DE102015011340A1 - Stator for an electric machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine mit einem Statorkern (10) bestehend aus einem Rückschlussring (12) und einer Anzahl von am Rückschussring (12) verteilt angeordneten Statorzähnen (14), die jeweils einen Zahnhals (14a) und einen am Ende des Zahnhalses angeordneten Zahnkopf (14b) aufweisen, Erfindungsgemäß besteht der Statorkern (10) aus einem Pulver-Verbundmaterial.The invention relates to a stator for an electric machine with a stator core (10) comprising a return ring (12) and a number of stator teeth (14) distributed on the return ring (12), each having a tooth neck (14a) and one at the end of the Tooth neck arranged tooth tip (14b), According to the invention, the stator core (10) made of a powder composite material.
Description
Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem.The invention relates to a stator for an electric machine, in particular for a spindle motor with fluid dynamic bearing system.
Elektromotoren umfassen einen Stator, dessen Statorkern in der Regel aus einem Stapel von laminierten Stahlblechen besteht. Gewöhnlich beträgt die Dicke der der einzelnen Statorbleche zwischen 0,2 mm und 0,35 mm, bei kleinen Spindelmotoren auch zwischen 0,1 mm bis 0,15 mm.Electric motors comprise a stator, the stator core of which usually consists of a stack of laminated steel sheets. Usually the thickness of the individual stator laminations is between 0.2 mm and 0.35 mm, for small spindle motors also between 0.1 mm and 0.15 mm.
Aus der
Moderne Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken sind sehr flach aufgebaut und haben eine Bauhöhe von typisch 9,5 mm, 7 mm oder sogar nur 5 mm. Aufgrund dieser geringen Bauhöhe muss auch das elektrische Antriebssystem und insbesondere der Stator sehr flach aufgebaut werden, wobei das Antriebssystem dennoch ein hohes Drehmoment und einen geringen elektrischen Widerstand bei größtmöglicher Leistung bereitstellen sollte.Modern spindle motors for driving hard disk drives are very flat and have a height of typically 9.5 mm, 7 mm or even only 5 mm. Due to this low height also the electric drive system and in particular the stator must be constructed very flat, the drive system should still provide high torque and low electrical resistance with the highest possible performance.
Ein wichtiges Merkmal des Antriebssystems ist ferner der Wert der gesamten harmonischen Verzerrungen (THD: Total Harmonic Distorsion) der Spannung der Gegen-EMK. Die THD hängen insbesondere vom Material und der Geometrie des Stators und der darauf abgeordneten Wicklungen ab.An important feature of the drive system is also the value of Total Harmonic Distortion (THD) of the back EMF voltage. The THDs depend in particular on the material and the geometry of the stator and the windings arranged thereon.
Gewöhnlich besteht der Statorkern eines Spindelmotors aus einem Stapel von laminierten Stahlblechen mit Blechdicken von 0,1 mm bis 0,35 mm. Dadurch kann die axiale Höhe des Statorkerns nur in diskreten Werten gewählt werden, die einem Vielfachen der Blechdicke entsprechen. Die Statorbleche werden in einem ersten Fertigungsschritt ausgestanzt und danach zu einem Stapel verbunden. Die Verbindung der Statorbleche erfolgt durch Stanzpaketierung, Verkleben oder Verschweißen. Dabei wird ein großer Füllfaktor des Blechpaketes angestrebt, d. h. zwischen den einzelnen Statorblechen sollten keine Luftzwischenräume verbleiben, welche die effektive Höhe (Querschnitt) des Statorkerns verringern. Je geringer der Querschnitt des Statorkerns ist, desto größer ist die Gefahr der magnetischen Sättigung. Eine Stanzpaketierung erfolgt nur Punktweise, so dass keine vollflächige Verbindung der einzelnen Statorbleche gegeben ist. Dadurch können Vibrationen und akustische Probleme in höheren Frequenzbereichen über ca. 10 kHz entstehen. Sofern der Spindelmotor in einem Festplattenlaufwerk eingesetzt wird, können diese Vibrationen die Schreib-Leseeinrichungen des Festplattenlaufwerks stören.Usually, the stator core of a spindle motor consists of a stack of laminated steel sheets with sheet thicknesses of 0.1 mm to 0.35 mm. As a result, the axial height of the stator core can be selected only in discrete values that correspond to a multiple of the sheet thickness. The stator laminations are punched out in a first production step and then connected to form a stack. The connection of the stator laminations is done by stamping, gluing or welding. Here, a large filling factor of the laminated core is sought, d. H. Between the individual stator laminations, there should be no air gaps which reduce the effective height (cross section) of the stator core. The smaller the cross section of the stator core, the greater the danger of magnetic saturation. A stamped package is only pointwise, so that no full-surface connection of the individual stator laminations is given. This can cause vibrations and acoustic problems in higher frequency ranges over about 10 kHz. If the spindle motor is inserted in a hard disk drive, these vibrations can interfere with the hard disk drive read / write devices.
Laminierte Statorkerne weisen ferner relativ hohe elektromagnetische Verluste auf, die den Wirkungsgrad des Antriebssystems verschlechtern.Laminated stator cores also have relatively high electromagnetic losses that degrade the efficiency of the drive system.
Durch den Aufbau des Statorkerns aus diskreten, flachen Statorblechen ist die axiale Höhe des Statorkern überall dieselbe, wobei der Statorkern parallel zueinander verlaufende Ober- und Unterseiten aufweist. Eine freie Formgebung des Statorkerns, insbesondere in Stapelrichtung, ist bei einem Aufbau aus Statorblechen nicht möglich. Bei eingeschränkten Platzverhältnissen, wie sie in Miniaturmotoren vorliegen, wäre die Möglichkeit einer freien Formgebung des Statorkerns, insbesondere in axialer Richtung, von großem Vorteil.Due to the structure of the stator core of discrete, flat stator laminations, the axial height of the stator core is the same everywhere, wherein the stator core has mutually parallel upper and lower sides. A free shaping of the stator core, in particular in the stacking direction, is not possible with a structure made of stator laminations. With limited space available in miniature motors, the possibility of free shaping of the stator core, especially in the axial direction, would be of great advantage.
Außerdem weisen laminierte Statorkerne nur eingeschränkte Platzverhältnisse für die Statorwicklungen in radialer Richtung auf, was jedoch für eine große elektromotorische Konstante Ke und eine geringe magnetische Sättigung notwendig ist. Insbesondere hängt der THD-Wert von der elektromotorischen Konstante Ke und der magnetischen Sättigung ab, welche wiederum die akustischen Eigenschaften des Spindelmotors bestimmen.In addition, laminated stator cores have only limited space for the stator windings in the radial direction, but this is necessary for a large electromotive constant Ke and a low magnetic saturation. In particular, the THD value depends on the electromotive constant Ke and the magnetic saturation, which in turn determine the acoustic properties of the spindle motor.
Praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass laminierte Statorkerne aufgrund von Herstellungstoleranzen immer eine asymmetrische Formgebung der Statorzähne aufweisen. Diese Asymmetrien erzeugen harmonische Oberschwingungen, beispielsweise 12-ter oder 24-ter Ordnung, die sich negativ auf die Akustik und die Motoreigenschaften auswirken können. Aufgrund der Stanzbleche und der nachfolgenden Paketierung der Bleche ist es fast unmöglich, eine symmetrische Formgebung und homogene Materialeigenschaften der auf diese Weise hergestellten Statorkerne zu erzielen. Insbesondere bei Statorkernen mit kleinem Durchmesser wirken sich die Toleranzen verhältnismäßig stark aus.Practical experience has shown that laminated stator cores always have an asymmetric shape of the stator teeth due to manufacturing tolerances. These asymmetries create harmonic harmonics, such as 12th or 24th order, which can negatively affect the acoustics and engine characteristics. Due to the stamping sheets and the subsequent packaging of the sheets, it is almost impossible to achieve a symmetrical shape and homogeneous material properties of the stator cores produced in this way. Especially with small diameter stator cores, the tolerances are relatively strong.
Oftmals ist es bei Spindelmotoren erwünscht, die elektromotorische Konstante Ke zu optimieren bzw. zu maximieren, wogegen die THD und der ohmsche Widerstand möglichst gering sein sollen. Eine Optimierung der elektromotorischen Konstante Ke kann in der Regel nur durch Änderung der Auslegung des Antriebssystem, wie z. B. größere axiale Höhe, Anzahl der Windungen der Wicklungen, höhere Magnetisierung oder größere axiale Höhe des Rotormagneten erfolgen. Aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse in Spindelmotoren, insbesondere Spindelmotoren geringer Bauhöhe, können diese Optimierungsmöglichkeiten nicht oder nur sehr eingeschränkt realisiert werden.Often it is desirable in spindle motors to optimize or maximize the electromotive constant Ke, whereas the THD and the ohmic resistance should be as low as possible. An optimization of the electromotive constant Ke can usually only by changing the design of the drive system, such. B. greater axial height, number of turns of the windings, higher magnetization or greater axial height of the rotor magnet done. Due to the limited space in spindle motors, in particular spindle motors of low overall height, these optimization options can not be realized or only very limited.
Bei Spindelmotoren wird oftmals ein magnetischer Offset zwischen Statoranordnung und Rotormagnet vorgesehen, um das fluiddynamische Lagersystem, das zur Drehlagerung des Spindelmotors verwendet wird, magnetisch vorzuspannen. Dieser magnetische Offset erzeugt jedoch eine Asymmetrie der magnetischen Kräfte im Antriebssystem sowohl mit konstanten als auch dynamischen Komponenten, was die akustischen Eigenschaften des Spindelmotors verschlechtern kann. Entsprechende akustische Probleme kann es auch geben, wenn die axiale Höhe des Rotormagneten sich von der Höhe der Statoranordnung unterscheidet. Bei einem konventionellen Spindelmotor mit laminiertem Statorkern ist eine Asymmetrie des Antriebssystems nicht zu vermeiden, denn um eine ausreichend große elektromotorische Konstante Ke zu erhalten muss die Höhe des Rotormagneten größer sein als die Höhe des Statorkerns. Ferner ist die Vorspannung für das fluiddynamische Lager notwendig.In spindle motors often a magnetic offset between the stator and the rotor magnet is provided to the fluid dynamic bearing system, the pivotal mounting of the spindle motor is used to magnetically bias. However, this magnetic offset creates an asymmetry of the magnetic forces in the drive system with both constant and dynamic components, which can degrade the acoustic properties of the spindle motor. Corresponding acoustic problems may also arise if the axial height of the rotor magnet differs from the height of the stator arrangement. In a conventional spindle motor with a laminated stator core asymmetry of the drive system is unavoidable, because in order to obtain a sufficiently large electromotive constant Ke, the height of the rotor magnet must be greater than the height of the stator core. Furthermore, the bias for the fluid dynamic bearing is necessary.
In Spindelmotoren werden oftmals Rotormagneten aus NeFeB mit einer Remanenz von 0,55 bis 0,75 Tesla verwendet, die sehr teuer sind. In der Regel gilt, dass je höher die Remanenz des Magneten ist, desto teuerer ist er. Bei Spindelmotoren mit sehr geringen Bauhöhen von 5–7 mm sind daher sehr teuere Rotormagnete mit möglichst hoher Remanenz notwendig. Andererseits wird ein möglicht gutes Preis-Leistungsverhältnis der Spindelmotoren angestrebt. Die verwendeten Magnete sind dabei ein merklicher Kostenfaktor. Die Möglichkeit kostengünstige Magnete einzusetzen wäre daher ein großer Kostenvorteil.Spindle motors often use rotor magnets made of NeFeB with a remanence of 0.55 to 0.75 Tesla, which are very expensive. As a rule, the higher the remanence of the magnet, the more expensive it is. In spindle motors with very low heights of 5-7 mm therefore very expensive rotor magnets with the highest possible remanence are necessary. On the other hand, a possible good price-performance ratio of the spindle motors is sought. The magnets used are a significant cost factor. The possibility of using inexpensive magnets would therefore be a great cost advantage.
Aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse in Spindelmotoren mit kleiner Bauhöhe, insbesondere 7 mm oder weniger, und die erhöhten Anforderungen an die elektromotorische Konstante Ke und geringe Verzerrungen THD, ist es notwendig, bei der Magnetisierung der Rotormagnete sehr hohe Feldstärken, d. h. sehr hohe Ströme in den Magnetisierungsspulen, zu verwenden. Zudem werden in der Massenfertigung immer kürzere Zykluszeiten für die Magnetisierung gefordert. Der Einsatz von hohen Stromstärken und kurzer Impulsdauer bei der Magnetisierung kann zu einer Beschädigung bzw. zu einem vorzeitigen Verschleiß der Magnetisierungsspulen führen, was die Produktionskosten erhöht.Due to the limited space in spindle motors with a small overall height, in particular 7 mm or less, and the increased demands on the electromotive constant Ke and small distortions THD, it is necessary in the magnetization of the rotor magnets very high field strengths, d. H. very high currents in the magnetizing coils to use. In addition, shorter and shorter cycle times for magnetization are required in mass production. The use of high currents and short pulse duration in the magnetization can lead to damage or premature wear of the magnetizing coils, which increases the cost of production.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Stator für eine elektrische Maschine anzugeben, der hinsichtlich seiner Geometrie und seines magnetischen Verhaltens für sehr niedrig bauende Motoren, insbesondere Spindelmotoren, optimiert ist. Ein Spindelmotor mit einem Antriebssystem mit einem solchen Stator soll ebenfalls angegeben werden.It is the object of the invention to provide a stator for an electrical machine, which is optimized in terms of its geometry and its magnetic behavior for very low-build motors, in particular spindle motors. A spindle motor with a drive system with such a stator should also be specified.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a stator with the features of
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments of the invention and further advantageous features are indicated in the dependent claims.
Der Stator umfasst einen Statorkern mit einem Rückschlussring und einer Anzahl von am Rückschussring verteilt angeordneten Statorzähnen, die jeweils einen Zahnhals und einen am Ende des Zahnhalses angeordneten Zahnkopf aufweisen. Erfindungsgemäß besteht der Statorkern aus einem Pulver-Verbundmaterial, insbesondere einem weichmagnetischen Pulver-Verbundwerkstoff (Soff Magnetic Composite).The stator comprises a stator core with a return ring and a number of stator teeth distributed on the return ring, each having a tooth neck and a tooth tip arranged at the end of the tooth neck. According to the invention, the stator core consists of a powder composite material, in particular a soft magnetic powder composite material (Soff Magnetic Composite).
Dadurch ist es möglich, den Statorkern in einer nahezu beliebigen Geometrie herzustellen. Im Gegensatz zu einem aus Statorblechen bestehenden Statorkern entfällt ein Ausstanzen und Verbinden der einzelnen Statorbleche, und es sind Statorkerne mit einer beliebigen Formgebung, insbesondere in axialer Richtung herstellbar. Ferner entsteht kein Abfall aus dem Ausstanzen verbleibenden Blechresten. Ein aus Pulver-Verbundmaterial bestehender Statorkern besteht aus einem einzigen integralen Block ohne Luftzwischenräume, so dass ein Füllfaktor von 100% erreicht werden kann.This makes it possible to produce the stator core in almost any geometry. In contrast to a stator core consisting of stator laminations, punching out and connecting of the individual stator laminations is eliminated, and stator cores having an arbitrary shaping, in particular in the axial direction, can be produced. Furthermore, no waste from the punching remaining sheet remains. A powder composite stator core consists of a single integral block with no air gaps, so that a fill factor of 100% can be achieved.
Ein weichmagnetischer Pulver-Verbundwerkstoff besteht beispielsweise aus hochreinem Eisenpulver mit einer speziellen, elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtung auf jedem einzelnen Eisenpartikel. Dieses Pulver lässt sich unter Druck und Wärmeeinwirkung zu einem Statorkern jeder gewünschten Form pressen. Die elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung jedes Partikels gewährleistet einen hohen elektrischen Widerstand des gepressten Statorkerns, so dass Wirbelströme im Statorkern vermieden werden. Geeignete weichmagnetische Pulver-Verbundstoffe sind z. B. Somaloy®.For example, a soft magnetic powder composite consists of high purity iron powder with a special electrically insulating surface coating on each individual iron particle. This powder can be pressed under pressure and heat to a stator core of any desired shape. The electrically insulating surface coating of each particle ensures a high electrical resistance of the pressed stator core, so that eddy currents are avoided in the stator core. Suitable soft magnetic powder composites are for. B. Somaloy ®.
Werkstoffe zur Herstellung von Statorkernen, sei es Eisenblech oder Pulver-Verbundmaterial, haben nichtlineare magnetische Eigenschaften, die beispielsweise durch ein B-H-Diagramm beschrieben werden können. Dabei ist eine magnetische Sättigung des Statormaterials zu vermeiden. Die magnetische Sättigung stellt sich ein, wenn die magnetische Flussdichte im Material einen bestimmten Wert überschreitet, der aus dem B-H-Diagramm abgelesen werden kann. Eine magnetische Sättigung verursacht eine Verzerrung des magnetischen Flusses und entsprechend eine Verzerrung des Spannungsverlaufs der elektromotorischen Gegen-EMK. Eine Verzerrung der Spannungsverlaufs der Gegen-EMK kann durch die gesamten harmonischen Verzerrungen (THD) beschrieben werden. Die THD gibt die Abweichung des Spannungsverlaufs der Gegen-EMK von einer reinen Sinusspannung in Prozent an (reiner Sinus entspricht 0% THD). Wenn der Spannungsverlauf der Gegen-EMK vom reinen Sinusverlauf abweicht, ergeben sich durch die Interaktion der nicht sinusförmigen Spannungsanteile und dem Magnetsystem magnetische Kräfte, die zu Vibrationen oder Geräuschemissionen führen. Zum Beispiel werden bei einem Motordesign mit 12 Magnetpolen und 9 Nuten insbesondere die 36x, 48x und 60x Harmonischen angeregt. Es wird daher angestrebt, die gesamten harmonischen Verzerrungen THD der Gegen-EMK gering zu halten, möglichst unter 2,5% und bevorzugt unter 1,5%. Dies kann unter anderem durch eine Verringerung der magnetischen Flussdichte im Statorkern erreicht werden. Lokale Spitzenwerte der magnetischen Sättigung im Kernmaterial sind dabei insbesondere zu vermeiden.Materials for the production of stator cores, whether iron sheet or powder composite material, have non-linear magnetic properties, which can be described for example by a BH diagram. In this case, a magnetic saturation of the stator material is to be avoided. The magnetic saturation occurs when the magnetic flux density in the material exceeds a certain value, which can be read from the BH diagram. Magnetic saturation causes distortion of the magnetic flux and, correspondingly, distortion of the voltage waveform of back EMF. Distortion of the voltage waveform of the back EMF can be described by the total harmonic distortion (THD). The THD indicates the deviation of the voltage curve of the back EMF from a pure sine voltage in percent (pure sine corresponds to 0% THD). If the voltage curve of the back EMF from the pure sine wave deviates, resulting from the interaction of the non-sinusoidal voltage components and the magnetic system magnetic forces that lead to vibration or noise emissions. For example, in a motor design with 12 magnetic poles and 9 grooves, the 36x, 48x and 60x harmonics are particularly excited. It is therefore desirable to keep the total harmonic distortion THD of the back EMF low, if possible below 2.5% and preferably below 1.5%. This can be achieved, inter alia, by reducing the magnetic flux density in the stator core. Local peak values of the magnetic saturation in the core material are to be avoided in particular.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen der radialen Breite A des Rückschlussrings und dem Außendurchmesser OD des Statorkerns zwischen 0,035 und 0,08 beträgt.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the ratio between the radial width A of the return ring and the outer diameter OD of the stator core is between 0.035 and 0.08.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen der radialen Breite B der Zahnköpfe und dem Außendurchmesser OD des Statorkerns zwischen 0,045 und 0,08 beträgt.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the ratio between the radial width B of the tooth tips and the outer diameter OD of the stator core is between 0.045 and 0.08.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen der Breite E der Zahnhälse und dem Außendurchmesser OD des Statorkerns zwischen 0,09 und 0,125 beträgt.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the ratio between the width E of the tooth necks and the outer diameter OD of the stator core is between 0.09 and 0.125.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen dem Außenradius R der Zahnköpfe und dem Außendurchmesser OD des Statorkerns zwischen 0,3 und 0,5 beträgt.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the ratio between the outer radius R of the tooth tips and the outer diameter OD of the stator core is between 0.3 and 0.5.
Durch diese oben beschrienen geometrischen Verhältnisse des Statorkerns in Verbindung mit einer optimierten Dimensionierung aus Pulver-Verbundmaterial kann eine magnetische Sättigung in kritischen Bereichen des Statorkerns verhindert bzw. verringert werden, indem der Querschnitt des Statorkerns in diesen Bereichen erhöht und dadurch die magnetische Flussdichte verringert wird. Folglich verringern sich auch die harmonischen Verzerrungen THD des Spannungsverlaufs der Gegen-EMK. Die THD hängt insbesondere von den relativen Abmessungen des Statorkerns ab.By this above-described geometric conditions of the stator core in conjunction with an optimized dimensioning of powder composite material, a magnetic saturation in critical areas of the stator core can be prevented or reduced by increasing the cross section of the stator core in these areas and thereby reducing the magnetic flux density. Consequently, the harmonic distortions THD of the counter-emf voltage characteristic are also reduced. The THD depends in particular on the relative dimensions of the stator core.
Die beschriebene Auslegung des Statorkerns ist insbesondere geeignet für Spindelmotoren mit n·4 Polen und n·3 Nuten (Zähnen), wobei n eine natürliche Zahl größer gleich 1 ist.The described design of the stator core is particularly suitable for spindle motors with n × 4 poles and n × 3 slots (teeth), where n is a natural number greater than or equal to 1.
Um auf den Statorzähnen genügen Platz für die Wicklungen in axialer und radialer Richtung zu erhalten kann der Statorkern aus Pulver-Verbundstoff – im Gegensatz zu einem laminierten Blechkern – eine optimierte Formgebung erhalten. Insbesondere die nicht mit Wicklungen versehenen Bereiche des Stators, d. h. der Rückschlussring und die Statorköpfe, können in ihrer axialen Höhe gegenüber dem Zahnhälsen vergrößert werden, so dass sich dort der effektive Querschnitt des Statorkerns vergrößert. So ist z. B. die axiale Höhe des Rückschlussrings und der Enden der Statorzähne (Zahnköpfe) vorzugsweise größer als die axiale Höhe der Statorzähne in den bewickelten Abschnitten (Statorhälse).In order to obtain sufficient space on the stator teeth for the windings in the axial and radial directions, the stator core made of powder composite material-in contrast to a laminated sheet metal core-can be given an optimized shape. In particular, the non-winded portions of the stator, d. H. the return ring and the stator heads can be increased in their axial height relative to the tooth necks, so that increases there the effective cross section of the stator core. So z. B. the axial height of the return ring and the ends of the stator teeth (tooth tips) preferably greater than the axial height of the stator teeth in the wound sections (stator necks).
Erfindungsgemäß kann ein magnetischer Offset des Magnetsystems vorgesehen und erfindungsgemäß optimiert werden, indem eine Verbesserung der axialen Symmetrie von Statorkern und Rotormagnet angestrebt wird. Dadurch verbessern sich entsprechen die akustischen Eigenschaften des Motors. Insbesondere kann die axiale Höhe der Statorköpfe und des Rotormagneten etwa gleich groß gewählt werden (gleichgroß im magnetischen Sinne und nicht unbedingt im mechanischen Sinne). Der magnetische Offset lässt sich durch die nahezu beliebige Formgebung des Stators aus Pulver-Verbundmaterial relativ leicht an die Erfordernisse anpassen und justieren.According to the invention, a magnetic offset of the magnet system can be provided and optimized in accordance with the invention by seeking to improve the axial symmetry of the stator core and the rotor magnet. This improves the acoustic characteristics of the engine. In particular, the axial height of the stator heads and the rotor magnet can be selected approximately the same size (the same size in the magnetic sense and not necessarily in the mechanical sense). The magnetic offset can be adapted and adjusted by the almost arbitrary shape of the stator made of powder composite material relatively easy to the requirements.
Durch die Herstellung des Statorkerns aus Pulver-Verbundmaterial können größere Querschnitte in kritischen Bereichen des Statorkerns erreicht werden. Dadurch kann ein kostengünstiger Rotormagnet mit geringer Remanenz verwendet werden, ohne dass sich die Leistung des Antriebssystems merklich verschlechtert. Durch die Verwendung eines kostengünstigen Rotormagneten können die Herstellungskosten des Spindelmotors insgesamt gesenkt werden.By manufacturing the stator core from powder composite material, larger cross-sections can be achieved in critical areas of the stator core. As a result, a low-cost rotor magnet with low remanence can be used without the performance of the drive system deteriorating noticeably. By using a low-cost rotor magnet, the manufacturing cost of the spindle motor can be reduced overall.
Durch den Einsatz von Rotormagneten mit kleinerer Remanenz kann auch der Aufwand der Magnetisierung verringert werden, insbesondere die Zykluszeiten für die Magnetisierung und die notwendigen Stromstärken in den Magnetisierungsspulen.The use of rotor magnets with a smaller remanence can also reduce the complexity of the magnetization, in particular the cycle times for the magnetization and the necessary current strengths in the magnetization coils.
Die Erfindung ist sowohl für Statoren von Innenläufer-Motoren als auch Statoren von Außenläufer-Motoren einsetzbar.The invention can be used both for stators of internal rotor motors and stators of external rotor motors.
Die
Es handelt sich um einen Statorkern für einen Außenläufermotor. Der erfindungsgemäße Statorkern kann jedoch auch gleichermaßen für Innenläufermotoren ausgebildet werden.It is a stator core for an external rotor motor. However, the stator core according to the invention can also be designed equally for internal rotor motors.
Der Statorkern
Im vorliegenden Beispiel umfasst der Statorkern
Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Statorkern
Jeder Statorzahn
Die Breite E der Zahnhälse
Der Statorkern
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Statorkern
Auf den Zahnhälsen
Zur Verbesserung der harmonischen Verzerrungen THD ist es erfindungsgemäß vorgesehen, bestimmte Abmessungen des Statorkerns zu optimieren, wobei diese Abmessungen vorzugsweise im Verhältnis zum Außendurchmesser OD des Statorkerns angegeben sind.In order to improve the harmonic distortion THD, it is provided according to the invention to optimize certain dimensions of the stator core, wherein these dimensions are preferably given in relation to the outer diameter OD of the stator core.
Zum einen ist erfindungsgemäß die radiale Breite A des Rückschlussrings im Verhältnis zum Außendurchmesser OD des Statorkerns zwischen 0,035 und 0,08 gewählt, d. h., im vorliegenden Beispiel mit OD = 16,7 mm beträgt der Wert A zwischen 0,6 mm und 1,33 mm.First, according to the invention, the radial width A of the return ring in relation to the outer diameter OD of the stator core is selected between 0.035 and 0.08, ie. h., in the present example with OD = 16.7 mm, the value A is between 0.6 mm and 1.33 mm.
In gleicher Weise ist die Breite E der Zahnhälse im Verhältnis zum Außendurchmesser OD des Statorkerns erfindungsgemäß gewählt zwischen 0,09 und 0,125, was im vorliegenden Beispiel einer effektiven Breite E von 1,5 mm bis 2,09 mm ergibt.Similarly, the width E of the tooth necks in relation to the outer diameter OD of the stator core according to the invention selected between 0.09 and 0.125, resulting in the present example an effective width E of 1.5 mm to 2.09 mm.
Außerdem ist erfindungsgemäß vorgesehen, die radiale Breite B der Zahnköpfe im Verhältnis zum Außendurchmesser OD des Statorkerns zwischen 0,045 und 0,08 zu wählen, was effektiv einer Breite B zwischen 0,75 mm und 1,33 mm entspricht.In addition, according to the invention, it is provided to select the radial width B of the tooth heads in relation to the outer diameter OD of the stator core between 0.045 and 0.08, which effectively corresponds to a width B between 0.75 mm and 1.33 mm.
Der Außenradius R der Statorköpfe
Die
Auf den Zahnhälsen können wiederum Wicklungen
Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel ist die axiale Gesamthöhe H des Statorkerns
Beispielsweise weist der Statorkern
Die Höhe H_ts der Zahnhälse
Die Wicklungen
Durch diese Maßnahmen kann der Querschnitt des Statorkerns
Die Größenverhältnisse A/OD, B/OD, E/OD und R/OD, wie in sie in
Die positiven Effekte der Erfindung, insbesondere hinsichtlich einer Verringerung der harmonischen Verzerrungen THD, zeigen sich insbesondere in den Diagrammen der
Man erkennt deutlich, dass je größer das Verhältnis E/OD wird, desto geringer werden auch die harmonischen Verzerrungen THD.It can be clearly seen that the larger the ratio E / OD becomes, the smaller the harmonic distortion THD becomes.
Erfindungsgemäß wird angestrebt, die harmonischen Verzerrungen THD kleiner als ca. 3% zu halten, was einem Verhältnis E/D von 0,09 und größer entspricht.According to the invention, it is desired to keep the harmonic distortions THD less than about 3%, which corresponds to a ratio E / D of 0.09 and greater.
Vorzugsweise soll ein THD von kleiner als 1,5% bzw. kleiner als 1% erreicht werden, was einem Verhältnis E/OD von 1,11 und größer etwa entspricht.Preferably, a THD of less than 1.5% or less than 1% should be achieved, which corresponds to a ratio E / OD of 1.11 and greater about.
Die
Man erkennt, dass sich die harmonischen Verzerrungen THD sich insgesamt bei größeren Werten von A/OD verbessern, wobei sich die besten Werte der THD bei Werten von A/OD zwischen 0,035 und größer ergeben. In diesem Bereich bleibt die THD insgesamt bei 1% oder weniger.It can be seen that the harmonic distortions THD improve overall at larger values of A / OD, giving the best values of THD at values of A / OD between 0.035 and greater. Total THD remains at 1% or less in this area.
Die THD nimmt bei einem Verhältnis von B/OD ebenfalls zu größeren Werten hin ab und erreicht Werte von 1,5% und weniger bei einem Verhältnis von B/OD zwischen 0,045 und 0,08.The THD also decreases to larger values at a ratio of B / OD and reaches values of 1.5% and less at a ratio of B / OD between 0.045 and 0.08.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10, 11010, 110
- Statorkernstator core
- 12, 11212, 112
- RückschlussringReturn ring
- 14, 11414, 114
- Statorzahnstator tooth
- 14a, 114a14a, 114a
- Zahnhalscervical
- 14b, 114b14b, 114b
- Zahnkopfaddendum
- 16, 11616, 116
- Wicklungwinding
- 118118
- Aussparungrecess
- 20, 12020, 120
- Rotormagnetrotor magnet
- ODOD
- Statorkern AußendurchmesserStator core outer diameter
- IDID
- Statorkern InnendurchmesserStator core inner diameter
- HH
- Gesamthöhe des StatorkernsTotal height of the stator core
- H_ykH_yk
- Höhe des RückschlussringsHeight of the return ring
- H_tsH_ts
- Höhe des ZahnhalsesHeight of the cervix
- H_ttH_tt
- Höhe des ZahnkopfesHeight of the tooth head
- AA
- Rückschlussringdicke (radial)Return ring thickness (radial)
- BB
- Kopfdicke (radial)Head thickness (radial)
- Ee
- ZahnhalsbreiteCervical width
- RR
- ZahnkopfaußenradiusTooth tip outer radius
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 7626302 B2 [0003] US 7626302 B2 [0003]
Claims (12)
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---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015011340.2A DE102015011340A1 (en) | 2015-09-03 | 2015-09-03 | Stator for an electric machine |
Publications (1)
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Cited By (1)
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