DE60025182T2 - Bürstenloser synchronmotor - Google Patents

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DE60025182T2
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Motor Power Co Srl
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/16Stator cores with slots for windings
    • H02K1/165Shape, form or location of the slots

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
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  • Brushes (AREA)
  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen elektrischen Synchronmotor.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist, einen Motor vorzusehen, der ein verhältnismässig hohes maximales Drehmoment im Verhältnis zu seinem Volumen erzeugen kann.
  • Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht in der Tatsache, dass sie einfach und preiswert herzustellen und auch zu be nutzen ist.
  • 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:
  • 1 eine Ansicht im Schnitt eines ersten Ausführungsbeispiels entlang einer längsverlaufenden Ebene zeigt;
  • 2 zeigt eine Profil- oder Frontalansicht des Motors aus 1;
  • 3 zeigt ein Diagramm der elektrischen Statorwicklung des Motors aus den 1 und 2;
  • 4 zeigt eine Ansicht im Querschnitt von einem ersten Ausführungsbeispiel entlang einer Ebene lotrecht zu der Motorachse, bezeichnet durch die Linie V-V;
  • 5 zeigt eine Ansicht im Querschnitt von einem zweiten Ausführungsbeispiel entlang der in 1 mit V-V bezeichneten Linie.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Bürstenloser elektrischer Synchronmotor, enthaltend einen Stator (2) und einen Rotor (3), letzterer aufgenommen in der Mitte des Stators, wobei der Stator im Inneren eine Anzahl von Schlitzen (4) aufweist, die sich der Länge nach in einer Richtung parallel zu der Achse (x-x) des Rotors erstrecken und umlaufend um den Rotor verteilt sind, wobei die Schlitze (4) eine elektrische Statorwicklung (5) aufnehmen und innerhalb von zwei Umfangsbögen angeordnet sind, von denen jeder eine Weite (α) 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite (α) eines jeden der beiden Umfangsbögen einem ganzen Bruchteil des flachen Winkels entspricht.
  2. Motor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2), im Querschnitt gesehen, entlang einer rechtwinkligen Querschnittebene (A-A) im Verhältnis zu der Achse (x-x) des Rotors eine Abmessung kleiner als die andere hat, wobei die Umfangsbögen, innerhalb welcher die Schlitze (4) angeordnet sind, sich auf entgegengesetzten Seiten im Verhältnis zu einer Ebene (A-A) befinden, die durch die Achse (x-x) des Rotors und parallel zu der kleineren Abmessung des Stators verläuft.
  3. Motor nach einem beliebigen der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsbögen, innerhalb welcher die Schlitze (4) angeordnet sind, sich auf entgegengesetzten Seiten im Verhältnis zu einer durch die Achse (x-x) des Rotors verlaufenden Ebene (A-A) befinden; wobei die Dicke des Stators (2), berücksichtigt in einer radialen Richtung im Verhältnis zu der Achse (x-x) des Rotors, minimal in zwei Bereichen des Stators ist, die sich in der Nähe der genannten Ebene (A-A) befinden.
  4. Motor nach einem beliebigen der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2), im Querschnitt gesehen, entlang einer rechtwinkligen Querschnittsebene im Verhältnis zu der Achse (x-x) des Rotors eine rechtwinklige Form hat.
  5. Motor nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kurze Seite des rechtwinkligen Abschnittes des Stators (2) eine Länge hat, die leicht grösser ist als der Aussendurchmesser eines Luftspaltes (6), welcher den Rotor und den Stator voneinander trennt.
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