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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen elektrischen Synchronmotor.
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In
einer spezifischen, jedoch nicht ausschliesslichen Weise kann die
vorliegende Erfindung in einer automatischen Maschine oder in einem
Robotersystem verwendet werden, um ein bewegliches mechanisches
Teil anzutreiben, wie zum Beispiel eine Spindel oder einen Manipulator.
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Insbesondere
wird auf einen bürstenlosen elektrischen
Synchronmotor Bezug genommen, enthaltend einen Stator und einen
in der Mitte des Stators aufgenommenen Rotor; der Stator weist im
Inneren eine Anzahl von Schlitzen auf, welche eine elektrische Statorwicklung
aufnehmen; die Schlitze erstrecken sich der Länge nach in einer Richtung
parallel zu der Rotorachse und sind entlang dem Umfang um den Rotor
verteilt.
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Motoren
des oben erwähnten
Typs, bei welchen der Rotor umlaufende Dauermagneten hat, umgeben
koaxial von einen Luftspalt, sind weitest bekannt. Letzterer trennt
den Rotor von einem Magnetkreis des Stators, enthaltend ein Lamellenpaket,
das eingeformt die Schlitze enthält,
welche die elektrische Statorwicklung aufnehmen.
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Bei
den bekannten Motoren sind die Schlitze gleichmässig in einer Umfangsrichtung
im Verhältnis zu
dem Rotor über
den kompletten Umfang von 360° verteilt.
Allgemein haben die bekannten Motoren einen Stator mit einem quadratischen
oder kreisförmigen
Querschnitt. Motoren dieses Typs werden bereits für die Betätigung von
beweglichen Teilen von automatischen Maschinen oder Robotersystemen verwendet.
Normalerweise ist in diesen Fällen
vorgesehen, dass der Motor Arbeitszyklen mit veränderbarer Geschwindigkeit ausführt, und
zwar mit häufigen Umkehrungen
der Drehrichtung des Rotors, wobei der Motor mit Hilfe eines elektronischen
Antriebs mit Leistung gespeist wird. Daher muss der Motor in der Lage
sein, hohe Drehmomente und eine hohe mechanische Leistungsabgabe
in einem nicht kontinuierlichen Betriebszustand vorzusehen. Zu diesem Zweck
ist es notwendig, Motoren von verhältnismässig grossen Abmessungen zu
verwenden. Sei es, um die Trägheit
der rotierenden Massen zu begrenzen, sei es, um die frontalen Abmessungen
des Motors (in Höhe
und Breite) begrenzt zu halten, ist es allgemein vorzuziehen, Motoren
zu bauen, die sich der Länge nach
in einer Richtung parallel zu der Rotorachse erstrecken, anstelle
von Motoren, die sich in einer Richtung quer zu der genannten Achse
erstrecken.
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Einer
der Nachteile der bekannten Motoren des oben beschriebenen Typs
besteht in der Tatsache, dass, wenn die geforderte Höchstleistung
sehr hoch ist, der zum Erzeugen die ser Leistung notwendige Motor
frontale Abmessungen haben muss, und zwar in einer Ebene lotrecht
zu der Rotorachse, die verhältnismässig gross
sind. In bestimmten Situationen jedoch (zum Beispiel in einer automatischen
Maschine oder in einem Robotersystem) kann der verfügbare Platz
zum Montieren des Motor sehr begrenzt sein, während die geforderte maximale Überlastungsleistung
hoch ist. Folglich ist es nicht möglich, über eine bestimmte Grenze hinaus
die Abmessungen einer automatischen Maschine oder eines Robotersystems
zu reduzieren, welche einen elektrischen Servomotor des oben erwähnten Typs
verwendet, da der Servomotor auf jeden Fall erheblich grosse frontale
Abmessungen haben muss, andernfalls er nicht in der Lage sein wird,
die erforderliche Leistung zu liefern.
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Zweck
der vorliegenden Erfindung ist, den oben erwähnten Nachteil der bekannten
Technik zu vermeiden, und zwar mit Hilfe eines bürstenlosen elektrischen Synchronmotors
nach Patentanspruch 1, der verhältnismässig kleine
Abmessungen im Verhältnis
zu der maximalen Spitzenleistung hat, welche abgegeben werden kann.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist, einen Motor vorzusehen, der ein verhältnismässig hohes
maximales Drehmoment im Verhältnis
zu seinem Volumen erzeugen kann.
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Ein
anderer Vorteil der Erfindung besteht in der Tatsache, dass sie
einfach und preiswert herzustellen und auch zu be nutzen ist.
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Die
charakteristischen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
gehen deutlicher aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung
von einigen vorgezogenen, doch nicht ausschliesslichen Ausführungsformen
der genannten Erfindung hervor, dargestellt rein als ein nicht begrenzendes
Beispiel in den beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
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1 eine
Ansicht im Schnitt eines ersten Ausführungsbeispiels entlang einer
längsverlaufenden
Ebene zeigt;
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2 zeigt
eine Profil- oder Frontalansicht des Motors aus 1;
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3 zeigt
ein Diagramm der elektrischen Statorwicklung des Motors aus den 1 und 2;
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4 zeigt
eine Ansicht im Querschnitt von einem ersten Ausführungsbeispiel
entlang einer Ebene lotrecht zu der Motorachse, bezeichnet durch
die Linie V-V;
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5 zeigt
eine Ansicht im Querschnitt von einem zweiten Ausführungsbeispiel
entlang der in 1 mit V-V bezeichneten Linie.
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Bezugnehmend
auf die oben erwähnten
Abbildungen ist mit 1 in seiner Gesamtheit ein bürstenloser
elektrischer Synchronmotor bezeichnet, enthaltend einen Stator 2 und
einen in der Mitte des Stators aufgenommen Rotor 3. Der
Motor 1 kann vorteilhafterweise dazu verwendet werden,
um bewegliche Teile einer automatischen Maschine und/oder eines Ro botersystems
anzutreiben.
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Der
Stator 2 hat im Inneren eine Anzahl von Schlitzen 4,
welche eine elektrische Statorwicklung 5 aufnehmen. Die
Schlitze 4 erstrecken sich der Länge nach in einer Richtung
parallel zu der Achse x-x des Rotors und sind umlaufend um den Rotor 3 verteilt.
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Die
Schlitze 4 sind innerhalb von zwei Umfangsbögen angeordnet
sind, von denen jeder eine Weite hat, die geringer ist als ein flacher
Winkel, und die im Verhältnis
zu der Achse x-x
des Rotors auf sich diametral gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind.
Vorzugsweise ist die Weite eines jeden der beiden Umfangsbögen ungefähr einem
ganzen Bruchteil des flachen Winkels entsprechend. Im Falle der 4 beträgt die mechanische
(bzw. geometrische) Weite α eines
jeden Bogens 60°.
Im Falle der 5, welche nachstehend mehr im
Detail beschrieben wird, entspricht ist die Weite α gleich 90°. In einem anderen,
hier nicht gezeigten Beispiel kann die Weite α auch 45° betragen.
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Der
Stator 2 hat, im Querschnitt entlang einer rechtwinkligen
Querschnittsebene im Verhältnis
zu der Achse x-x des Rotors gesehen (s. 1), eine Abmessung,
welche im wesentlichen kleiner ist als die andere. Insbesondere
hat der Stator 2 eine im wesentlichen rechtwinklige Form,
gesehen im Querschnitt (s. 2). Die
kürzere
Seite des rechteckigen Schnittes des Stators hat eine Länge, die
leicht grös ser
ist als der äussere
Durchmesser eines den Rotor 3 und den Stator 2 trennenden
Luftspaltes 6.
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Die
Umfangsbögen,
innerhalb welcher die Schlitze 4 angeordnet sind, befinden
sich auf gegenüberliegenden
Seiten im Verhältnis
zu einer längsverlaufenden
Ebene A-A, welche durch die Achse x-x des Rotors und parallel zu
der kleineren Abmessung des Stators 2 verläuft. Die
Dicke des Stators, berücksichtigt
in einer radialen Richtung im Verhältnis zu der Achse x-x des
Rotors, ist in zwei Bereichen des Stators minimal, die sich in der
Nähe der
oben erwähnten
längsverlaufenden
Ebene A-A befinden, wie in den 2, 4 und 5 gesehen
werden kann. Diese Teile des Stators 2 sind dem den Rotor
und den Stator trennenden Luftspalt 6 zugewandt. Diese Teile
haben eine sehr geringe Dicke, welche, falls notwendig, die mindest
erforderliche Dicke zum Sichern der Kontinuität des Magnetkreises des Stators 2 sein
kann. Der Stator 2 enthält
ein Paket von rechteckigen Lamellen mit zwölf Schlitzen, verteilt über zwei
einander zugewandten Bögen,
zum Beispiel sechs Schlitze für
jeden Bogen. Jeder Bogen hat eine Winkelweite von 60° und befindet
sich im Verhältnis zu
der Rotorachse dem anderen Schlitzbogen diametral gegenüberliegend.
Die Schlitze in der Lamelle sind dazu bestimmt, die schematisch
in 3 gezeigte Dreiphasen-Wicklung 5 aufzunehmen.
Die Wicklung 5 hat Spannungen, welche im Verhältnis zueinander
um 120° pha senverschoben
sind. Jede Phase der Statorwicklung ist vier Schlitzen zugeordnet,
mit zwei Schlitzen für
jeden Phasenpol.
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Der
Rotor ist so ausgelegt, dass er sechs Magnetpole bildet. Es ist
möglich,
den Motor mit einem bürstenlosen
Betrieb von bekanntem Typ arbeiten zu lassen, und zwar unter Verwendung
von Hall-Sonden, die in Übereinstimmung
mit der Struktur eines bürstenlosen
Motors mit sechs Polen des bekannten Typs positioniert sind.
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Der
Motor 1 hat eine geringe Breite, obwohl er in der Lage
ist, eine verhältnismässig hohe
Spitzenleistung zu liefern. Insbesondere hat man gefunden, dass
der Motor 1 geeignet ist, Spitzendrehmomente zu erreichen,
die fast dieselben sind wie jene eines Elektromotors von bekanntem
Typ mit sechs Statorpolen und sechs Rotorpolen, der im wesentlichen
denselben Rotordurchmesser und dieselben Höhen- und Längenabmessungen hat wie der
oben beschriebene Motor, aber mit grösseren Abmessungen in der Breite,
zurückzuführen auf
die Tatsache, dass die Schlitze zur Aufnahme des Stators über 360° um die Rotorachse
verteilt sind. Beim Vergleich des Motors wie in den Abbildungen
von 1 bis 3 mit dem bekannten, oben beschriebenen
Motor, ist die kontinuierliche Leistungsabgabe durch ersteren etwa
ein Drittel von der Abgabe durch letzteren, während die Spitzenleistung in
einem Überlastungszustand,
die durch den ersten Motor abgegeben wer den kann, praktisch die
gleiche oder auf jeden Fall nur leicht geringer ist als jene, die
durch den zweiten Motor abgegeben werden kann; dies ist scheinbar auf
die Tatsache zurückzuführen, dass
der Rotordurchmesser in beiden Fällen
derselbe ist. Bei Anwendungen, bei denen eine hohe, nicht kontinuierliche
Spitzenleistungsabgabe anstelle einer hohen kontinuierlichen Leistungsabgabe
erforderlich ist (zum Beispiel, um bewegliche Teile einer automatischen
Maschine oder eines Robotersystems anzutreiben), bietet der erste
Motor den Vorteil, dass er frontale Abmessungen aufweist, die entschieden kleiner
sind. In dem Beispiel wie in 5 wurden dieselben
Nummern wie in 4 verwendet, um die gleichen
Teile zu bezeichnen. Der Rotor 3 hat acht Magnetpole. Das
Lamellenpaket des Stators hat zwölf
Schlitze 4, verteilt in zwei Gruppen von sechs, die im
Verhältnis
zu der Achse x-x des Rotors 3 sich gegenüberliegend
angeordnet sind. Jede Gruppe von Schlitzen ist um den Rotor 3 in
einem Umfangsbogen angeordnet, der eine Weite α entsprechend 90° hat.
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Mit
dem Motor 1 wie in 5 ist es
möglich, ungefähr die Hälfte der
kontinuierlichen Leistung zu erhalten, jedoch Spitzendrehmomente,
die fast dieselben wie jene eines Elektromotors von bekanntem Typ
mit acht Statorpolen und acht Rotorpolen sind, und zwar mit demselben
Rotordurchmesser und den Schlitzen zur Aufnahme des elektrischen Statorkreises,
die um 360° verteilt
sind. In diesem Falle sind ebenfalls die Breitenabmessungen des
betreffenden Motors geringer als jene des Motors von bekanntem Typ,
in der Lage, dieselbe Spitzenleistung abzugeben.