DE3345672C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit Permanentmagneten und mit einem Kommutator ausgestatteten Gleichstrom- Servomotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die meisten mit Permanentmagneten ausgestatteten Gleichstrom- Servomotoren haben als Stator ein mit Permanentmagneten bestücktes zylindrisches Rohr mit im wesentlichen gleichmäßiger Wandstärke. Die Permanentmagneten sind zur Polachse symmetrisch und in gleichmäßigen Abständen in Gruppen von Vielfachen von zwei angeordnet und beispielsweise mit Klammern oder einem Kleber befestigt. Die Dicke der Magneten, radial zur Polachse gemessen, wird durch die Menge magnetischen Materials bestimmt, die erforderlich ist, um im Motormagnetkreis ein ausreichendes Magnetfeld aufrechtzuerhalten. Das Rohr, das zusammen mit den Permanentmagneten den Stator bildet, kann aus einem Stück oder, was häufiger der Fall ist, aus einer Reihe koaxialer, zu einem Rohr zusammenlaminierter Scheiben bestehen.

Durch Fortschritte in den Anwendungsbereichen wurden Motoren mit höheren Drehmomenten erforderlich; bisher jedoch waren Versuche, die Motorleistung bei hohen Drehmomenten zu verbessern, nur beschränkt erfolgreich. Die Verwendung stärkerer und damit dünnerer Magnete brachte gewisse Verbesserungen; allerdings verringert sich dann der Abstand zwischen dem Joch und dem Rotor des Motors, und es kommt zu vermehrten Streuverlusten im Bereich zwischen den Polen und damit zu Spannungen in der Ankerwicklung des Rotors und zu übermäßiger Funkenbildung im Bereich der Bürsten. Dadurch wird die Gefahr eines Durchschlagens am Kommutator erhöht. Zusätzlich wirkt das im Rotor erzeugte Feld in einem Bereich dem Statorfeld entgegen, während es dieses in einem anderen Bereich verstärkt.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die Permanentmagnete unter Zwischenschalten von bogenförmigen Segmenten im Joch anzuordnen (DE-AS 21 22 556). Die oben beschriebenen Schwierigkeiten treten insbesondere dann auf, wenn Hochleistungsmagnete, wie z. B. Seltenerd- Magnete, mit einer Leistung von mindestens 1,43 · 10⁵ VAs/m³ in der Statoranordnung verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit Permanentmagneten und einem Kollektor ausgestatteten Gleichstrom-Servomotor zu schaffen, der bei relativ geringen Herstellungskosten eine höhere Leistung liefert. Insbesondere soll eine neuartige und günstigere Ausgestaltung des polfreien Bereiches des Stators angegeben werden, die zu einer Leistungsverbesserung derartiger Motoren bei hohen Drehzahlen führt.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß sich die Auswirkungen des mit der Rotorwicklung erzeugten Feldes im polfreien Bereich verringern, ein höheres Drehmoment erreicht sowie eine Verbesserung des Kommutatorverhaltens erzielt werden kann, wenn der nichtmagnetische Bereich zwischen den Polen vergrößert und entsprechend Anspruch 1 bemessen wird.

Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung dient die folgende Beschreibung der Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Statoranordnung mit den Permanentmagneten und den vertieften Bereichen zwischen den Polen;

Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung der Statoranordnung aus Fig. 1;

Fig. 3 zeigt in vergrößerter Form die magnetischen Feldlinien in einer Hälfte eines mit der erfindungsgemäßen Statoranordnung versehenen Servomotors bei einer Stromstärke von 27,8 Ampere;

Fig. 4 zeigt in vergrößerter Form die magnetischen Feldlinien in einer Hälfte eines vorbekannten Servomotors bei einer Stromstärke von 27,8 Ampere;

Fig. 5 und 6 entsprechen den Fig. 3 und 4, jedoch beim Anlegen einer Stromstärke von 192 Ampere;

Fig. 7 ist die grafische Darstellung des Leistungsverhaltens eines mit der erfindungsgemäßen Statoranordnung versehenen Servomotors; und

Fig. 8 zeigt die Leistungskurven eines Servomotors nach dem Stand der Technik.

Fig. 1 stellt die Statoranordnung eines mit Permanentmagneten versehenen erfindungsgemäßen Gleichstrom-Servomotors dar. Das Statorbauteil besteht aus einem zylindrischen Joch 2 aus magnetisierbarem Material, beispielsweise aus Weicheisen, den darin in gleichmäßigen Abständen befestigten, bogenförmigen Teilen 4 und 6, die ebenfalls aus magnetisierbarem Material wie z. B. Weicheisen bestehen, und den an deren Innenseiten befestigten Permanentmagneten 8 und 10. Die Permanentmagnete 8 und 10 sind vorzugsweise Kobalt- Seltenerd-Magnete oder bestehen aus einem anderen, stark permanentmagnetischen Material mit einem Energieprodukt von beispielsweise 1,43 · 10⁵ VAs/m³. Die bogenförmigen Teile 4 und 6 können mit dem Joch 2 verschraubt, verklammert oder verklebt sein oder mit diesem eine Einheit bilden. Das Joch 2 kann ein durchgehendes Rohr sein; vorzugsweise besteht es jedoch zusammen mit den bogenförmigen Teilen 4 und 6 aus einem Stapel von zu einem Rohr zusammenlaminierten Stanzteilen, die durch Schweißnähte, Nieten oder andere, die magnetischen Eigenschaften des Laminierproduktes nicht beeinträchtigende Mittel zusammengehalten werden.

In den mit B bezeichneten und von einer Strichpunktlinie markierten Bereichen wirkt das Rotorfeld des in Fig. 1 nicht dargestellten Rotors bei einer bestimmten angenommenen Drehrichtung dem Statorfeldfluß entgegen, während es in den ähnlich gekennzeichneten und mit A bezeichneten Bereichen den Statorfeldfluß verstärkt.

Wie bereits erwähnt, wird die Leistung der erfindungsgemäßen Servomotoren dadurch gesteigert, daß bestimmte Verhältnisse zwischen den radialen Dicken verschiedener Bauteile der Permanentmagnetstatoranordnung untereinander und gegenüber dem Innendurchmesser (I.D.) des Statorkernes eingehalten werden. Es hat sich gezeigt, daß dies dann eintritt, wenn das Verhältnis von radialer Dicke l₂, die sich aus der radialen Dicke l₁ der Permanentmagneten 8 bzw. 10 und der radialen Dicke der bogenförmigen Teile 4 und 6 aus magnetisierbarem Material zusammensetzt, zur Summe l₃ der radialen Dicke der Permanentmagnete 8 bzw. 10, der bogenförmigen Teile 4 bzw. 6 aus magnetisierbarem Material und dem Statorjoch 2 allgemein einen Wert von

aufweist; und weiter, wenn das Verhältnis von l₃ zum Innendurchmesser I.D. des Stators, zwischen zwei einander gegenüberstehenden Polen

beträgt, wobei P die Anzahl der Magnetpole ist. Für einen zweipoligen Motor ergibt sich damit für l₂ : l₃ ein Wert von 0,44 ±20% und für l₃ : I.D. ein solcher von 0,39 +15%-5%.

Dabei ergibt sich das Verhältnis von l₂ zu I.D. zu 0,17.

Die in Fig. 1 dargestellte Statoranordnung für eine bestimmte Größe von Servomotoren ist in annähernd natürlicher Größe wiedergegeben.

Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung der mit Permanentmagneten versehenen Statoranordnung aus Fig. 1. Die unterhalb der Permanentmagnete 8 und 10 angeordneten bogenförmigen Teile 4 und 6 bilden eine Einheit mit dem Joch 2. Die Statoranordnung weist zwei mit 11 und 12 bezeichnete vertiefte Bereiche zwischen den Polen auf. Die überlegenen Leistungseigenschaften der erfindungsgemäßen Servomotoren werden in den Fig. 3 bis 8 durch den direkten Vergleich mit einem Servomotor herkömmlicher Bauart verdeutlicht. Fig. 3 zeigt vergrößert die Feldlinienverteilung in einer Hälfte des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Stators im zugehörigen Servomotor bei einer Stromstärke von 27,8 Ampere, die an eine konventionell gewickelte Ankerwicklung 13 angelegt wird. Der Anker weist eine Vielzahl von in der Figur schematisch dargestellten Nuten 14 für die Wicklungen auf. Der bogenförmige Permanentmagnet 8 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Magnetsegmenten; vorzugsweise besteht der Magnet 8 allerdings aus einem oder zwei Segmenten. Das Joch 2 weist die Aussparungen 11 und 12 auf. Die dünnen, unregelmäßigen Linien stellen den Verlauf der Magnetfeldlinien im Stator bei Blockierung des Ankers dar. In den vertieften Bereichen 11 und 12 finden sich so gut wie keine Feldlinien, und der Winkel des Polverschiebungsvektors, der durch den Verlauf der Feldlinien gegeben ist, beträgt 8°. Mit Hilfe der Maßtabelle am unteren Rand der Fig. 3 kann der Abstand der Feldlinien vom Mittelpunkt des Servomotors abgelesen werden.

Fig. 4 zeigt den Feldlinienverlauf in einer Hälfte eines vergleichbaren Servomotors herkömmlicher Bauart mit einem Statorjoch 16, dem Permanentmagneten 17 und einem mit einer Vielzahl von Nuten 19 versehenen Rotor 18. Der Außendurchmesser des Jochs 16 entspricht demjenigen des Jochs 2 aus Fig. 3, und der Außendurchmesser des Rotors 18 ist gleich dem Außendurchmesser des Rotors 13 in Fig. 3. Die unregelmäßigen Linien zeigen den Feldverlauf beim Anlegen eines Stromes von 27,8 Ampere unter dem gleichen Belastungszustand wie in Fig. 3. Die Zahl der Feldlinien in den Bereichen 20 und 21 (Fig. 4) hat zugenommen, und der Polverschiebungsvektor beträgt 11°. Die Feldabweichung, die durch die bereits beschriebene Reaktion des Rotors bewirkt wird, ist in Fig. 3 somit um 3° geringer als in Fig. 4. Fig. 5 zeigt den Feldlinienverlauf bei Anlegen eines Stromes von 192 Ampere an die Rotorwicklung des erfindungsgemäßen Servomotors aus den Fig. 1, 2 und 3. Diese Stromstärke stellt das Doppelte der maximalen Nennstromstärke dar. Einige Feldlinien verlaufen durch die vertieften Bereiche 11 und 12 zwischen den Polen, die Feldabweichung beträgt 33°.

Fig. 6 zeigt in gleicher Darstellung den Feldlinienverlauf bei Anlegen einer Stromstärke von 192 Ampere an den herkömmlichen Servomotor entsprechend Fig. 4. Obwohl der Belastungszustand der gleiche ist wie in Fig. 5, ist die Zahl der Feldlinien in den Zwischenpolbereichen 20 und 21 gegenüber der in den Zwischenpolbereichen 11 und 12 (Fig. 5) deutlich größer. Diese größere Anzahl von Feldlinien ist ein Indiz für eine stärkere Reaktion des Rotors und damit für eine schlechtere Leistung des Motors. Der Feldverschiebungsvektor weist einen Winkel von 50° auf, was einer um 17° größeren Feldabweichung gegenüber dem in Fig. 5 dargestellten erfindungsgemäßen Servomotor entspricht.

Die geringere Anzahl der Feldlinien im Zwischenpolbereich und die geringere Feldabweichung entsprechend Fig. 5 bedeuten eine schwächere Reaktion und damit eine verbesserte Leistung des erfindungsgemäßen Servomotors. Die Kurven in den Fig. 7 bzw. 8 zeigen das Leistungsverhalten des erfindungsgemäßen Servomotors entsprechend Fig. 1, 2, 3 und 5 und eines vergleichbaren Servomotors herkömmlicher Bauart entsprechend Fig. 4 und 6 (Fig. 8). Wie aus den Kurven ersichtlich, gibt der erfindungsgemäße Servomotor während eines Beschleunigungs- und Abbremsvorganges zwischen 5000 und 3000 Umdrehungen pro Minute 8,6 kW ab, während der herkömmliche vergleichbare Servomotor nur 6,4 kW entwickelt. Der erfindungsgemäße Motor gibt also eine um 34% höhere Leistung als vergleichbare Motoren herkömmlicher Bauart ab. Beide Motoren haben dabei einen konventionell gewickelten Rotor.

Claims (3)

1. Mit Permanentmagneten und einem Kommutator ausgestatteter Gleichstrom-Servomotor mit einem Läuferblechpaket und einer Statoranordnung mit einem ringförmigen Joch aus magnetisierbarem Material, welches am Innenumfang und mit dem Joch fest verbunden, bogenförmige Segmente ebenfalls aus magnetisierbarem Material aufweist, die ihrerseits am Innenumfang, konzentrisch zur Motorachse, eine Mehrzahl Permanentmagnete tragen, welche die Statorpole bilden, so daß tangential zwischen den Polen eine der gemeinsamen Dicke der Segmente aus magnetisierbarem Material und der Permanentmagnete entsprechende Zone gebildet wird, die frei von magnetisierbarem Material ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von gemeinsamer radialer Dicke (l₂, Fig. 1) des bogenförmigen Segmentes aus magnetisierbarem Material (4, 6) und des zugeordneten Permanentmagneten (8, 10) zur gemeinsamen radialen Dicke (l₃, Fig. 1) von bogenförmigem Segment (4, 6), zugehörigem Permanentmagnet (8, 10) und Joch (2) ist, wenn P die Anzahl der Permanentmagnetpole ist, und daß das Verhältnis der gemeinsamen radialen Dicke (l₃, Fig. 1) von bogenförmigem Segment (4, 6), zugehörigem, bogenförmigen Permanentmagnet (8, 10) und Joch (2) zum Innendurchmesser des Stators (I.D., Fig. 1) zwischen einander gegenüberstehenden Permanentmagnetpolen ist.

2. Servomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Joch (2) und die bogenförmigen Segmente (4, 6) aus einem Stück bestehen.

3. Servomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Joch (2) und die bogenförmigen Segmente (4, 6) aus Blechen geschichtet sind.