnitt ausgebildet werden. 13 zeigt eine Skizze eines Beispiels, bei dem ein winziger konvexer Abschnitt 16 ausgebildet ist. In 13 wird der Läuferradius R (dargestellt durch die durchgezogene Linie in 13) gemäß Formel (IV) eingestellt. R = a – b/cos(cθ) + d/cosh(eθ) (IV)
In diesem Fall gilt 1/cosh(0) = 1 für θ = 0. Damit ist der Läuferradius R bei einer maximalen Korrekturgröße ”d” größer als der Radius der Referenzoberfläche 11A, und der minimale Spalt ist um die entsprechende Größe geringer. Da jedoch die maximale Korrekturgröße ”d” sehr klein ist, ändert sich die Größe des minimalen Spalts nur wenig, und es entstehen keine Probleme für die Spalteinstellung bei der Läuferdrehung. Beim Ausbilden des winzigen konvexen Abschnitts 16 im Magnetpol-Mittenabschnitt 12 kann der minimale Spalt nach der Korrektur an den minimalen Spalt ”b” vor der Korrektur angepasst werden.
Man kann den winzigen konkaven Abschnitt 15 bzw. den winzigen konvexen Abschnitt 16 mit Hilfe einer Splinefunktion im Magnetpol-Mittenabschnitt 12 ausbilden. 14 zeigt eine Skizze eines Beispiels, bei dem ein winziger konkaver Abschnitt mit Hilfe einer Splinefunktion im Magnetpol-Mittenabschnitt 12 ausgebildet ist. Die Splinefunktion erhält man aus einer beliebigen Punktfolge, die der Reihe nach miteinander verbunden werden. Wird beispielsweise der konkave Abschnitt 15 mit Hilfe einer Sinusfunktion ausgebildet, so kann die Punktfolge auf der Sinuskurve gegeben werden, und man kann die Punkte mit einer Splinefunktion verbinden.
Man kann den winzigen konkaven Abschnitt 15 bzw. den winzigen konvexen Abschnitt 16 im Magnetpol-Mittenabschnitt 12 ausbilden, ohne irgendeine der genannten Funktionen zu verwenden. Beispielsweise, siehe 15A, wird die Referenzoberfläche 11A nur um einen vorbestimmten Winkel θ1 (z. B. 10 Grad) im Uhrzeigersinn um das Drehzentrum P0 des Läufers 1 gedreht, damit man eine erste gekrümmte Oberfläche S1 erhält. Nun wird die Referenzoberfläche 11A um den vorbestimmten Winkel –θ1 im Gegenuhrzeigersinn gedreht, damit man eine zweite gekrümmte Oberfläche S2 erhält.
Wahlweise kann man die erste gekrümmte Oberfläche S1 symmetrisch an der Achse L0 spiegeln, damit man die zweite gekrümmte Oberfläche S2 erhält. Durch das glatte Verbinden der ersten gekrümmten Oberfläche S1 und der zweiten gekrümmten Oberfläche S2 im Magnetpol-Mittenabschnitt 12 kann der winzige konkave Abschnitt 15 wie in 15B dargestellt ausgebildet werden.
Der obigen Darlegung kann man entnehmen, dass das bemerkenswerteste Merkmal der Erfindung darin besteht, dass der winzige konkave Abschnitt 15 oder der winzige konvexe Abschnitt 16 im Magnetpol-Mittenabschnitt 12 ausgebildet sind. Dabei bedeutet ”winzig” eine Größe, die zu klein ist, um zu bewirken, dass sich die Kurvenperiode des Rastdrehmoments ändert, die durch das kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl der Schlitze 20 und der Anzahl der Magnetpole des Läufers 1 bestimmt ist. Eine derartige Größe umfasst beispielsweise eine Tiefe von 0,1 mm oder weniger für einen konkaven Abschnitt oder eine Höhe von 0,1 mm oder weniger für den konvexen Abschnitt. Die Größen des konkaven Abschnitts 15 und des konvexen Abschnitts 16 werden bevorzugt abhängig vom Außendurchmesser des Läufers 1 oder der Größe des minimalen Spalts ”b” eingestellt, anstatt sie unabhängig von der Größe des Elektromotors gleichförmig festzusetzen.
In der Ausführungsform wird die Gestalt der Außenrandfläche 11 des Läufers 1 abhängig von der Entfernung R vom Drehzentrum P0 des Läufers 1 eingestellt. Man kann jedoch beispielsweise, siehe 16, die Form (Referenzoberfläche 11A und Korrekturgröße ΔR) der Außenrandfläche 11 des Läufers 1 abhängig von der Entfernung R von einem Punkt P2 einstellen, der gegen das Drehzentrum P0 versetzt ist. Anders ausgedrückt kann man einen Referenzpunkt P2, der einen Bezug für die Formgebung der Außenrandfläche 11 bildet, an einer Position festlegen, die aus dem Drehzentrum P0 verschoben ist.
17 zeigt eine Skizze, die den Verlauf des Rastdrehmoments bezüglich der Außenrandfläche 11 in 16 darstellt. In 17 stellt W0 eine Kurve für den Fall dar, dass die Referenzoberfläche 11A die Außenrandfläche 11 ist. W1 stellt eine Kurve für den Fall dar, dass die Außenrandfläche 11 dadurch erhalten wird, dass eine Korrekturgröße ΔR zu der Referenzoberfläche 11A addiert wird, um den winzigen konkaven Abschnitt 15 im Magnetpol-Mittenabschnitt 12 auszubilden. 17 zeigt, dass auch dann, wenn der Referenzpunkt P2 der Außenrandfläche 11 nicht im Drehzentrum P0 liegt, das Rastdrehmoment durch Ausbilden des winzigen konkaven Abschnitts 15 im Magnetpol-Mittenabschnitt 12 gesenkt werden kann.
In der obigen Ausführungsform sind die Magnete 3 radial im Läufer 1 angeordnet, damit die Magnetpoleinheiten ausgebildet werden (dargestellt in 2A). Die Anordnung der Magnete 3 ist jedoch nicht hierauf eingeschränkt, so lange sich die Magnetpoleinheiten in radialer Richtung nach außen wölben, damit die Kurve der magnetischen Flussdichte B, die der Läufer 1 erzeugt, eine Sinuskurve ist. Die Magnete 3 können beispielsweise, siehe 18, entlang der Umfangsrichtung des Läufers 1 versenkt sein, damit man einen Läufer 1 mit inneren Magneten erhält. Wahlweise können die Magnete auf die Oberfläche des Läufers 1 geklebt sein. In dem in 18 dargestellten Beispiel wird die Außenrandfläche 11 des Läufers 1 durch eine Cosinushyperbolicusfunktion (cosh-Funktion) festgelegt. Dabei kann wie im in 17 dargestellten Fall das Rastdrehmoment dadurch verringert werden, dass ein winziger konkaver Abschnitt 15 am Magnetpol-Mittenabschnitt 12 ausgebildet wird.
Die Ausführungsform ist auf den Elektromotor 100 mit acht Polen und zwölf Schlitzen zugeschnitten. Die Anzahl der Magnetpole und die Anzahl der Schlitze des Elektromotors, auf den die Erfindung angewendet wird, sind jedoch nicht auf diese Zahlenwerte eingeschränkt. Die Erfindung kann in vergleichbarer Weise auf einen Elektromotor 100A angewendet werden, der acht Pole und sechsunddreißig Schlitze aufweist, siehe 19. 20 zeigt eine Skizze des Verlaufs des Rastdrehmoments für den Fall, dass die Erfindung auf den Elektromotor 100A in 19 angewendet wird. In 20 sind wie in 7 die Kurven W0 und W1 jeweils Verläufe vor und nach dem Ausbilden von winzigen konkaven Abschnitten 15 in den Magnetpol-Mittenabschnitten 12. Wie 20 zeigt, kann das Rastdrehmoment dadurch verringert werden, dass die winzigen konkaven Abschnitte 15 in den Magnetpol-Mittenabschnitten 12 ausgebildet werden.
21 zeigt eine Skizze der magnetischen Flusslinien in einem Elektromotor 100B mit zehn Polen und zwölf Schlitzen. Die Erfindung kann in vergleichbarer Weise auf den Elektromotor 100B mit zehn Polen und zwölf Schlitzen angewendet werden. Die Erzeugungshäufigkeit des Rastdrehmoments je Umdrehung des Läufers 1 wird durch die kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl der Magnetpole und der Anzahl der Schlitze bestimmt. Gemäß der Erfindung kann das Rastdrehmoment jedoch auch dann verringert werden, wenn die kleinste gemeinsame Vielfache nicht vergrößert wird. Damit hat die kleinste gemeinsame Vielfache bevorzugt den Wert 100 oder weniger.
Die Ausführungsform kann beliebig mit einer oder mehreren abgewandelten Beispielen kombiniert werden.
Gemäß der Erfindung sind die konkaven oder konvexen Abschnitte in der Umfangsrichtung im Mittenbereich der Außenrandflächen der Magnetpoleinheiten ausgebildet. Die konkaven oder konvexen Abschnitte sind so klein, dass eine Veränderung der Kurvenperiode des Rastdrehmoments, die durch die kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl der Schlitze und der Anzahl der Magnetpole des Läufers festgelegt ist, verhindert wird. Durch das geeignete Verändern der Größe der konkaven oder konvexen Abschnitte kann also die Höhe des Rastdrehmoments leicht auf eine beliebige Höhe eingestellt werden.
Die Erfindung ist anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Fachleuten ist klar, dass man verschiedene Änderungen und Abwandlungen vornehmen kann, ohne den Bereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2003-023740 A [0002, 0003, 0004]
JP 11-164501 A [0002, 0003]

Claims

Elektromotor, umfassend: einen Läufer (1), der Magnetpoleinheiten (10) aufweist; und einen Ständer (2), der Schlitze (20) hat, die der Außenrandfläche des Läufers gegenüberliegen, wobei jede Magnetpoleinheit in radialer Richtung nach außen gewölbt ist, damit der Verlauf der magnetischen Flussdichte, die der Läufer erzeugt, die Form einer Sinuskurve hat, und ein konkaver Abschnitt (15) oder konvexer Abschnitt (16) in einem Mittenabschnitt (12) in der Umfangsrichtung einer Außenrandfläche (11) in jeder Magnetpoleinheit ausgebildet ist, und der konkave Abschnitt oder der konvexe Abschnitt klein genug ist, um zu verhindern, dass sich die Kurvenperiode des Rastdrehmoments verändert, die durch die kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl der Schlitze und der Anzahl der Magnetpole des Läufers bestimmt ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, wobei die Tiefe des konkaven Abschnitts oder die Höhe des konvexen Abschnitts kleinergleich 0,1 mm ist.
Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Außenrandfläche einer jeden Magnetpoleinheit durch das Zufügen einer Korrekturgröße (ΔR) in radialer Richtung zu einer Referenzoberfläche (11A), die sich in radialer Richtung nach außen wölbt, eingestellt wird, damit die Kurve der magnetischen Flussdichte, die der Läufer erzeugt eine Sinuskurve ist.
Elektromotor nach Anspruch 3, wobei die Korrekturgröße so festgelegt wird, dass der konkave Abschnitt oder der konvexe Abschnitt als glatte Kurve verläuft.
Elektromotor nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Korrekturgröße abhängig von einer Funktion eingestellt wird, wobei als Parameter eine Phase verwendet wird, die in der Mitte einer jeden Magnetpoleinheit in Umfangsrichtung den Wert 0 Grad hat.
Elektromotor nach Anspruch 5, wobei die Funktion eine Sinusfunktion, eine Cosinusfunktion oder eine Cosinushyperbolicusfunktion ist.
Elektromotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl der Magnetpole des Läufers und der Anzahl der Schlitze kleinergleich 100 ist.