DE3740725A1 - Motorgetriebenes luftbewegungsgeraet fuer dauerbetrieb mit hoher geschwindigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein motorgetriebenes Luftbewegungsgerät wie ein Gebläse oder einen Ventilator, das dazu ausgelegt ist, mit hoher Geschwindigkeit im Dauereinschaltbetrieb zu arbeiten, mit einem Gleichstrom-Permanentmagnetmotor mit Stator und Rotor, von denen ein Bauteil einen Kern besitzt mit Zähnen, zwischen denen Schlitze zur Aufnahme von Wicklungen liegen, während das andere Bauteil Permanentmagnet-Pole besitzt. Die Erfindung betrifft weiter einen solchen Motor, bei dem entweder beim Rotor oder beim Stator die Polmagnetisierungen oder die Zähne schräg zur Axialrichtung liegen, und zwar so, daß ein niedriges Verhältnis Axialkernbreite zu Zahnabstand vorhanden ist.

Der bei diesem Gerät verwendete Motortyp ist magnetisch induzierten Pulsierungen des Drehmomentes unterworfen infolge der ungleichmäßigen Luftspaltreluktanz, wenn aufeinanderfolgende Zähne und Feldpole in Relativdrehung aneinander vorbeigehen, und diese Drehmomentpulsierungen neigen dazu, abwechselnd die Drehgeschwindigkeit zu beschleunigen und abzubremsen, unabhängig davon, ob der Anker oder die Feldanordnung sich dreht. Die sich ergebende pulsierende Winkelgeschwindigkeit trägt als ein Faktor zum Geräusch beim Motorbetrieb bei. Die Schräglage soll diese magnetisch induzierte Winkelgeschwindigkeitfluktuierung und das dadurch erzeugte Geräusch reduzieren. Der optimale Schrägwinkel ist durch einen Tangenswert bestimmt, der gleich mindestens einem Zahnabstand geteilt durch die Anker-Kern- oder Stapel-Breite ist, wobei der Zahnabstand der gesamte Umfangsabstand vom Beginn eines Schlitzes bis zum Beginn des nächsten Schlitzes ist. Mit diesem Schrägwinkel befindet sich immer ein Abschnitt konstanter Breite des Kernes in Nachbarschaft zu den Feldpolen und die Drehmomentpulsierungen werden infolge gleichmäßiger Luftspaltreluktanz reduziert.

Bei einem Anker mit geringer Stapelbreite im Vergleich zu seinem Zahnabstand ist jedoch der sich so ergebende optimale Winkel für die praktische Herstellung oftmals zu groß. Der große Winkel ergibt verengte effektive Schlitze, die wenig Raum für die Ankerwicklungen bieten. Die scharfwinkligen Ecken des Ankerkernes können die Isolierung und manchmal sogar den Drahtkern der herumgeschlagenen Wicklung aufschneiden. Es ist schwierig, den Draht um scharfe Winkel zu biegen, so daß sich ein größeres Wickelvolumen und reduzierter Wirkungsgrad ergeben. Damit werden derartige in Axialrichtung kurze Anker mit einem Kompromiß-Schrägwinkel hergestellt, der beträchtlich kleiner als der optimale Winkel ist, so daß eine größere Anfälligkeit für pulsierende Winkelgeschwindigkeit und damit für Geräuschbildung vorliegt. Derartige in Axialrichtung kurze Anker bieten jedoch gewisse andere Vorteile bei bestimmten Anwendungen, z.B. niedriges Gewicht und kleinen Bauraum und in manchen Fällen geringere Kosten bei hohem Wirkungsgrad. Deswegen ist ihr Einsatz in manchen Fällen sehr erwünscht und es wird ein Aufbau gesucht, der die Reduzierung des Betriebsgeräusches ermöglicht.

Damit wird das Ziel dieser Erfindung die Schaffung eines Luftbewegungsgerätes der genannten Art, das reduziertes Geräusch infolge magnetisch induzierter pulsierender Winkelgeschwindigkeit zeigt. Anders gesagt besteht das Ziel darin, das hörbare Geräusch zu reduzieren, welches durch Drehmomentpulsierungen im rotierenden Anker eines Gleichstrom-Permanentmagnet-Gebläsemotors verursacht wird bei Motoren mit schrägliegenden Zähnen und kurzer Kernbreite, bei denen die Schrägstellung für die optimale volle Zahnabstandsbreite nicht eingehalten werden kann.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß erreicht mit einem Luftbewegungsgerät mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.

Die praktische Ausführung eines solchen Gerätes enthält einen Motor mit einer Nut, die längs der Mittellinie jedes Kernzahnes angeordnet ist, wobei die Nut parallel zu den Abstandsschlitzen liegt und flacher als diese ist, keine Wicklung enthält, und wirksam den Zahn magnetisch in Umfangsrichtung halbiert und so den effektiven Zahnabstand vermindert. Es hat sich gezeigt, daß bei einem Kompromiß-Schrägwinkel diese Nut die magnetisch induzierte Pulsierung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors und das dadurch erzeugte Geräusch vermindert.

Es hat sich weiter gezeigt, daß diese Nut die Geschwindigkeit/Drehmoment-Kurve des Motors so verändert, daß der Wirkungsgrad des Motors und des Gebläsesystems bei hohen Geschwindigkeiten im Dauereinschaltbetrieb verbessert wird. Dieser zusätzliche Vorteil besitzt beträchtlichen Wert bei Motoren für Luftbewegungs-Anwendungen wie Gebläsen oder Ventilatoren, die zum Dauerbetrieb bei hoher Geschwindigkeit ausgelegt sind, wobei der Fluid-Rückdruck am größten ist und das Festfahr- oder Abbruchdrehmoment nicht sehr wichtig ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines repräsentativen Teils eines Stators bei einem motorbetriebenen Luftbewegungsgerät erfindungsgemäßer Art,

Fig. 2 eine Axialansicht des Statorkerns eines Stators nach dem Stand der Technik mit in Axialrichtung kurzem Kern,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Statorkern nach dem Stand der Technik aus Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 2 des in der Statoranordnung nach Fig. 1 benutzten erfindungsgemäßen Kernes,

Fig. 5 eine Draufsicht des Statorkerns aus Fig. 4,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Drehmoment­ pulsierungen der Relativdrehung von Rotor- und Statoranordnung in Motoren, links mit Statorkern nach Fig. 2 und 3, rechts mit Statorkern nach Fig. 4 und 5,

Fig. 7 eine axiale Teilschnittdarstellung eines motorgetriebenen Luftbewegungsgerätes mit einer Statoranordnung nach Fig. 1, und

Fig. 8 eine graphische Darstellung des Zusammen­ hangs zwischen Geschwindigkeit und Dreh­ moment bei dem erfindungsgemäßen Luftbewe­ gungsgerät und einem Gerät nach dem Stand der Technik.

In Fig. 7 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor 10 gezeigt mit einer in der Mitte liegenden Statoranordnung 12 und einer ringförmigen, die Statoranordnung umgebenden Rotoranordnung 14. Ein Käfiggebläse 16 ist an der Rotoranordnung 14 angebracht und wird durch diese in Drehung versetzt.

Die Statoranordnung 12 enthält einen Wicklungssatz 18 und einen (laminierten) Statorkern 20, der an einem Stützteil 22 angebracht ist. Das Stützteil 22 ist wiederum an einem Statorgehäuse 24 mit einer Vielzahl von Schrauben 26 befestigt. Elastomerbuchsen 28 umgeben die Schrauben und entkoppeln das Stützteil 22 zur Geräuschisolation vom Gehäuse 24. Das Statorgehäuse 24 besitzt einen Umfangsflansch 30 zur Befestigung des bürstenlosen Gleichstrommotors 10 an einem stationären Stützteil 32.

Der Wicklungssatz 18 der Statoranordnung 12 wird durch eine Steuerschaltung elektronisch kommutiert, und die Elektronikbauelemente sitzen auf einer ringförmigen Schaltplatine 34. Die Schaltplatine 34 ist an Stützen 36 des Stützteiles 22 mit Abstand zum Wicklungssatz 18 angebracht. Bei der praktischen Ausführung sind die elektronischen Bestandteile an beiden Seiten der Schaltplatine 34 angesetzt, so daß die gesamte Steuerschaltung auf der Platine Platz hat. In Fig. 7 ist jedoch nur der Leistungstransistor 38 und das Halleffekt-Gerät 40 dargestellt. Der Leistungstransistor 38 ist auf das Stützteil 22 gesetzt, das ihm als Wärmesenke dient. Das Halleffekt-Gerät 40 ist so angeordnet, daß es durch einen Phasenmagnet 42 beeinflußt wird, der sich mit der Rotoranordnung 14, wie später näher beschrieben, dreht.

Die Rotoranordnung 14 umfaßt eine gerade Anzahl von mit gleichmäßigem Abstand angeordneten radial magnetisierten Permanentmagneten 46, die am Innenumfang eines Rotor-Flußringes 48 angebracht und mit dem Statorkern 20 axial ausgerichtet sind. Der Rotor-Flußring 48 ist an einem Rotornapfteil 50 befestigt, das wiederum das Käfiggebläse 16 trägt. Das Rotornapfteil 50 ist an einer Rotorwelle 52 befestigt, die in einer Vertiefung 54 des Stützteiles 22 aufgenommen ist und durch eingepreßte Lager 56 und 58 darin drehbar abgestützt wird. Zur Schubaufnahme dienende Scheiben 60 und 62 sind an beiden Enden des Stützteiles 22 durch einen Federring 64 gehalten. Ein Schmiermittelvorrat 66 wird durch einen Einschnitt im Stützteil 22 gebildet und gibt Schmiermittel an die Rotorwelle 52 und die eingepreßten Lager 56 und 58 über einen gebohrten Durchlaß 68 und eine Vertiefung 54 ab. Der Phasenmagnet 42 ist am Rotornapfteil 50, wie bereits erwähnt, angebracht und dient in Verbindung mit dem Halleffekt-Gerät 40 dazu, die Steuerschaltung mit Lageinformationen von der Rotoranordnung 14 zu versorgen.

Die grundsätzliche Funktion des Rotornapfteiles 50 besteht darin, die elektronischen Bestandteile an der ringförmigen Schaltplatine 34 abzudecken und vor einer Beschädigung bei dem Zusammenbau und beim Betrieb, etwa durch vom Gebläse mitgerissene Fremdteilchen, zu schützen. Bei dieser Ausführung ist jedoch das Rotornapfteil 50 noch mit mindestens zwei radial versetzten Öffnungen 70 und 72 versehen, die vorteilhafterweise eine Kühlluftzufuhr für die Elektronikbauelemente an der Schaltplatine ergeben, wie es in der US-PS 46 59 951 der gleichen Anmelderin beschrieben ist.

Nach den Fig. 1, 4 und 5 ist der Statorkern 20 der Statoranordnung 12 in der üblichen Weise aus gestapelten Eisenblechen aufgebaut und jedes Blech ist identisch geformt, um in dem zusammengebauten Statorkern eine gerade Anzahl von identischen, durch Schlitze 115 getrennten Zähnen 113 zu bilden. Sowohl der Stator als auch der Rotor besitzt eine gerade Zähnezahl mit gleichem Umfangsabstand, um unausgeglichene Radialmagnetkräfte daran zu hindern, unnötigen Lagerverschleiß zu erzeugen und den Rotor bei seiner Drehung rattern zu lassen. Die Wicklungen des Wicklungssatzes 18 sind aus Drähten gebildet, die um ausgewählte Zähne in den Schlitzen geschlagen sind, wie es bei derartigen Geräten bekannt ist. Bei der Anordnung wird jedes aufeinanderfolgende Stanzblech des Kernes leicht um die gemeinsame Achse gegen seinen benachbarten Partner verdreht, so daß die Zähne und die Schlitze einen Schrägwinkel gegen die Achse bilden. Dieser Schrägwinkel ist vorgesehen, um die Drehmomentschwankungen zu reduzieren, die sich durch Änderungen der Magnetkräfte infolge ungleichförmiger Luftspaltreluktanz ergeben, wenn die Permanentmagnet-Ankerkerne an den Zähnen 113 während der Relativverdrehung des Ankers und des Stators im Betrieb des zusammengebauten Motors vorbeiziehen. Der Schrägwinkel entspricht am Umfang weniger als einem Zahnabstand infolge der kurzen Stapellänge oder axialen Kernbreite. Dieser Schrägwinkel ist damit, wie bereits erläutert, zur Ruhigstellung des Motors nicht optimal.

Ein üblicher Kern 20′ nach dem Stand der Technik ist in Fig. 2 und 3 gezeigt, wobei die gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 4 und 5 Verwendung finden, jedoch mit Apostroph. Der Statorkern 20 erfindungsgemäßer Art nach Fig. 4 und 5 ist bis auf das nachfolgend Erläuterte identisch mit dem Kern 20′ nach dem Stand der Technik. Jeder Zahn 113 im erfindungsgemäßen Kern ist mit einer Nut 116 an seiner Außenumfangsfläche versehen, die den gleichen Schrägwinkel wie der Zahn selbst zeigt. Diese Nutz 116 liegt im wesentlichen in der Mitte des Zahnes 113. Die Nuten 116 sind in der Darstellung nach Fig. 4 mit halbkreisförmigem Querschnitt versehen, jedoch können auch dreieckförmige Querschnitte (siehe die Innendarstellung auf der rechten Seite der Fig. 6) oder andere Formen Verwendung finden. Die Breite und Tiefe dieser Nut 116 ist ausreichend, um die Reluktanz des Luftspaltes bei der Nut sehr zu erhöhen und so effektiv den Zahn 113 sowohl körperlich als auch magnetisch zu halbieren. Wenn die zwei separaten Hälften jedes Zahnes 113 an den Feldpolen vorbeilaufen, ändert sich der Magnetflußverlauf gegen den bei einem ungeteilten einstückigen Zahn. Der unterschied ist in Fig. 6 dargestellt, in der die Kurven 117 den Drehmomentverlauf bei einem Gerät nach Stand der Technik und 118 bei einem erfindungsgemäßen Gerät zeigen, wobei das Drehmoment in Kreiskoordinaten aufgezeichnet ist, mit in Radialrichtung dargestelltem Drehmoment und in Umfangsrichtung dargestelltem Drehwinkel. Die Art der jeweils erzeugenden Zähne ist innerhalb der Drehmomentkurve gezeigt, d.h. die linken drei Zähne sind nach dem Stand der Technik ausgebildete, durchgehende Zähne, während die rechten vier Zähne in der Mitte durch eine Nut praktisch geteilt sind. Es ist zu sehen, daß der Drehmomentunterschied durch die Nutung kleiner geworden ist und der Drehmomentverlauf eine doppelt so hohe Frequenz zeigt, soweit es die mit den genuteten Zähnen erzeugte Drehmomentkurve betrifft. Durch die höhere Frequenz und eine beträchtliche Rotationsträgheit bei dem sich drehenden Teil hat die Amplitude jeder Änderung der Rotationsgeschwindigkeit weniger Zeit zum Aufbau und dadurch ergibt sich eine geringere durchschnittliche Geräuschamplitude. Auch die höhere Frequenz des entstehenden Geräusches erleichtert das Ausfiltern durch eine Isolierung bei der Befestigung.

Es wurde bereits festgestellt, daß der Schrägwinkel der Zähne 113 ein wesentliches Element dieser Erfindung ist. Es ist dabei jedoch nicht wichtig, daß der Schrägwinkel bei den Zähnen 113 und den Nuten 116 vorhanden ist. Die Zähne 113 mit den Nuten 116 können auch geradlinig axiale Zähne sein mit axialen Schlitzen, vorausgesetzt, daß die gegenüberliegenden Permanentmagnetpole schräg liegen. Es besteht auch kein Unterschied, ob sich nun die mit Wicklung versehenen Zähne oder die Permanentmagnete drehen bzw. stationär sind. Die kurzen Axiallängen, bezogen auf den Schrägwinkel, gelten dabei natürlich entweder für den Stator oder den Rotor, da ihre wirksame Einwirkung aufeinander bei allen praktischen Anwendungen auf die Axiallänge begrenzt ist, die das kürzere der beiden Bauteile besitzt. Aus diesem Grund ist, obwohl nur eine Ausführung dargestellt wurde, die Erfindung nicht auf die gezeigte Darstellung beschränkt, sondern auch auf motorgetriebene Luftbewegungsgeräte anwendbar, die irgendeine Kombination von Statoranordnung und Rotoranordnung enthalten, vorausgesetzt, daß eines der beiden Bauteile durch Wicklungsschlitze getrennte Zähne und das andere Permanentmagnete besitzt, wobei eines der beiden schräg zur Axialrichtung verläuft, und die Axiallängen der miteinander in Einwirkung tretenden Abschnitte der Zähne der Statoranordnung und der Rotoranordnung gegenüber dem Schrägwinkel kurz sind, und die Zähne Nuten in der beschriebenen Weise längs ihrer Mittellinie parallel zu den Poltrennschlitzen enthalten.

Es ergibt sich noch ein zusätzlicher unerwarteter Vorteil der Nuten 116 in dem motorgetriebenen Luftbewegungsgerät nach Fig. 7. Es hat sich gezeigt, daß die Drehmoment-Geschwindigkeitskurve des bürstenlosen Gleichstrommotors 10 sich so ändert, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. In dieser Figur zeigt die Kurve 150 die Beziehung zwischen Drehmoment und Geschwindigkeit beim Gebläsemotor der Fig. 7 mit Nuten 116, und diese besitzt eine andere Neigung als die Kurve 160 für die Drehmoment/Geschwindigkeits-Beziehung eines gleichartigen Gebläsemotors nach dem Stand der Technik ohne Nuten. Die beiden Kurven überschneiden sich an der Stelle 170. In dem Bereich links von der Stelle 170, d.h. dem Bereich hoher Geschwindigkeit mit niedrigem Drehmoment, in dem ein Dauereinschaltmotor wie ein Gebläse- oder Ventilatormotor allgemein arbeitet, zeigt die Kurve 150 für den erfindungsgemäßen Motor ein höheres Drehmoment als die Kurve 160 nach dem Stand der Technik.

Dadurch ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad für das Luftbewegungssystem während des normalen Motorbetriebes, wenn der Wirkungsgrad definiert wird als der mechanische Luftleistungsabgabe geteilt durch die dem Motor zugeführte elektrische Leistung. Untersuchungen haben beispielsweise ergeben, daß ein erfindungsgemäßer Gebläsemotor, der mit einer Luftbewegungsrate von 7,03 m³/min. betrieben wurde, mit einem Strom 14,7 A einen Systemwirkungsgrad von 34,2% ergab, während ein Motor nach dem Stand der Technik ohne Nuten, jedoch sonst mit gleichem Aufbau mit einer Luftlieferrate von 6,23 m³/min mit einem Strom von 13,45 A lief, mit einem Systemwirkungsgrad von 33,1%. Bei gleichen Strompegel von 14,0 A ergab der erfindungsgemäße Motor eine Luftlieferrate von 6,35 m³/min und erzeugte einen Druckunterschied der abgegebenen Luft von 0,635 kPa, und damit einen Systemwirkungsgrad von 34,3%, während der Motor nach dem Stand der Technik eine Luftlieferrate von 6,82 m³/min und einen Ausgangs-Druckunterschied von 0,570 kPa, und damit einen Systemwirkungsgrad von 33,1% ergab.

Wie Fig. 8 zeigt ist der dazu in Kauf zu nehmende Nachteil ein geringeres Anlauf- oder Festlauf-Drehmoment; jedoch haben Motoren bei dieser Anwendungsart allgemein kein Problem mit dem Anlaufdrehmoment. Insbesondere besitzt ein Gebläse- oder Ventilatormotor mehr als ausreichend Anlaufdrehmoment, da beim Anlauf praktisch kein Luftwiderstand vorhanden ist, und etwas von diesem nicht benötigten Anlaufdrehmoment kann ohne weiteres gegen eine großen Wirkungsgrad bei höherer Laufgeschwindigkeit geopfert werden, wo der Rückdruck der Luft oder des Fluides viel größer ist.

Ein weiterer unerwarteter Vorteil besteht darin, daß die Nuten zusätzlich die Geschwindigkeit/Drehmoment-Bezie­ hung des Motors zum Betrieb bei hoher Geschwindigkeit und geringem Drehmoment begünstigen und so den Wirkungsgrad eines Luftbewegungsgebläsemotors erhöhen.

Damit ergibt die Erfindung gleichzeitig eine Verminderung des durch die Drehmomentschwankungen zwischen Stator und Rotor und der zugehörigen Drehgeschwindigkeitsschwankung erzeugten Geräusches, wie auch eine Verbesserung des Systemwirkungsgrades bei Dauerbetrieb mit hoher Geschwindigkeit zur Luftbewegung.

Claims (2)

1. Motorgetriebenes Luftbewegungsgerät mit einem Motor (10), der einen Stator (12) und einen Rotor (14) besitzt, wobei entweder der Stator oder der Rotor einen Kern mit einer geraden Anzahl von identisch geformten Zähnen (113) mit gleichem Abstand besitzt, die durch Wicklungs-Aufnahmeschlitze (115) getrennt sind, während das andere Teil von Rotor oder Stator eine gerade Anzahl identisch ausgebildeter Permanentmagnetpole (46) besitzt, wobei entweder am Rotor oder am Stator ein Schrägwinkel gegenüber der Axialrichtung der Zähne oder der Pole eingehalten ist, wobei der maximale erzielbare Schrägwinkel infolge der kurzen Axialabmessung des Kernes geringer als ein Zahnabstand ist, wodurch eine Neigung zur Erzeugung einer magnetisch induziert pulsierenden Winkelgeschwindigkeit des Rotors mit hörbarer Geräuschbildung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Mittenlinie jedes der Zähne (113) des Kernes (20) eine Nut (116) vorgesehen ist, die parallel zu den Schlitzen (115), jedoch flacher als diese verläuft und keine Wicklung enthält, wobei die Nut (116) den jeweiligen Zahn (113) magnetisch und körperlich in Umfangsrichtung halbiert und so den effektiven Zahnabstand vermindert, wodurch gleichzeitig die magnetisch induzierte pulsierende Winkelgeschwindigkeit des Rotors und das sich dadurch ergebende hörbare Geräusch reduziert sind und der Systemwirkungsgrad der Kombination aus Motor und Luftbewegungsgerät bei hohen Geschwindigkeiten im Dauereinschaltbetrieb erhöht ist.

2. Motorgetriebenes Luftbewegungsgerät nach Anspruch 1, bei dem der Rotor (14) eine Welle (52) enthält, die direkt ein Gebläse (16) antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) eine Geschwindigkeit/Drehmoment-Beziehung beim Luftbewegungsbetrieb besitzt, die sich auszeichnet durch höhere Geschwindigkeiten für äquivalente Drehmomente im Betriebsbereich mit höherer Geschwindigkeit und niedrigerem Drehmoment als ein äquivalentes Gerät ohne Nuten (116), wobei der Auslegungs-Betriebsbereich des Systems der Bereich mit höherer Geschwindigkeit und niedrigerem Drehmoment ist.