DE3323298A1

DE3323298A1 - Induktionsmotor mit geringer traegheit und variabler drehzahl

Info

Publication number: DE3323298A1
Application number: DE19833323298
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Nagoya Aichi Kumatani; Takashi Kani Gifu Nakamura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-06-30
Filing date: 1983-06-28
Publication date: 1984-01-12
Also published as: US4689509A

Description

Dr.-Ing. Roland Liesegang :" - -' - - \ - ~. . - ·' ■', Patentanwalt

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Induktionsmotor mit geringer Trägheit und variabler Drehzahl

Die Erfindung betrifft einen Induktionsmotor mit geringer Trägheit und variabler Drehzahl. Insbesondere betrifft die Erfindung einen solchen Induktionsmotor, bei welchem die Drehenergie bzw. -trägheit relativ niedrig in Bezug auf das Drehmoment des Rotors "gehalten werden kann.

Allgemein wird von einem Servomotor für numerische Steuerung oder von einem mit der Drehzahl veränderbarem Antriebsmotor für industrielle Nähmaschinen ein steiler Leistungs- bzw. Drehzahlanstieg oder -abfall gefordert.

. Derzeit gilt für derartige Anwendungen als besonders geeignet ein Gleichstrom-Elektromotor, der mittels einer Tyristor-Leonard-Leistungssteuerung ausgerüstet ist. Grund hierfür ist, daß der Gleichstrom-Motor exzellent regelbar ist, daß er ein großes Anlaufmoment und hervorragendes Drehzahlverhalten aufweist und anderes mehr. Jedoch erfordert ein Gleichstrom-Motor einen Permanentmagneten, einen Kommutator bzw. Kollektor, einen Bürstenhalter und dgl. Ferner kann unter dem Gesichtspunkt seines Gleichrichtverhaltens die Drehzahl nicht auf einen sehr hohen Wert gebracht werden, und es bestehen Grenzen hinsichtlich der Verringerung von Größe und Gewicht und ferner die

Notwendigkeit einer Wartung wegen Verschleiß der Kommutator-Bürste.

Im Gegensatz dazu kann ein Induktionsmotor wartungsfrei betrieben werden und den Gleichstrom-Motor für die oben beschriebene Anwendung vollständig dann ersetzen, wenn eine billige, umsteuerbare elektrische Energiequelle verfügbar ist.

Eine Problemquelle beim konventionellen Induktionsmotor ergab sich jedoch daraus, daß die Drehenergie oder -trägheit bezogen auf das Drehmoment des Treibkörpers des Motors stets hoch war, weil ein das drehende magnetische Feld im Zusammenwirken mit dem Stator erzeugende Joch am Rotor angeordnet war und das Gewicht des Treibkörpers einschließlich des Rotors und des Jochs relativ groß war, d. h. der Treibkörper aus großen und schweren Bauteilen bestand.

Aufgrunddessen hatte der konventionelle Induktionsmotor solche Nachteile, daß er nicht für direkte Verwendung bei verschiedenen Maschinen und Anwendungen geeignet war, z. B. bei Nähmaschinen oder dgl., wo - die Antriebe Hervorragendes Ansprechverhalten, wie steilen Drehzahlanstieg und -abfall, aufweisen müssen. Wenn ein solcher Induktionsmotor dennoch unvermeidlich angewendet werden mußte, mußte die Last der Maschine oder Vorrichtung, wie einer Nähmaschine, über eine besondere Vorrichtung, wie eine elektromagnetische Kupplung o. dgl. angetrieben werden.

Die Erfindung wurde im Hinblick auf das beschriebene Problem des konventionellen Induktionsmotors entwickelt. Sie hat zur Aufgabe, einen Induktionsmotor mit geringer Trägheit und variabler Drehzahl zu schaffen,

dessen Drehenergie bzw. Drehträgheit in Bezug auf das Drehmoment des Rotors relativ klein gehalten werden kann, und der ausgezeichnetes Ansprechverhalten, wie einen steilen ieistungs- bzw. Drehzahlanstieg und '-abfall, hohen Wirkungsgrad und einfachen Aufbau aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Induktionsmotor gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch einen fest an einem Rahmen angeordneten Stator, ein . fest am Rahmen gegenüber dem Stator mit einem Spalt angeordnetes Joch mit einem becherförmigen Rotor, der aus einem Hysterese aufweisenden . Material und einen Wirbelströme erzeugenden Material hergestellt und fest auf einer Abtriebswelle in den Spalt frei drehbar hineinragend angeordnet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen aus Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

. Fig. 1 einen Halbschnitt einer ersten vorteilhaften Ausführung eines Induktions

motors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm, in welchem das Drehmomentverhalten des Induktionsmotors nach Fig. 1 dargestellt ist, und Fig. 3 einen Halbschnitt durch eine zweite

vorteilhafte Ausführung eines Induktionsmotors gemäß der Erfindung.

Im folgenden ist die Erfindung im einzelnen anhand der in den Fig. dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die erste Ausführung eines Induktionsmotors mit geringer Trägheit gemäß der Erfindung. Ein Stator 14 mit einer Statorwicklung ist wie bei einem üblichen Induktionsmotor auf der äußeren Umfängsflache eineslanggestreckten zylindrischen Abschnitts 10c des zentralen 'Teiles eines Rahmens für den Elektromotor befestigt. Ein Joch 16 aus einem laminierten Kern ist an der Innenfläche der äußeren Umfangsflache des Rahmens 10 so befestigt, daß es dem Stator 10 mit einem kleinen Spalt S gegenübersteht. Im Spalt S wird von dem Stator 14 und dem Joch aufgrund des Stromflusses durch die Statorwicklung 12.. ein rotierendes magnetisches Feld gebildet.

Eine Abtriebswelle 26 ist axial frei drehbar in Lagern 22,24 unterstützt, die im hinteren Abschnitt eines am Rahmen 10 angebrachten Flansches 18 aus einem unmagnetischen Material und in einer Bohrung 1Oa im zentralen Abschnitt des Rahmens 10 sitzen. Ein Rotor 30 mit becherförmigen Querschnitt ist mit Schrauben 30c an einer Rotorstütze 28 befestigt, die so auf der Abtriebswelle 26 montiert ist, daß sie in den Spalt S hineinragt. Der becher- - förmige Rotor 30 ist durch Übereinanderschichten einer Wirbelströme erzeugenden Platte 30a aus einem

un-magnetisehen und elektrisch gut leitenden Werkstoff wie Aluminium, Kupfer, einer Silber-Kupfer-Legierung o. dgl., und aus einer Hysterese-Platte 30b aus einem halbharten magnetischen Material wie Eisen in Becherform gebracht. Durch das von Stator 14 und Joch 16 erzeugte rotierende magnetische Feld wird ein Wirbelstrom in der Platte 30a erzeugt, während eine magnetische Polarität in der Hysterese-Platte 30b erzeugt wird, so daß ein Drehmoment aufgrund der Kopplung des rotierenden magnetischen

Feldes und des Wirbelstromes sowie aufgrund des Zusammenwirkens des rotierenden magnetischen Feldes und der magnetischen Polarität erzeugt wird.

An der einen Seitenfläche der Rotorstütze 28 erstrecken sich in radialer Richtung gleichmäßig über den Umfang verteilte Kühlflügel 32, um das Innere des Elektromotors zu kühlen. Benachbart den radial inneren Enden der Kühlflügel 32 ist ein'Loch 28a zum Bilden eines Luftweges für die Kühlluft vorgesehen. Durch Drehen der Kühlflügel 32 wird Kühlluft überfein Saugloch 34 im Flansch 12 .in das Motorinnere eingesaugt und über eine Auslaßöffnung 37 im Flansch gemäß der eingezeichneten Pfeilrichtung in Fig. 1 wieder ausgestoßen. Die Kühlluft wird auch über ein Saugloch 36 in der Seitenwand des Rahmens 10 durch Drehen der Kühlflügel 32 eingeführt. Diese Kühlluft passiert einen Abschnitt 10b, in dem Kühlflosseji zu seiner Kühlung ausgebildet sind, wobei dieser Abschnitt auf der Außenseite des langgestreckten zylindrischen Teiles 10c vorgesehen sind und die Luft in Pfeilrichtung gemäß Fig. 1 passiert und dann das Loch 28a in der Rotorstütze 28 durchströmt, wo-. rauf diese Luft ebenfalls über die Auslaßöffnung im Flansch 18 entweicht.

Eine Wärmeabführplatte oder -scheibe 38 ist an der Rotorstütze 28 befestigt- Von dem becherförmigen Rotor.30 erzeugte Wärme wird über die Wärmeabfuhrscheibe abgegeben. Die Rotorstütze 28 besteht aus einem Material wie Aluminium mit guter Wärmeleitung, so daß im Rotor 30 erzeugte Wärme schnell abgeführt werden kann, und ferner mit gutem elektrischen Leitvermögen, so daß sie ein großes Moment bei kleinem Schlupf als Endring der Wirbelströiae er-

zeugenden Platte 30a erzeugen kann. Zusätzlich ist an einem auskragenden, in der Fig. linken Ende der Abtriebswelle 26 ein Kühlventilator 56 größerer Abmessungen befestigt, um eine verbesserte Kühlung des Innenraums des Elektromotors zu bewirken. Der Kühlventilator 56 fördert über eine Saugöffnung 64 in einer Kühlventilator-Abdeckung 58 Kühlluft zum Saugloch im Rahmen 10 und zu dem zu kühlenden Bereich 39 und drückt die Kühlluft über die Auslaßöffnung 37 im Flansch 18 wieder nach außen.

Ferner ist auf der Abtriebswelle 26 eine elektromagnetische Bremse 42 angeordnet, um die Drehbewegung des Treibkörpers 40 einschließlich der Rotorstütze. 28 und des becherförmigen Rotors 30 zu steuern. Der Aufbau der elektromagnetischen Bremse 42 ist im folgenden beschrieben.

Eisenkernteile 44,46 der elektromagnetischen Bremse werden vom Flansch 18 aus unmagnetischem Material getragen. Im Eisenkernteil 44 ist eine Bremswicklung aufgenommen und gehalten, um einen magnetischen Fluß in den Eisenkernteilen 44,46 zu erzeugen. Auf der Abtriebswelle- 26 ist eine Bremsscheibe 50 axial frei verschieblich angeordnet. Diese Bremsscheibe 50 wird in der Fig. 1 gesehen nach links ständig durch eine Feder (nicht gezeigt) vom Eisenkernteil 46 weggedrückt. Auf der Oberfläche der Bremsscheibe 50, die dem Eisenkernteil 46 gegenüberliegt, ist ein Bremskissen 52 befestigt. Durch die zwischen dem Bremskissen 52 und dem Eisenkernteil 46 übertragene Reibkraft läßt sich die Abtriebswelle schnell stoppen-In der Bremsscheibe 50 ist ein Entlüftungsloch 50 ausgebildet, welches zum Fördern der über das erwähnte Saugloch 34 geförderten Luft in das Innere

des Elektromotors dient.

Im folgenden ist die Funktion des Induktionsmotors nach der oben beschriebenen ersten Ausführung erläutert.

Wird die Statorwicklung 12 unter Strom gesetzt, so wird ein rotierendes magnetisches Feld im Spalt S durch Zusammenwirken zwischen dem Stator 14 und dem Joch 16 erzeugt. Ein Wirbelstrom wird in der Wirbelströme erzeugenden Platte 30a durch das rotierende magnetische Feld erzeugt, und der Wirbelstrom kreuzt den magnetischen Fluß, um ein rotierendes Drehmoment gemäß der gestrichelten Kurve B in Fig. 2 zu erzeugen. In der Hysterese-Platte 30b wird durch Rotieren des magnetischen Feldes eine magnetische Polarität erzeugt, welche mit dem rotierenden Magnetfeld zusammenwirkt,, um ein rotierendes Drehmoment gemäß der srichpunktierten Geraden C in Fig. 2 zu erzeugen.

Als Ergebnis wird ein zusammengesetztes Drehmoment gemäß der durchgezogenen Kurve A in Fig. 2 erzeugt, welches sich nicht durch die Wirbelströme erzeugende . Platte 30a ode"r die Hysterese-Platte 30b allein bilden läßt. Das Drehmoment kann als mechanisches Abtriebsmoment an der Abtriebswelle 26 abgenommen werden, welche den axialen Kern für den becherförmigen Rotor 30 bildet. Da der Treibkörper 40 des Elektromotors eine niedrige Trägheit aufgrund der Verwendung von Bauteilen geringer Abmessungen und geringen Gewichts in Form der auf <äer Welle 26 befestigten Rotorstütze 28 und des an der Rotorstütze 28 befestigten becherförmigen Rotors 30 aufweist, hat der Motor exzellentes Ansprechverhalten, was sich in einem steilen Drehzahlanstieg beim Start

und stellen Drehzahlabf all bzw. guten Nachlaufverhalten bei entsprechender Steuervorgabe ausweist. Während der konventionelle Induktionsmotor so aufgebaut war, daß der Treibkörper aus dem Rotor und dem damit einteiligen Joch bestand, ist der Induktionsmotor der Erfindung so aufgebaut, daß der becherförmige Rotor unabhängig vom Joch 16 ist, um den Treibkörper zusammen mit Bauteilen geringer Abmessungen und geringen Gewichts einschließlich des Rotors 30 und der Rotorstütze 28 unabhängig vom Joch 16 zu machen.

Da sich der becherförmige Rotor 30 in axialer Richtung erstreckt, baut der Motor mit kleinem Durchmesser, wobei gleichzeitig eine große Oberfläche zum Erzeugen des Wirbelstromes und der magnetischen Polarität bereitgestellt ist. Das Joch 16 ist bei dieser Ausführung an der Innenfläche der äußeren Umfangswand des Rahmens 10 befestigt. Demgemäß kann der Spalt S in einer radial außen gelegenen Position im Vergleich zu einer Anordnung vorgesehen werden, daß der Stator 14 an der äußeren Umfangswand auf der Innenseite des Rahmens 10 angeordnet ist, wodurch ein größeres Drehmoment erhalten wird.

Ein Induktionsmotor wie vorstehend beschrieben, ist besonders geeignet als Servomotor für numerische Steuerungen, bei denen eine steile Leistungszunähme und -abnähme verlangt wird oder als in der Drehzahl veränderbarer Antriebsmotor für industrielle Nähmaschinen. Der Motor ist dazu fähig, leicht und wirkungsvoll abrupt zu starten und zu stoppen.

Auch läßt sich der Treibkörper 40 durch Einstellen der Statorwicklung 12 und der durch die Bremswicklung 48 fließenden Ströme bremsen. Wenn z. B. die Last einer Nähmaschine oder dgl., die mit der Abtriebs-

welle 26 gekuppelt ist, abrupt gestoppt werden soll, wird der durch die Statorwicklung 12 fließende Strom unterbrochen und gleichzeitig ein' Strom durch die Bremswicklung 48 der elektromagnetischen Bremse 42 geschickt, wodurch die elektromagnetische Bremse 42 betätigt wird. Mit anderen Worten wird durch den Stromfluß in der Bremswicklung 48 ein magnetischer Fluß erzeugt, der die Eisenkerne 44,46 und die Bremsscheibe 50 durchsetzt und so die Bremsscheibe 50 an das Eisenkernteil 46 anzieht. Als Ergebnis wird die Drehung der Abtriebswelle 26 schnell durch die zwischen dem Bremskissen 42 und dem Eisenkernteil 46 wirkende Reibung gestoppt.

Wenn man einen elektrischen Strom durch die Bremswicklung wie oben beschrieben fließen läßt, wird .ein magnetischer Fluß in den Eisenkernteilen 44,46 und der Bremsscheibe 50 erzeugt. Da der Flansch 18 unter-" stützende Eisenkernteile44,46 aus unmagnetischem Werkstoff gefertigt ist, besteht keine Möglichkeit zur Erzeugung eines magnetischen Leckflußes vom Eisenkernteil 46 über die Bremsscheibe 50, den Flansch 18 und das Lager 22. Demgemäß kann kein magnetischer 'Leckfluß das drehende Lager 22 passieren, so daß das Lager 22 vor einem Schaden aufgrund von durch Wirbelströme erzeugter Wärme geschützt ist.

Anschließend erzeugt der Motor selbst Wärme aufgrund seines Arbeitens. Kühlluft wird von außerhalb des Motors über die Sauglöcher 64, 34 und 36 durch Drehen der Kühlflügel 32 an der Rotorstütze 28 und des fest auf der Abtriebswelle 26 sitzenden Kühlventilators 56 in Richtung der Pfeile gemäß Fig. 1 in den Motorinnenraum gefördert und über die Auslaßöffnung 37 anschließend abgeführt, wodurch ein Temperaturanstieg im Innenraum des elektrischen Motors

wirksam verhindert wird.

Da ferner die Wärmeabfuhrscheibe 38 fest mit dem becherförmigen Rotor verbunden ist, kann die in dem Rotor erzeugte Wärme auf die durch die Kühlluft gekühlte Wärmeabfuhrscheibe 38 abgeleitet werden, so daß der becherförmige Rotor 30 und die ihn tragende Rotorstütze 28 ausreichend gekühlt werden können.

Fig. 3 zeigt eine zweite vorteilhafte Ausführungsform eines Induktionsmotors gemäß der Erfindung. Der Aufbau dieser Ausführung ist gleich wie derjenige der ersten Ausführung mit der Ausnahme, daß das Joch 16 und der Stator 14 umgekehrt angeordnet sind wie bei der ersten Ausführung. Mit anderen Worten ist der Stator 14 an der Innenfläche der äußeren Umfangswand des Rahmens 10 befestigt, und das Joch 16 ist auf der äußeren Umfangsfläche des langgestreckten zylindrischen Abschnitts 10c am zentralen Teil des Rahmens 10 so befestigt, daß er dem Stator 14 mit einem kleinen Spalt S dazwischen gegenübersteht.

Bei dem so aufgebauten Induktionsmotor nach der ■ zweiten Ausführung wird beim Unterstromsetzen der Statorwicklung 12 ein rotierendes magnetisches Feld im Spalt S durch Zusammenwirken zwischen dem Stator und Joch 16 erzeugt. Das rotierende magnetische Feld erzeugt einen Wirbelstrom in der Wirbelstrom-Platte 30a, und der Wirbelstrom kreuzt den magnetischen Fluß zum Erzeugen eines rotierenden Drehmoments, wie es in Fig. 2 durch die gestrichelte Kurve B dargestellt ist. An der Hysterese-Platte 30b wird durch das rotierende magnetische Feld eine magnetische Polarität erzeugt. Die magnetische Polarität wirkt mit dem rotierenden magnetischen Feld zum Schaffen eines gleichen rotierenden Momentes zusammen, wie es durch die strichpunktierte

-. ΟΟΔΟ ΔΌΟ

Linie C in Fig. 2 eingezeichnet ist.

. Ein Gesamtmoment, welches aus dem Drehmoment aufgrund des Zusammenwirkens des Wirbelstromes mit dem magnetischen Fluß und aus dem Drehmoment aufgrund des Zusammenwirkens der magnetischen Polarität und des rotierenden magnetischen Feldes zusammengesetzt ist, hat den durch die Kurve A in Fig. 2 dargestellten Verlauf. Das zusammengesetzte Drehmoment kann nicht durch die Wirkung der Wirbelströme erzeugenden Platte 30a oder durch die Wirkung der Hysterese-Platte 30b allein erhalten werden.

Bei beiden Ausführungsformen ist der becherförmige Rotor 30 aus zwei einzelnen Platten, nämlich der Wirbelströme erzeugenden Platte 30a und der Hysterese-Platte 30b zusammengesetzt. Es ist jedoch möglich, einen Sandwich-Aufbau von einer Vielzahl derartiger Platten vorzusehen. Ferner ist es möglich, eine einzige Platte aus einem Werkstoff' zu verwenden, welcher sowohl die zur Wirbelstromerzeugung erforderlichen Eigenschaften als auch diejenigen zur Hysterese-Erzeugung aufweist.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

/ 1.J Induktionsmotor mit geringer Trägheit und variabler Drehzahl, gekennzeichnet durch einen fest an einem Rahmen (10) angeordneten Stator, ein fest am Rahmen gegenüber dem Stator mit einem Spalt (S) angeordnetes Joch mit einem becherförmigen Rotor (30) , der aus einem Hystereseeigenschaften aufweisenden Material (30b) und einen Wirbelströme erzeugenden Material (30a) hergestellt und fest auf einer Abtriebswelle (26) in den Spalt (S) frei drehbar hineinragend angeordnet ist.
2. Induktionsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der becherförmige Rotor (30) durch Übereinanderschichten von becherförmigen Platten (30a,30b) gebildet ist, von denen die eine Hystereseeigenschaften hat, und die andere Wirbelströme erzeugt.
3. Induktionsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der becherförmige Rotor (30) aus

einem einzigen Material besteht, das sowohl Hysterese-Eigenschaften als auch Wirbelstrom-Eigenschaften aufweist.
4. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle (26) einen zentralen Abschnitt (10c) des Rahmens (10) durchsetzt und frei drehbar darin gelagert ist, und daß der becherförmige Rotor (30) mit seinem mittleren Abschnitt (28) auf der Abtriebswelle (26,) befestigt ist.
5.' Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle mit einer elektromagnetischen Bremse (42) zum Bremsen einer Drehbewegung der Abtriebswelle (26) versehen ist.
6. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das · Joch (16) fest an der Innenseite einer äußeren Umfangswand (39) des Rahmens (10) befestigt ist und daß der .Stator fest auf der äußeren Umfangsflache des inneren zentralen Abschnittes (10c) des Rahmens (10) sitzt.
7. Induktionsmotor nach Anspruch 6, dadurch g e kenn ze i c h η ·ε t, daß der Stator (14) fest auf dem äußeren Umfang eines langgestreckten zylindrischen Teiles (10c) sitzt, welches am zentralen Abschnitt des Rahmens ausgebildet ist.
8. Induktionsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (14) fest an der Innenseite eineräußeren Um-

fangswand (39) des Rahmens= (10) gehalten ist und daß das Joch (16) fest auf der äußeren Umfangsflache des zentralen Abschnitts (10c) des Rahmens (10) angeordnet ist.
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9. Induktionsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (16) auf der . äußeren Umfangsfläche eines langgestreckten zylindrischen Abschnitts (10c) sitzt, welches am zentralen Abschnitt des Rahmens (10) ausgebildet ist.