DE3345672C2 - - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
- H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
- H02K23/04—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having permanent magnet excitation
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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.
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