DE3740725C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein motorgetriebenes Luftbewegungsgerät
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.
Derartige Luftbewegungsgeräte sind so ausgelegt, daß sie mit
hoher Geschwindigkeit im Dauereinschaltbetrieb arbeiten können.
Der verwendete Motor ist dabei 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 wesentlicher Faktor zum Geräusch
beim Motorbetrieb bei.
Aus der US-PS 10 46 834 ist es bei elektrischen Maschinen,
insbesondere bei Asynchronmaschinen bekannt, zur Geräuschverminderung
mit zur Achsrichtung schräg verlaufenden Nuten
zu arbeiten.
Diese Nut-Schräglage soll die magnetisch induzierte Winkelgeschwindigkeitsschwankung
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.
Aus der FR-PS 6 95 797 ist ein Elektromotor bekannt, der aus
einem Rotor und einem Stator besteht, wobei der Rotor einen
Kern mit identisch geformten Zähnen aufweist, die durch
ebenfalls identisch geformte Wicklungs-Aufnahmeschlitze voneinander
getrennt sind. Zum Zwecke einer Geräuschverminderung
beim Betrieb dieses Elektromotors ist längs der Mittellinien
der Zähne jeweils eine in gleicher Weise wie die
Wicklungs-Aufnahmeschlitze achsparallel verlaufende Nut vorgesehen,
die keine Wicklung enthält.
Besondere Probleme hinsichtlich der Geräuschentwicklung von
Motoren, wie sie für Luftbewegungsgeräte verwendet werden,
entstehen dann, wenn Anker mit geringer Stapelbreite, d. h.
einem im Vergleich zu seinem Zahnabstand kurzen Paket eingesetzt
werden müssen, da in diesen Fällen der sich ergebende
optimale Schrägwinkel für die praktische Fertigung häufig
zu groß ist.
Der große Winkel führt nämlich zu verengten effektiven
Schlitzen, 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.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein motorgetriebenes
Luftbewegungsgerät mit einem Motor zu schaffen, der eine
geringe Kernbreite aufweist und bei gleichzeitiger Erhöhung
des Wirkungsgrades trotzdem eine deutliche Reduzierung der
Geräuschentwicklung erbringt.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruchs gelöst.
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 Nut 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 die 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 einen 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 (1)
- Motorgetriebenes Luftbewegungsgerät mit einem Motor (10), der einen Stator (12) und einen Rotor (14) besitzt, wobei entweder der Stator oder der Rotor (14) einen Kern (20) mit einer geraden Anzahl von identisch geformten Zähnen (113) mit gleichem Abstand besitzt, die durch Wicklungs-Aufnahmeschlitze (115) voneinander getrennt sind, wobei längs der Mittellinien der Zähne (113) des Kerns (20) Nuten (116) vorgesehen sind, die parallel zu den Wicklungs-Aufnahmeschlitzen (115), jedoch flacher als diese verlaufen und keine Wicklung enthalten, während der zugehörige Rotor oder Stator eine gerade Anzahl identisch ausgebildeter Permanentmagnetpole (46) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß entweder sowohl die Zähne (113) als auch die keine Wicklung enthaltenden Nuten (116) oder die Permanentmagnetpole (46) mit der Rotorachse einen schrägen Winkel bilden.
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