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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein einen bürstenlosen Gleichstrommotoraufbau
mit einem konstanten Verhältnis von magnetischen Rotorpolen
zu den Statorschlitzen und insbesondere einen solchen, der in der
Lage ist, das Rastmoment des Motors zu verringern.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Ein
Rotor für einen bürstenlosen Dauermagnetmotor
besteht aus mehreren magnetischen Polen. Jeder bogenförmige
Magnet ist an einem ferromagnetischen Stahlring befestigt, und die
radiale Richtung jedes bogenförmigen Magneten verläuft
der der benachbarten magnetischen Pole entgegengesetzt. Der Stator
wird durch mehrere ferromagnetische Siliziumstahlbleche gebildet,
und jedes ferromagnetische Siliziumstahlblech ist mit mehreren Wicklungsschlitzen
für geordnet gewickelte Kupferdrähte (Emailledrähte)
versehen. Infolge des ”Schlitzeffekts” während
des Motorlaufs, wenn sich der Rotor relativ zum Stator dreht, entsteht
das Rastmoment, das auf den Rotor wirkt. Wenn der Motor mit geringer
Drehzahl läuft, so wird der Effekt des Rastmoments ganz besonders
spürbar und führt zu einem lauten Betriebsgeräusch
und Vibrationen. Infolge dessen darf die Motordrehzahl nur auf einen
bestimmten kleinsten Wert sinken, um diese Vibrationen zu vermeiden.
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Das
US-Patent Nr. 4,774,428 offenbarte
einen dreiphasigen Dauermagnetmotor, der 3(2n + 1) Schlitze im Stator,
3(2n + 1) + 1 oder 3(2n + 1) – 1 Dauermagnetpole im Rotor
und 2n + 1 Spulen in den zugewiesenen Schlitzen für jede
Phase aufweist. Diese Bauformen ermöglichen eine Verringerung
des Rastmoments und verhelfen zu einem maximalen Wirkungsgrad. Die
Verteilung der im
US-Patent Nr. 4,774,428 offenbarten
Wicklungen ist 3(2n + 1) Schlitze für den Stator und 2n
+ 1 Schlitze für jede Phase, dergestalt, dass die 2n +
1 aufeinanderfolgenden Spulengruppen eine einzelne Phase bilden. Infolge
dessen braucht jede Phase nur eine einzige Spulengruppe zu haben.
Zum Beispiel hat der Stator bei n = 7 45 Schlitze, die 46 oder 44
Polen des Rotors entsprechen, und jede einzelne Phase hat 15 Spulengruppen.
Jedoch ist das resultierende Drehmoment mit Bezug auf die Welle
und das Lager nicht symmetrisch und beeinträchtigt den
Motor während des Betriebes, so dass diese Bauform nicht
als ideal angesehen wird.
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Laut
US-Patent Nr. 6,242,822
B1 sind die durch verflochtene Wicklung hergestellten Spulen
für einen sterngeschalteten Stator nicht vollständig
einer magnetischen Periode zugewiesen. Das heißt, das Verhältnis
der Anzahl von Statorschlitzen und der Anzahl von Rotorpolpaaren
ist keine ganze Zahl, sondern eine Bruchzahl. (Zwei benachbarte
und einander gegenüberliegende bogenförmige Dauermagnete
bilden ein einzelnes Polpaar.) Das oben angesprochene
US-Patent Nr. 4,774,428 aus dem Jahr
1988 offenbarte, dass der Stator 3(2n + 1) Schlitze im Stator und
3(2n + 1) + 1 oder 3(2n + 1) – 1 Dauermagnetpole im Rotor
hat. Und das Verhältnis der Anzahl von Statorschlitzen
und der Anzahl von Rotorpolpaaren ist ebenfalls keine ganze Zahl.
Darum handelt es sich bei der Bauform dieses bürstenlosen
Dauermagnetmotors mit einem nicht-ganzzahligen Verhältnis um
eine dem Fachmann bereits bekannte Technik.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Vor
dem Hintergrund der oben beschriebenen Nachteile dachte der Autor
der vorliegenden Erfindung über eine Verbesserung nach,
was schließlich zu dieser Erfindung führte.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines bürstenlosen Gleichstrommotoraufbaus mit einem konstanten
Verhältnis mehrpaariger Rotorpole zu den Statorschlitzen,
dergestalt, dass es mit Sicherheit möglich ist, das Rastmoment
des Motors zu verringern.
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Zur
Erreichung der oben angesprochenen Aufgaben ist die vorliegende
Erfindung primär durch Folgendes gekennzeichnet: Herstellen
des Stators des Motors durch mehrere ferromagnetische Siliziumstahlbleche,
wobei die ferromagnetischen Siliziumstahlbleche mit mehreren Schlitzen
versehen sind, deren Anzahl ein Vielfaches von 15 ist, und der Stator
des Motors durch Wicklungen der drei Phasen, X, Y und Z, gebildet
wird und jede Phase 2 bis 4 Phasenabschnitte enthält und
jeder Phasenabschnitt 5 Statorschlitze hat; wobei der Rotor des
Motors aus mehreren bogenförmigen Magneten besteht, die
geordnet entlang eines ferromagnetischen Stahlrings befestigt sind,
und die radiale Richtung jedes bogenförmigen Magneten derjenigen
der benachbarten magnetischen Pole entgegengesetzt ist, wobei ein bogenförmiger
Magnet einen magnetischen Rotorpol darstellt und die Anzahl der
magnetischen Rotorpole ein Vielfaches von 14 oder 16 ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine auseinandergezogene Ansicht des Aufbaus der beispielhaften
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Draufsicht auf den Motoraufbau der beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht von 2.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Um
ein gründliches Verstehen zu ermöglichen, werden
die verwendeten Techniken und die erreichbaren Funktionen für
die Erfüllung der oben genannten Aufgaben der vorliegenden
Erfindung ausführlich anhand der folgenden bevorzugten
beispielhaften Ausführungsform und der begleitenden Zeichnungen
beschrieben.
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Wenden
wir uns 1 zu. Die vorliegende Erfindung
umfasst einen Rotor 1 des Motors und einen Stator 2 des
Motors, wobei:
der Rotor 1 des Motors aus mehreren
bogenförmigen Magneten 10 und einem ferromagnetischen
Stahlring 11 besteht, wobei jeder der bogenförmigen
Magnete 10 an dem ferromagnetischen Stahlring 11 befestigt ist
und die radiale Richtung jedes bogenförmigen Magneten 10 derjenigen
der benachbarten Magnete 10 entgegengesetzt ist, wobei
ein bogenförmiger Magnet 10 einen magnetischen
Rotorpol darstellt;
der Stator 2 des Motors durch
mehrere ferromagnetische Siliziumstahlbleche 20 gebildet
wird, wobei jedes der ferromagnetischen Siliziumstahlbleche 20 mehrere
Schlitze 21 bildet und die Anzahl der Schlitze 21 ein
Vielfaches von 15 ist. Eine Spule 22 (zum Beispiel Emailledraht)
ist entlang der Schlitze 21 der Siliziumstahlbleche 20 und
durch drei Phasen gewickelt. Diese Erfindung verwendet X, Y und
Z zum Bezeichnen der drei Phasen. Jede Phase umfasst mindestens
zwei Phasenabschnitte. Unterschiedliche Phasenabschnitte derselben
Phase sind nicht nebeneinander angeordnet, und jeder Phasenabschnitt erstreckt
sich über fünf benachbarte Wicklungsschlitze 21.
Das Intervall zwischen zwei Phasenabschnitten derselben Phase beträgt
zehn Schlitze 21. Ein Phasenabschnitt von Phase X ist neben
einem Phasenabschnitt von Phase Y und einem Phasenabschnitt von
Phase Z angeordnet, und die Phasenabschnitte der Phasen X, Y und
Z sind geordnet am Stator 2 des Motors angeordnet; innerhalb
jedes Phasenabschnitts verlaufen die Wicklungen für die benachbarten
Schlitze 21 in umgekehrter Richtung. Wenn der erste Schlitz 21 in
den Siliziumstahlblechen 20 in Uhrzeigerrichtung gewickelt
ist, so sind die benachbarten Spulen 22 entgegen der Uhrzeigerrichtung
gewickelt, aber eine benachbarte Spule 22 ist in derselben
Uhrzeigerrichtung gewickelt, wenn sie zu einem anderen Phasenabschnitt
gehört. Wenn der erste Schlitz 21 in den Siliziumstahlblechen 20 entgegen
der Uhrzeigerrichtung gewickelt ist, so sind gleichermaßen
die benachbarten Spulen 22 in Uhrzeigerrichtung gewickelt,
aber eine benachbarte Spule 22 ist ebenfalls entgegen Uhrzeigerrichtung gewickelt,
wenn sie zu einem anderen Phasenabschnitt gehört.
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In
der obigen Beschreibung beträgt das Verhältnis
der Anzahl von magnetischen Polen des Rotors 1 zu der Anzahl
von Schlitzen des Stators 2 entweder 14n:15n oder 16n:15n,
wobei n eine ganze Zahl und mindestens 2 ist.
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Wenden
wir uns den 2 und 3 zu, wo das
Verhältnis der Anzahl von magnetischen Polen des Rotors 1 zu
der Anzahl von Schlitzen des Stators 2 entweder 14n:15n
oder 16n:15n beträgt, wobei n eine ganze Zahl und mindestens
2 ist, das heißt:
n = 2, der Motoraufbau umfasst 28
Rotorpole und 30 Statorschlitze oder 32 Rotorpole und 30 Statorschlitze;
n
= 3, der Motoraufbau umfasst 42 Rotorpole und 45 Statorschlitze
oder 48 Rotorpole und 45 Statorschlitze;
n = 4, der Motoraufbau
umfasst 56 Rotorpole und 60 Statorschlitze oder 64 Rotorpole und
60 Statorschlitze;
und so weiter.
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Es
wird nun eine beispielhafte Ausführungsform dieser Erfindung
für n = 3 beschrieben, wobei der Motor 42 Statorpole
und 45 Statorschlitze umfasst. Zur Vereinfachung der Beschreibung
sind der Rotor 1 und der Stator 2 des kreisrunden
Motors zu einem linearen Schaubild (in 3 gezeigt)
vergrößert, das aus den drei Phasen X, Y und Z
besteht. Jede Phase enthält drei Phasenabschnitte. Phase
X enthält drei Phasenabschnitte, X1, X2 und X3. Phase Y
enthält drei Phasenabschnitte, Y1, Y2 und Y3. Phase Z enthält
drei Phasenabschnitte, Z1, Z2 und Z3. Jeder Phasenabschnitt enthält
fünf benachbarte Schlitze von Spulen 21, und zwei
unterschiedliche Phasenabschnitte derselben Phase sind durch zehn Schlitze
von Spulen 21 getrennt. Zum Beispiel beginnt die Wicklung
von Phase X an dem Phasenabschnitt X1, wobei eine Spule 22 (zum
Beispiel Emailledraht) im Phasenabschnitt X1 entlang des Schlitzes Nr.
1 in Uhrzeigerrichtung (+) verläuft, entlang des Schlitzes
Nr. 2 entgegen der Uhrzeigerrichtung (–) verläuft,
entlang des Schlitzes Nr. 3 in Uhrzeigerrichtung (+) verläuft,
entlang des Schlitzes Nr. 4 entgegen der Uhrzeigerrichtung (–)
verläuft und entlang des Schlitzes Nr. 5 in Uhrzeigerrichtung
(+) verläuft. Mittels der obigen Schritte wird die Wicklung
für den ersten Phasenabschnitt X1 der Phase X vollendet. Da
zwei Phasenabschnitte derselben Phase durch zehn Schlitze getrennt
sind, wird dann die Drahtverbindung der Spule 22 (zum Beispiel
Emailledraht) zu den ersten Schlitzen (Nr. 16 der Schlitze 21)
im Phasenabschnitt X2 in Uhrzeigerrichtung (+) verlängert. Die
Spule 22 im Phasenabschnitt X2 verläuft entlang des
Schlitzes Nr. 17 entgegen der Uhrzeigerrichtung (–). Die
Spule 22 im Phasenabschnitt X2 verläuft entlang
des Schlitzes Nr. 18 in Uhrzeigerrichtung (+), entlang des Schlitzes
Nr. 19 entgegen der Uhrzeigerrichtung (–) und entlang des
Schlitzes Nr. 20 in Uhrzeigerrichtung (+); dann ist die Wicklung
für den zweiten Phasenabschnitt X2 der Phase X vollendet. Auch
hier wird dann die Drahtverbindung der Spule 22 (zum Beispiel
Emailledraht) in Phase X zu den ersten Schlitzen (Nr. 31 der Siliziumstahlbleche 20) im
Phasenabschnitt X3 in Uhrzeigerrichtung (+) verlängert.
Die Spule 22 im Phasenabschnitt X3 verläuft entlang
des Schlitzes Nr. 32 entgegen der Uhrzeigerrichtung (–),
entlang des Schlitzes Nr. 33 in Uhrzeigerrichtung (+), entlang des
Schlitzes Nr. 34 entgegen der Uhrzeigerrichtung (–) und
entlang des Schlitzes Nr. 35 in Uhrzeigerrichtung (+); und nun ist
die Wicklung für den gesamten Phasenabschnitt X1, X2 und
X3 der Phase X hergestellt. Die Art und weise der Wicklung der Phasenabschnitte
Y1, Y2 und Y3 der Phase Y und der Phasenabschnitte Z1, Z2 und Z3
der Phase Z ist genau die gleiche wie für die Phasenabschnitte
X1, X2 und X3 der Phase X, die hier nicht wiederholt werden. Die
Reihefolge für alle Phasenabschnitte folgt dem Schema X1 → Y1 → Z1 → X2 → Y2 → Z2 → X3 → Y3 → Z3.
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Durch
die oben beschriebene Bauform besteht der Rotor 1 des Motors
aus 42 Magneten und einem ferromagnetischen Stahlring 11,
was insgesamt 42 magnetische Pole sind. Jeder bogenförmige Magnet 10 ist
an dem ferromagnetischen Stahlring 11 befestigt, und die
radiale Richtung jedes bogenförmigen Magneten 10 ist
derjenigen der benachbarten magnetischen Pole 10 entgegengesetzt.
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Dementsprechend
wird der Stator 2 des Motors dieser Erfindung durch mehrere
ferromagnetische Siliziumstahlbleche 20 gebildet, wobei
die ferromagnetischen Siliziumstahlbleche 20 mehrere Schlitze
bilden, deren Anzahl ein Vielfaches von 15 ist; und der Stator 2 des
Motors wird durch die Wicklungen der drei Phasen, X, Y und Z gebildet.
Jede Phase enthält 2 bis 4 Phasenabschnitte, und jeder
Phasenabschnitt hat 5 Schlitze. Der Rotor 1 des Motors
besteht aus mehreren bogenförmigen Magneten, die geordnet
entlang eines ferromagnetischen Stahlrings befestigt sind, und die
radiale Richtung jedes bogenförmigen Magneten ist derjenigen
der benachbarten magnetischen Pole entgegengesetzt. Ein bogenförmiger
Magnet stellt einen magnetischen Pol dar, und die Anzahl der magnetischen
Pole ist ein Vielfaches von 14 oder 16. Durch die beschriebene Anordnung ist
eine Verringerung des Rastmoments des Motors erreichbar.
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Zusammenfassend
lässt sich feststellen, dass die vorliegende Erfindung
in der Lage ist, die erwarteten Aufgaben und Funktionen zu erfüllen,
und die detaillierte Beschreibung der Offenbarung ist ausführlich
genug, um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung
zu realisieren. Obgleich die vorliegende Erfindung im oben Dargelegten
anhand beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung offenbart
wurde, ist es beabsichtigt, dass alle äquivalenten Ausführungsformen
oder Modifikationen, die nicht vom Geist und Geltungsbereich der
vorliegenden Erfindung abweichen, unter diese Erfindung fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4774428 [0003, 0003, 0004]
- - US 6242822 B1 [0004]