DE3321675C2

DE3321675C2 - Elektrische Kommutatormaschine

Info

Publication number: DE3321675C2
Application number: DE3321675A
Authority: DE
Inventors: Thomas R. Blacksburg Va. England
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1982-06-17
Filing date: 1983-06-13
Publication date: 1986-10-09
Also published as: GB2122427B; GB8315876D0; GB2122427A; CA1204140A; DE3321675A1; US4797592A; JPS596761A; FR2529028A1; FR2529028B1; IE54481B1

Abstract

Es wird eine dynamo-elektrische Maschine mit Läufer und Läuferwicklung, sowie Kommutatorvorrichtung und mit einem Stator mit Permanentmagnetpolen beschrieben, von denen mindestens einer so ausgebildet ist, daß ein auf den Läufer bezogener ungleichmäßiger Arbeitsluftspalt gebildet wird. Der Stator weist mindestens einen Folgepol bzw. einen Perma nent magneten auf. Der oder die Permanentmagneten sind vorteilhaft in Blockform ausgeführt, wobei die dem Läufer zugewandte Fläche den ungleichmäßigen Luftspalt mit dem Läufer bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Kommutatormaschine nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs (US-PS 42 96 343).

Gleichstrom-Tachometer, vor allem solche, die in eine Servovorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung verwendet werden, sollten im Idealfall ein gleichmäßiges Signal aussenden, das proportional zur Geschwindigkeit und ohne jede Welligkeit ist. Allerdings weisen die Ausgangssignale von Tachometern in der Regel eine Welligkeit auf, deren Frequenz der Nutenfrequenz entspricht, d. h. die Welligkeit entsteht durch das Vorbeigleiten der Nuten an einem bestimmten Punkt des Stators. Um Instabilitäten und weitere Probleme in der Servoschleife zu vermeiden, muß die Bandbreite des Servoverstärkers so bemessen sein, daß die Frequenz der Welligkeit außerhalb der Bandbreite des Verstärkers liegt, was eine Begrenzung der Ansprechfrequenz der Servovorrichtung durch die Frequenz der Welligkeit zur Folge hat.

Gleichstrom-Motoren weisen ebenfalls eine WeIHgkeitskomponente im Ausgangssignal auf, die dort als Drehmomentswelligkeit auftritt. 1st der Motor Bestandteil einer Servovorrichtung, so wirkt sich durch die Rückkopplung die Welligkeit des Drehmoments verlangsamend auf die Umdrehungsgeschwindigkeit aus. Abgesehen davon ist die Welligkeit des Drehmomentes in jedem Fall unerwünscht, weil sie eine Oszillation des Drehmoment-Ausgangssignals zur Folge haben kann.

Die US-PS 42 96 343 beschreibt einen Elektro-Motor mit zwei aktiven Permanentmagnetpolen und zwei durch das Gehäuse vorgegebenen, zwischen den Permanentmagnetpolen angeordneten weichmagnetischen Folgepolen. Aus der US-PS 30 64 147 ist ein Verfahren zur Reduzierung des magnetischen Geräusches von einem Zweipolmotor bekannt, wobei der Motor zur Erzielung eines einfachen Aufbaus und Verringerung der Die DE-OS 26 38 971 beschreibt einen Motor mit einem Gehäuse aus elektromagnetischem Material, in dem zwei Gruppen aus Magneten angeordnet sind, die durch das Gehäuse magnetisch gekoppelt sind, leder Magnet jeder Gruppe hat flache, im Abstand liegende parallele Polflächen, und die Magnete jeder Gruppe sind Seite an Seite angeordnet. Die Länge der Fläche der Pole aus den jeweils drei Permanentmagneten weicht von dem ganzzahligen Vielfach der Nutteilung

H) ab.

In der DE-OS 22 50 183 ist ein Gleichstrommotor mit mindestens einem Permanentmagneten und einem diesem gegenüberliegend angeordneten Saugpol offenbart, dessen einander zugewandte Endabschnitte voneinander magnetisch isoliert sind. Dabei soll das Ankcrquerfeld durch die Anordnung des Saugpols mit abgeschwächt werden.

Aus der DE-AS 22 43 473 ist eine Lehre über Nutenzahl und Polteilung für einen Gleichstrommotor bei zwei verschiedenen Ankersiellungen bekannt, bei denen jeweils ein Maximum oder Minimum des magnetischen Leitwertes auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer elektrischen Kommutatormaschine entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs die Verschiebung der Welligkeitsfrequenz in einen höheren, etwa doppelt so hohen Frequenzbereich zur Verminderung der nachteiligen Wirkungen der Welligkeitskomponente zu ermöglichen, um somit beispielsweise bei einer Servoeinrich-

jo tung eine höhere Ansprechfrequenz zu gestatten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Die Permanentmagnetpole sind mit ebenen Poloberflächen ausgebildet, durch die sich ein im Bereich

J5 des Permanentmagneten ungleichmäßiger Luftspalt ergibt. Zusätzlich ist die in Umfangsrichtung gemessene Länge der Folgepole so bemessen, daß sie von einem ganzzahligen Vielfachen der Nutteilung abweicht. Beide Merkmale zusammen ergeben eine Verschiebung der Welligkeitsfrequenz in einen höheren Frequenzbereich, wodurch der Durchlaßbereich des Verstärkers und damit eine höhere Ansprechfrequenz erreicht wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch ein Tachometer entsprechend der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Teil der Läuferwicklung der Übersichtlichkeit halber weggelassen ist,

F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung des Tachometers, wobei der Läufer um einen halben Nutenabstand weitergedreht ist.

Der in F i g. 1 dargestellte Tachometer besteht aus einem Läufer 10 und einem Stator 20, welcher das magnetische Feld für den Tachometer erzeugt.

Zur einfacheren Darstellung sind nur einige Läuferwicklungen abgebildet; die Mehrzahl der Wicklungen wurde zur besseren Darstellung der Nuten 11 weggelassen. Der Läuferkern 12 besteht aus magnetischem Material, vorzugsweise aus laminierten Stahllamellen. Die

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einem Folgepol versehen ist. Das wegen der durch die Konstruktion des aktiv erregten Poles und des Folgepoles vorgegebenen ungleichmäßigen magnetischen Flußdichte entstehende magnetische Geräusch wird dadurch minimiert, daß der Läufer unsymmetrisch angeordnet wird, so daß zwischen aktiv erregtem Pol und Läufer der Luftspalt größer ist als zwischen Folgepol und Läufer.

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von Nuten 11 aufweisen; der in F i g. 1 dargestellte Läufer weist 33 Nuten auf. Die Läuferwicklung ist eine Wellenwicklung mit einer Vierpolanordnung, die in üblicher Weise mit einem Kommutator (nicht abgebildet) verbunden ist.

Die Statoranordnung besteht aus zwei Blockmagneten 21 und 22, deren permanentmagnetische Pole so

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angeordnet sind, daß der Nordpol dem Läufer 10 zugewandt ist, während der Südpol auf der gegenüberliegenden Seite ist. Die Magnete 21 und 22 sind auf einem Ring 24 aus magnetischem Material montiert, der zwei Folgepolstücke 26 und 27 aufweist. In dieser Anordnung ergeben die Permanentmagnete 21 und 22 die Nordpolflächen und die Folgepole 26 und 27 die Südpolflächen. Für die Permanentmagnete 21 und 22 kann jedes beliebige permanentmagnetische Material verwendet werden. D« die Magnete einfache Blockform aufweisen, können auch schwierig zu bearbeitende Materialien verwendet werden. Sehr gute Ergebnisse wurden mit Saminarium/ Kobalt-Magneten erzielt. Die mit den Permanenimagnetflächen 21 und 22 gebildeten Luftspalte sind absichtlich ungleichmäßig, d. Iu die Magnetflächen sind nicht der gekrümmten Oberfläche des Läufers angepaßt. Der magnetische Fluß ist deshalb nicht gleichmäßig, sondern hat seine größte Dichte beim Zentrum der Magnete 21 und 22 und nimmt nach beiden Seiten hin ab. Die Folgepole 26 und 27, andererseits, sind so geformt, daß der zwischen diesen und dem Läufer gebildete Lutspalt im wesentlichen gleichmäßig ist. Die Breite der Polfläche der Folgepole ist so bemessen, daß sie vom Integer der Nutenteilung abweicht. In Fig. 1 ist beispielsweise die obere Kante des Polstückes 26 auf den Mittelpunkt des Zahnes 15 ausgerichtet, während die untere Kante des gleichen Polstückes 26 auf die Nut 11 zwischen den Zähnen 16 und 17 ausgerichtet ist. Es überspannt also die Polfläche einen Teil des Läufers, der 5¹/: Nuten entspricht. Ähnlich ist das Polstück 27 mit seiner oberen Kante auf den Mittelpunkt des Zahnes 18 ausgerichtet, während die untere Kante auf die dem Zahn 19 benachbarte Nut ausgerichtet ist. so daß diese Polfläche ebenfalls 5¹A Nuten, bezogen auf die Läuferfläche, überspannt.

Normalerweise weist ein Ausgangssignal eines Gleichstrommotors eine vorwiegende Welligkeitskomponente auf. die der Geschwindigkeit entspricht, mit welcher die Nuten an einem bestimmten Punkt des Stators vorbeigleiten. Beim Testen eines nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Tachometers hat sich jedoch herausgestellt, daß dieser eine der doppelten Nutenfrequenz entsprechende Welligkeitsfrequenz aufwies. Der Grund für diese unerwartete Verschiebung in einen höheren Frequenzbereich ist nicht genau bekannt. Er scheint aber in der Art zu liegen, wie sich die Mittelpunkte der Folgepole während des Tachobetriebes bewegen, was am besten durch einen Vergleich der F i g. 1 und 2 festgestellt werden kann, in denen der Läufer um eine halbe Nuteneinheit verschoben dargestellt ist.

Bei der Läuferposition entsprechend F i g. 1 befindet sich die Mittelachse der Zähne 15 bzw. 18 unter den oberen Kanten der entsprechenden Folgepole 2b bzw. 27, während die Läuferzähne 16 bzw. 19 vollkon.men von den unteren Folgepolkanten überdeckt sind. In dieser Position bewirkt der Magnetfluß zwischen Polfläche und Läuferzähnen ein Verschieben des wirksamen Mittelpunktes des Folgepols aufwärts in Richtung der Zähne 15 bzw. 18.

In Fig. 2 ist der Läufer um eine halbe Nutenteilung so vorgeschoben; der Zahn 18 ist nun vollkommen von der Polfläche überdeckt, während der Zahn 19 nur noch zur Hälfte überdeckt ist. Gegenüber ist der Zahn 17 nun nur noch zur Hälfte überdeckt, während der Zahn 15 vollkommen unter der Polfläche zum Vorschein gekommen t>5 ist. In dieser Position hat der Magnetfluß ein Verschieben der wirksamen Mittelpunkte der Folgepole abwärts in Richtune auf die Zähne 17 bzw. 19 bewirkt.

Aus diesen Darstellungen ist ersichtlich, daß die wirksamen Zentren der Folgepolc sich mit der Läuferumdrehung aufwärts und abwärts bewegen. Es wird angenommen, daß durch diese Bewegung die Frequenz der vorherrschenden Welligkeilskomponente des Tachometer-Ausgangssignals nach oben verschoben wird. Obwohl sich die vorstehende Beschreibung auf Gleichstrom-Tachometer bezieht, können auch Gleichst! ommotoren ähnlich konstruiert werden, mit dem Unterschied, daß beim Motor die Aufwärtsverschiebung der Welligkeitsfrequenz eini Drehniomentsignal auftritt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Kommutatormaschine mit einem Stator mit wenigstens zwei Pcrrnanenimagnelpoleri derselben Polarität und mit wenigstens zwei zwischen den Permanentmagnetpolen angeordneten weichmagnetischen Folgepolen, welche letzteren mit dem Läufer einen gleichmäßigen Arbeitsluftspalt bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetpole (2t, 22) mit ebener PoI-oberfläche ausgebildet sind, und daß die in Umfangsrichtung gemessene Länge der Folgepole von einem ganzzahligen Vielfachen der Nutteilung abweicht.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete Blockform aufweisen.

3 Elektrische Maschine nach Ansoruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer eine ungerade Anzahl von Wicklungsnuten aufweist.