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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor und insbesondere einen durch ein elektrisches Signal gesteuerten elektrischen bürstenlosen Gleichstrommotor.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Das Thema Energieeinsparung gewinnt zunehmend an Bedeutung für den globalen Umweltschutz, wie beispielsweise die Vermeidung der globalen Erwärmung und die Erschöpfung fossiler Brennstoffe.
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In diesem Zusammenhang unternehmen Länder der ganzen Welt Anstrengungen sowohl im Bereich Energieeinsparung als auch im Bereich Energienutzungseffizienz. Insbesondere erkennen Länder weltweit, dass Motoren die Schlüssel zur Verbesserung der Energieeffizienz in Haushalten und in der Industrie sind, und sie schaffen die gesetzlichen Rahmenbedingungen für die Entwicklung und Nutzung hocheffizienter Motoren.
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Gegenwärtig verbrauchen Motoren etwa 50 bis 60% des inländischen Stroms; wenn also die Effizienz von Induktionsmotoren, die überall in der Industrie eingesetzt werden, um 4% verbessert wird, so ließe sich der nationale Energieverbrauch um etwa 2% reduzieren. Dieser reduzierte Energieverbrauch entspricht der Energie von 3,7 Atomkraftwerken mit einer Leistung von 500 MW pro Jahr. Im Hinblick auf die Energiekrise und den globalen Umweltschutz wird somit die Verbesserung der Motoreffizienz zur wichtigsten Aufgabe.
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Mittlerweile werden für Kraftstoffpumpen von Fahrzeugen bürstenlose Gleichstrom- bzw. BLDC-Motoren (BLDC = Brushless Direct Current) verwendet, um einen hohen Wirkungsgrad, Langlebigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, und insbesondere werden im Allgemeinen sensorlose bürstenlose Gleichstrommotoren eingesetzt.
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Der Anmelder hat im Patentdokument 1 eine Technologie offenbart, die sich auf den bürstenlosen Gleichstrommotor bezieht, und eine Anmeldung eingereicht, die nunmehr eingetragen ist.
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1 ist unterdessen eine Ansicht, die den Aufbau eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach dem Stand der Technik zeigt.
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Wie 1 zeigt, beinhaltet der bürstenlose Gleichstrommotor 1 einen Stator 2 zur Erzeugung eines Magnetfelds und einen Rotor 3, der durch das vom Stator 2 erzeugte Magnetfeld rotiert.
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Der Stator 2 beinhaltet einen Metallkern 4, um den eine Spule gewickelt ist, und der Rotor 3 beinhaltet einen Dauermagneten 5.
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Wenn bei dem bürstenlosen Gleichstrommotor 1 nach dem Stand der Technik acht Pole bereitgestellt sind, wie in 1 gezeigt ist, so sind am Rotor 3 acht Dauermagnete 5 installiert, um der Anzahl der Pole zu entsprechen.
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Im Allgemeinen wird auf den am Rotor 3 des bürstenlosen Gleichstrommotors 1 installierten Dauermagneten 5 ein ND-Magnet (Neodym-Magnet) angewandt, der das zu den seltenen Erden gehörende Neodym (Nd) verwendet.
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Im Vergleich zu anderen Magneten unter denselben Größenbedingungen besitzt der ND-Magnet eine sehr starke Magnetkraft, sodass der ND-Magnet in den meisten Haushalts-, Industrie-, Medizingeräten usw., die eine hohe Magnetkraft erfordern, eingesetzt wird.
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Zum Stand der Technik gehören die
koreanische Patentanmeldung Nr. 10-1251906 (Patentdokument 1, veröffentlicht am 08. April 2013) und die Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, Band 63, Ausgabe 4, „Design optimization of rotor considering cost reduction of small sized BLDC motor for Pumps”, Kim Hoe-cheon, Jung Tae-uk, April 2013 (Nichtpatentdokument 1).
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei der Anwendung von ND-Magneten auf bürstenlose Gleichstrommotoren ist der ND-Magnet allerdings teurer als ein Ferritmagnet, und die Preisschwankungen des ND-Magneten sind in Abhängigkeit von den Rohstoffpreisen und dem Wechselkurs sehr hoch.
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Um die Produktkosten zu reduzieren, werden daher Technologien zur Anwendung von Ferritmagneten anstelle von ND-Magneten entwickelt.
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Eine im Hinblick auf die Kostenreduktion eines kleinen bürstenlosen Gleichstrommotors für eine Pumpe optimale Gestaltungstechnik eines Rotors ist im Nichtpatentdokument 1 offenbart.
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Wird der Ferritmagnet jedoch nach der oben beschrieben Technik auf den bürstenlosen Gleichstrommotor angewandt, so kommt es zu Leistungsunterschieden, sodass die Größe des Ferritmagneten erhöht werden muss, um dieselbe Leistung zu erzielen, weshalb auch die Größe des bürstenlosen Gleichstrommotors zunimmt.
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Darüber hinaus ist die Technik des Nichtpatentdokuments 1 lediglich bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor vom SPM-Typ (Surface Permanent Magnet – Oberflächendauermagnet) anwendbar, bei dem der Dauermagnet 5 an einer Oberfläche des Rotors 3 befestigt ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen bürstenlosen Gleichstrommotor bereitzustellen, bei dem die Anzahl der am Rotor installierten Dauermagneten um die Hälfte reduziert ist, während die Leistungseinbußen minimiert sind.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen bürstenlosen Gleichstrommotor bereitzustellen, der die Anzahl der Dauermagneten reduzieren kann, die auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor vom IPM-Typ (Interior Permanent Magnet – Innendauermagnet), bei dem die Dauermagneten in den Rotor eingebettet sind, angewandt werden.
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Zur Lösung der vorstehend beschriebenen Aufgabe beinhaltet ein erfindungsgemäßer bürstenloser Gleichstrommotor mit N Polen (N ist eine gerade Zahl) einen an einem Innenumfangsabschnitt desselben ausgebildeten Stator mit einer Mehrzahl von Zähnen, um die eine Spule gewickelt ist; und einen Rotor, der innerhalb des Stators angeordnet ist und weniger als N Dauermagneten umfasst.
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N/2 Dauermagneten sind aufeinanderfolgend so angeordnet, dass gleiche Pole nach außen gerichtet sind.
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Zwischen den Dauermagneten ist ein Magnetisierungsteil ausgebildet.
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Der bürstenlose Gleichstrommotor ist ein bürstenloser Gleichstrommotor vom IPM-Typ, bei dem der Dauermagnet in einen Außenumfangsabschnitt des Rotors eingebettet ist.
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Der bürstenlose Gleichstrommotor weist dieselbe Stranginduktivität wie ein Motor mit N Dauermagneten auf und besitzt ein reduziertes Rastmoment.
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Der Dauermagnet und das Magnetisierungsteil sind symmetrisch angeordnet.
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Wie vorstehend beschrieben brauchen bei dem erfindungsgemäßen bürstenlosen Gleichstrommotor im Rotor nur Dauermagneten in einer Anzahl, die der Hälfte der Polanzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors vom IPM-Typ entspricht, installiert zu sein.
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Somit lassen sich anhand der vorliegenden Erfindung die Herstellungskosten reduzieren, indem die Anzahl der im bürstenlosen Gleichstrommotor installierten Dauermagneten reduziert wird.
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Insbesondere lassen sich anhand der vorliegenden Erfindung im Vergleich zur Installation von Dauermagneten in einer Anzahl, die der Polanzahl des Motors entspricht, Leistungseinbußen minimieren sowie die Drehmomentwelligkeit und das Rastmoment reduzieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Ansicht, die eine Gestaltung eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach dem Stand der Technik zeigt.
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2 ist eine Ansicht, die eine Gestaltung eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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3 ist ein Diagramm, das eine induzierte Spannung des in 2 gezeigten bürstenlosen Gleichstrommotors zeigt.
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4 ist ein Diagramm, das ein Rastmoment des in 2 gezeigten bürstenlosen Gleichstrommotors zeigt.
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5 und 6 sind Ansichten, die einen Vektor der magnetischen Flussdichte der in 1 bzw. 2 gezeigten bürstenlosen Gleichstrommotoren zeigen.
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7 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden wird ein bürstenloser Gleichstrommotor nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.
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2 ist eine Ansicht, die eine Gestaltung eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Die Ausführungsform verwendet einen achtpoligen bürstenlosen Gleichstrommotor zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung, allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und die vorliegende Erfindung ist unabhängig von der Polanzahl, beispielsweise 10 Pole, 12 Pole usw., anwendbar.
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Der bürstenlose Gleichstrommotor 10 nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie er in 2 gezeigt ist, beinhaltet einen an einem Innenumfang desselben ausgebildeten Stator 20 mit einer Mehrzahl von Zähnen 21, um die eine Spule gewickelt ist, und einen Rotor, der innerhalb des Stators angeordnet ist und eine Mehrzahl von Dauermagneten 31 in einer Anzahl, die der Hälfte der Polanzahl entspricht, beinhaltet.
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Der Stator 20 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet, und die Mehrzahl von Zähnen 21, die der Anzahl an Schlitzen entspricht, kann am Innenumfangsabschnitt des Stators 20 bereitgestellt sein, um ein Magnetfeld zu erzeugen.
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Jeder Zahn 21 ist mit einem bestimmten Durchmesser ausgebildet, und um jeden Zahn 21 kann mehrfach eine Spule (nicht dargestellt) gewickelt sein, sodass die Magnetkraft durch die Aufnahme von elektrischem Strom ausgebildet wird.
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Der Rotor 30 ist drehbar innerhalb des Stators 20 installiert, und in einer Mitte des Rotors 30 kann eine drehende Welle gekoppelt sein, die vom drehenden Magnetfeld erzeugte Energie abführt.
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Der Rotor 30 kann in einer Struktur ausgebildet sein, bei der eine Mehrzahl von Platten vertikal ausgerichtet und in eine drehende Welle eingesetzt sind.
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Im Rotor 30 kann eine Mehrzahl von Dauermagneten 31 installiert sein, um das Magnetfeld zu erzeugen.
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Der Dauermagnet kann als ein ND-Magnet (Neodym-Magnet) ausgeführt sein, der durch Mischen der zu den seltenen Erden gehörenden Elemente Neodym (Nd), Eisen (Fe) und Bor (B) in einem bestimmten Verhältnis erhalten wird, um stark magnetisch zu sein.
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Bei der Ausführungsform kann die Anzahl der Dauermagneten 31 eine Anzahl sein, die der Polanzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors 10 entspricht, beispielsweise die Anzahl, die der Hälfte von acht Polen entspricht, was lediglich vier sind.
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Für eine detaillierte Beschreibung sind in einem herkömmlichen bürstenlosen Gleichstrommotor 1, wie er in 1 dargestellt ist, die Dauermagneten 5 in einer Anzahl, die der Polanzahl entspricht, so angeordnet, dass die Polaritäten entgegengesetzt zueinander sind.
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Im Fall eines herkömmlichen bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer achtpoligen Struktur sind beispielsweise die acht Dauermagneten 5 alternierend so angeordnet, dass N-S-N-S-N-S-N-S-Polaritäten nach außen gerichtet sind.
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Bei der Ausführungsform, wie sie in 2 dargestellt ist, können im Fall eines Motors mit der achtpoligen Struktur dagegen vier Dauermagneten 31 alternierend so angeordnet sein, dass alle N-Pole nach außen gerichtet sind.
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Im Fall der Installation von lediglich vier Dauermagneten aus den acht Dauermagneten, die der Polanzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors 10 entsprechen, ist der Rotor 30 so angeordnet, dass die N-X-N-X-N-X-N-X-Pole nach außen gerichtet sind. In diesem Fall ist X ein Magnetisierungsteil 33, in dem der Dauermagnet 31 nicht installiert ist.
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Das heißt, dass das Magnetisierungsteil 33 in einem Raum ausgebildet ist, der dem Dauermagneten 31 zwischen jedem Dauermagneten 31 entspricht.
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In diesem Fall kann eine Form des Magnetisierungsteils 33 in einer Form ausgebildet sein, die der Form des Dauermagneten 31 entspricht, und unter Berücksichtigung der Eigenschaften des bürstenlosen Gleichstrommotors 10 zu unterschiedlichen, von der Form des Dauermagneten 31 abweichenden Formen abgewandelt sein.
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Somit ist das Magnetisierungsteil 33 zwischen jedem am Rotor 30 installierten Dauermagneten 31 bereitgestellt, um den Eisenkern zu magnetisieren, und jedes Magnetisierungsteil 33 erzeugt ähnliche Wirkungen wie in dem Fall, wenn der Dauermagnet 31 installiert ist.
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Das heißt, dass der Eisenkern, der an einem Umfang des Magnetisierungsteils 33 angeordnet ist, durch die Magnetkraft des N-Pols und des S-Pols des benachbarten Dauermagnets 31 magnetisiert wird.
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Somit sind bei der vorliegenden Erfindung die Dauermagneten im Rotor in einer Anzahl installiert, die lediglich der Hälfte der Polanzahl des Motors entspricht, und erbringen dieselbe Leistung wie bei dem Motor, der Dauermagneten in einer Anzahl aufweist, die der Polanzahl des Motors entspricht.
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Im Folgenden sind unter Bezugnahme auf 3 bis 6 die Ergebnisse eines Leistungsexperiments des Gleichstrommotors nach einer Ausführungsform der beispielhaften Ausführungsform detailliert beschrieben.
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3 ist ein Diagramm, das eine induzierte Spannung des in 2 gezeigten bürstenlosen Gleichstrommotors zeigt.
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Wie in 3 bei Beschreibung unter Verwendung einer elektromotorischen Kraft der U-Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors gezeigt, nimmt die induzierte Spannung (B) bei Installation der Hälfte der Dauermagneten (31) im Vergleich zur induzierten Spannung (A) bei Installation der Dauermagneten entsprechend der Polanzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors in geringem Maße ab, da bei einer geraden Zahl in der induzierten Spannung Oberwellen erzeugt werden.
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4 ist ein Diagramm, das ein Rastmoment des in 2 gezeigten bürstenlosen Gleichstrommotors zeigt.
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Im Allgemeinen ist der bürstenlose Gleichstrommotor als ein Motor vom SPM-Typ (Surface Permanent Magnet – Oberflächendauermagnet), bei dem die Dauermagneten an einer Oberfläche des Rotors installiert sind, bzw. vom IPM-Typ (Interior Permanent Magnet – Innendauermagnet), bei dem die Dauermagneten in einen Außenumfangsabschnitt des Rotors eingebettet sind, klassifiziert.
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In 4 wird das Rastmoment gemessen, wenn die Anzahl der installierten Dauermagnete der Hälfte der Polanzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors entspricht.
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Das Rastmoment ist eine Art einer Motordrehmomentschwankung, die so erzeugt wird, dass sich der Rotor nicht gleichmäßig dreht.
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Das heißt, dass sich die drehende Welle des Motors, wenn sie kräftig gedreht wird, mit zunehmendem Rastmoment des Motors nicht dreht und mit abnehmendem Rastmoment gleichmäßig dreht.
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In diesem Fall übernimmt der Motor, bei dem der Dauermagnet angewandt wird, im Unterschied zu anderen Motoren das Rastmoment aufgrund einer Magnetwiderstandsdifferenz zwischen dem Magneten des Rotors und der Schlitzstruktur des Stators. Da das Rastmoment einen wesentlichen Einfluss auf die Geräusch- und Vibrationsentwicklung des Motors hat, sollte es bei der Gestaltung der Motoren minimiert werden.
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Da darüber hinaus eine Drehmomentwelligkeit in Bezug auf Oberwellen einer gegenelektromotorischen Kraft ebenso die Geräusche und Vibrationen des Motors beeinflusst, muss bei der Gestaltung des Motors ebenfalls die Drehmomentwelligkeit minimiert werden.
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Ist der Dauermagnet 31 in einer Anzahl, die der Hälfte der Polanzahl des Motors entspricht, im Motor vom SPM-Typ installiert, so werden in der induzierten Spannung Oberwellen erzeugt, das Drehmoment wird in hohem Maße reduziert und die Drehmomentwelligkeit sowie das Rastmoment werden erhöht.
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Ist dagegen der Dauermagnet 31 in einer Anzahl, die der Hälfte der Polanzahl des Motors entspricht, im Motor vom IPM-Typ installiert, so werden zwar Oberwellen erzeugt, diese sind allerdings im Vergleich zum Motor vom SPM-Typ sehr gering, sodass das Drehmoment nur in geringem Maße reduziert wird.
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Darüber hinaus werden, wie in 4 gezeigt, die Drehmomentwelligkeit und das Rastmoment D eher reduziert gegenüber dem Rastmoment C, wenn die Dauermagneten in einer Anzahl installiert sind, die der Polanzahl des Motors entspricht.
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Somit ist die vorliegende Erfindung vorzugsweise auf den bürstenlosen Gleichstrommotor vom IPM-Typ, bei dem die Dauermagneten in den äußeren Umfangsbereich des Rotors eingebettet sind, anzuwenden.
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5 und 6 sind Ansichten, die einen Vektor der magnetischen Flussdichte der in 1 bzw. 2 gezeigten bürstenlosen Gleichstrommotoren zeigen.
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Die Analyse der in 5 und 6 gezeigten Vektordiagramme der magnetischen Flussdichte ergibt, dass eine Stranginduktivität E des Motors, bei dem der Dauermagnet in einer Anzahl installiert ist, die der Polanzahl des Motors entspricht, und eine Stranginduktivität F des Motors, bei dem der Dauermagnet in einer Anzahl installiert ist, die der Hälfte der Polanzahl des Motors entspricht, identisch sind.
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Ist der Dauermagnet in einer Anzahl installiert, die der Hälfte der Polanzahl eines bürstenlosen Gleichstrommotor vom IPM-Typ entspricht, so lassen sich durch das vorstehend beschriebene Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Herstellungskosten reduzieren und eine ähnliche Leistung erzielen, wie wenn der Dauermagnet in einer Anzahl installiert ist, die der Polanzahl entspricht.
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Zwar wurde bei einer Ausführungsform der Dauermagnet in einer Anzahl, die der Hälfte der Polanzahl des Motors entspricht, beschrieben, allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt.
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7 ist beispielsweise eine Ansicht, die ein Beispiel eines Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Somit kann, wie in (a) aus 7 gezeigt, die vorliegende Erfindung fünf Dauermagneten bereitstellen, die der Hälfte von 10 Polen entsprechen. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung so modifizierbar, dass sie acht Dauermagneten ((b) aus 7) oder sechs Dauermagneten ((c) aus 7) aufweist.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch zu bevorzugen, die Dauermagneten entsprechend dem Grundmaß der Polanzahl des Motors bereitzustellen. Beispielsweise sind im Fall von acht Polen vier Dauermagneten bereitgestellt und im Fall von zehn Polen fünf Dauermagneten bereitgestellt. Auch wenn dem Grundmaß entsprochen wird, so ist zu bevorzugen, dass die Dauermagneten in einer Anzahl, die der Hälfte der Polanzahl des Motors entspricht, so installiert sind, dass die Dauermagneten unter Berücksichtigung einer Erhöhung der Drehmomentwelligkeit symmetrisch anordenbar sind.
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Wenngleich die vorliegende Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen derselben gezeigt und beschrieben wurde, ist sie keinesfalls so auszulegen, dass diese den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränken, und der Fachmann wird erkennen, dass verschiedene Ersetzungen, Formveränderungen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Zwar wird zur Beschreibung der Ausführungsform ein achtpoliger bürstenloser Gleichstrommotor verwendet, allerdings ist die vorliegende Erfindung veränderbar und unabhängig von der Polanzahl, beispielsweise 10 Pole, 12 Pole usw., anwendbar.
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Die vorliegende Erfindung wird auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor angewandt, bei dem Dauermagneten in einer Anzahl installiert sind, die lediglich der Hälfte der Pole in einem bürstenlosen Gleichstrommotor vom IPM-Typ entspricht, um im Vergleich zur Installation der Dauermagneten in einer Anzahl, die der Polanzahl entspricht, die Herstellungskosten zu verringern und Leistungseinbußen zu minimieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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