DE69015911T2

DE69015911T2 - Motor.

Info

Publication number: DE69015911T2
Application number: DE69015911T
Authority: DE
Inventors: Yoji Arita
Original assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Current assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Priority date: 1989-07-21
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2010-07-21
Also published as: CA2021663A1; EP0409661B1; DE69015911D1; EP0409661A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Eletromotor des Typs mit Permanentmagnetfeldsystem und einem Ankerkern. Insbesondere betrifft die Erfindung Maßnahmen zum Verringern von Verzahnungsdrehmomenten und Drehmomentwelligkeit in derartigen Motoren, und sie ist anwendbar auf Radialspalt- und auf Axialspalt-Motoren.
Die übliche Augestaltung herkömmlicher Motoren dieses Types besaß ein Magnetfeldsystem aus einer geraden Anzahl von in einem Kreis angeordneten Permanentmagnetpolen, wobei die beiden oder jeweils zwei benachbarte Pole entgegengesetzte Polarität besitzen. Der Anker hat eine Anzahl von Polen, deren jeder mit einem Endabschnitt dem Magnetfeldsystem zugewandt ist und mit diesem einen Magnetluftspalt definiert, über den sich der magnetische Fluß erstreckt, um beim Betrieb des Motors Drehmoment zu erzeugen. Bei dem herkömmlichen Motor besitzt das Feldmagnetsystem eine Induktionsflußerzeugungsfläche, deren Breitenerstreckung senkrecht zur Drehrichtung des Ankers konstant ist. In anderen Worten, die Breitenabmessung h(θ) ist als Funktion des Winkels θ bzgl. der Drehachse konstant.
In Figur 14(a) ist eine schematische Querschnittansicht eines herkömmlichen Motors dargestellt, der im wesentlichen zwei Magnetpolstücke 1, ein magentisches Joch 2 und eine Anker 3 aufweist. Die magnetischen Polstücke 1, jeweils aus einem halbkreisförmigen Permanentmagneten gebildet, sind an dem magnetischen Joch 2 fixiert und derart in einem Kreis angeordnet, daß die magnetischen Pole, die dem Anker 3 zugewandt sind, ein N-Pol bzw. S-Pol sind. Der Anker 3 ist um eine Drehachse 5 drehbar und besitzt drei vorstehend Pole, deren äußere Enden sich ein vorbestimmtes Stück in Umfangsrichtung erstrecken. Jeder der vorstehenden Pole besitzt eine auf ihn aufgewickelte Spule 4 und wird in bekannter Weise erregt. Die Stirnfläche jedes vorstehenden Pols liegt den Magnetpolen der Magnetpolstücke über einen Spalt g gegenüber. Die Drehachse 5 ist zusammen mit dem Anker 3 und den Magnetpolstücken 1 durch ein (nicht dargestelltes) Lagerteil gehaltert. Figur 14b veranschaulicht die Verteilung der magnetischen Flußdichte auf der Magnetpoloberfläche in Drehrichtung des Motors. In einem derartigen herkömmlichen Motor war ein Verzahnungsdrehmoment deshalb ein ernsthaftes Problem, weil es ein gravierends Problem der Drehmomentwelligkeit verursacht. Aus diesem Grund wurden verschiedene Methoden vorgeschlagen, um das Verzahnungsdremoment zu verringern. Eine von ihnen sieht z.B. Maßnahmen vor, die Magnetisierung der Magnetpolstücke 1 in Drehrichtung des Motors sinusförmig zu verteilen, eine andere Methode sieht Maßnahmen vorf, um einen Magnitisierungswinkel der Magnetisierung der Magnetpolstücke 1 zu steuern (vgl. die japanische Patent-OS 61-254 045/1986). Keine der Methoden war allerdings erfolgreich beim Versuch, das Verzahnungsdrehmoment vollständig zu beseitigen.
Die veröffentlichte japanische Patentanmeldung JP-A-59 144 348 offenbart einen Elektromotor der oben angegebenen Art, bei dem die Breitenerstreckung h(θ) der Induktionsflußerzeugungsfläche nicht konstant ist. In dem in dieser Beschreibung beschriebenen Feldmagnetsystem ändert sich die Abmessung h(θ) mit θ in der Weise, das die Verteilung des Induktionsflusses um das Feldsystem herum sinusförmig ist. Zweck dieser Verteilung soll es sein, Verzahnungsdrehmomente zu verringern. Die Beschreibung befaßt sich nicht mit dem Problem der Verringerung der Drehmomentwelligkeit.
Allgemein gesprochen schafft die vorliegende Erfindung einen Elektromotor des Typs mit einem Feldmagnetsystem, welches eines gerade Anzahl m von Permanentmagnetpolen aufweist, die in einem Kreis angeordnet sind, wobei die beiden oder jeweils zwei benachbarte Pole entgegengesetzte Polarität (N, S) aufweisen, mit einem Anker, der eine Anzahl von p Polen aufweist, die jeweils mit einem Endabschnitt dem Feldmagnetsystem zugewandt sind und mit diesem einen Magnetluftspalt bildet, über den sich magnetischer Fluß erstreckt, um beim Motorbetrieb Drehmoment zu erzeugen,
wobei das Feldmagnetsystem eine Induktionsfluß-Erzeugungsfläche aufweist, deren Breitenabmessung h(θ) senkrecht zur Drehrichtung des Ankers nicht konstant ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Breitenabmessung h(θ) mit einem Drehwinkel (θ) des Ankers änder und eine sinusförmige Grundkomponente zusammen mit einer ausgewählten Verteilung von Oberwellenkomponenten entsprechend folgender Formel aufweist:
wobei n eine natürliche Zahl (i x j) ± 1 mit j als gerade Zahl von 2 bis 20 ist,
an ein Koeffizient für Cosinuskomponenten ist,
bn ein Koeffizient für Sinuskomponenten und zumindest für einen Wert von n nicht null ist,
T eine Drehzeitspanne des Ankers über einen Winkel ist, welcher der Umfangslänge eines Paares benachbarter N- und S- Pole entspricht,
i eine natürliche Zahl ist, gegeben durch p/q mit q als größtes gemeinsames Maß von m/2 und p, und
ho gleich H ist, wenn 0 ≤ θ < π, und gleich -H ist, wenn π ≤ θ < 2π, wenn H eine Standardbreitenabmessung des Feldmagnetsystems ist.
In der obigen Formel (1) bedeutet "Standardbreitenabmessung" eine konstante Breitenabmessung bei der keinerlei Änderung vorgesehen ist. Das Vorzeichen von H bedeutet lediglich die zugehörige Polarität. Bei Anwendung der Erfindung auf eine bekannte Ausgestaltung des herkömmlichen Motors entspricht die Breitenabmessung der konstanten Breitenabmessung des Feldmagnetsystems des herkömmlichen Motors und beinhaltet nicht die Polaritätsänderung. Bei dem herkömmlichen Motor ist h gleich H, wenn 0 ≤ θ < π, und ist gleich -H, wenn π ≤ θ < 2π, und die Koeffizienten an und bn sind sämtlich null.
Ein der obigen Formel genügende Feldmagnetsystem kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Genauer gesagt, den Permanentmagneten kann ein spezifisches magnetisiertes Muster gegeben werden, oder man kann die Form der Permanentmagneten derart steuern, daß die Breitenabmessung die obigen Bedingungen erfüllt. Darüber hinaus kann ein Teil der Magnetpoloberfläche der Permanentmagneten mit einem dünnen weichmagnetischen Material abgedeckt werden, so daß die Breitenabmessung der effektiven Magnetpolflächen, welche den Polen des Ankers gegenüberstehen, die obigen Bedinungsen erfüllt.
Mit einem solchen Aufbau läßt sich ein Verzahnungsdrehmoment in ausreichender Maß verringern, und es läßt sich auch eine Drehmomentwelligkeit unter der Bedinung beseitigen, daß im wesentlichen ein Null- Verzahnungsdrehmoment vorliegt.
Die vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Trimmen eines Drehmomentverlaufs eines Motors mit einem Feldmagnetsystem mit konstanter Breitenabmessung, welches mehere Permanentmagnetpole aufweist, die derart in einem Kreis angeordnet sind, daß die benachbarten zwei Permanentmagnetpole einander entgegengesetzte Polarität aufweisen, und mit einem Anker mit mehreren Polen, deren jeweilige Stirnflächen den Magnetpolen des Feldmagnetsystems gegenüberliegen, wobei des Verfahren die Schrite aufweist: Messen der Verteilung des von dem Feldmagnetsystem erzeugten magnetischen Flusses relativ zu dem Drehwinkel des Ankers; Ermitteln der Oberwellenkomponenten des von dem Feldmagnetsystem erzeugten magnetischen Flusses durch Reihenentwicklung einer Funktion, welche die Verteilungskurve des magnetischen Flusses ausdrückt; Messen des von dem Feldmagnetsystem relativ zu dem Drehwinkel des Ankers erzeugten Verzahnungs-Drehmoments;Untersuchung der Zeziehung zwischen den Oberwellenkomponenten des magnetischen Flusses und dem Verzahnungsdrehmoment; und Einstellen der Breitenabmessung (h(θ)) der Induktionsfluß-Erzeugungsfläche des Feldmagnetsystems durch in Breitenabmessung erfolgendes Einbauen der Änderung, welche den ausgewählten Oberwellenkomponenten entspricht, die das zu beseitigende Verzahnungsdrehmoment verursachen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1(a) ist eine schematische Querschnittansicht eines Motors gemäß der Erfindung,
Figure 1(b) ist eine perspektivische Ansichgt, welche ein Magnetpolstück darstellt, das in Figure 1 gezeigt ist.
Figure 1(c) ist eine vorderseitige Abwicklung eines witeren Beispiels eines in Figure 1 gezeigten Magnetpolstücks,
Figur 1(d) ist eine perspektivisce Ansicht, welche die Magnetpolstücke nach Figure 1(c) veranschaulicht,
Figuren 2(a) bis 2(d) erklären, wie der Mode fünfter Ordnung der Grundmode hinzuzufügen ist,
Figur 2(a) ist eine Ansicht, die schematisch den Mode fünfter Ordnung zeigt,
Figure 2(b) ist eine schematische Ansicht des Grundmoden,
Figure 2(c) ist eine Ansicht, welche eine Magnetpoloberfläche darstellt, die in sich eine Induktionsflußerzeugungsfläche aufweist,
Figur 2(d) ist eine Ansicht, welche eine Magnetpolfläche darstellt, deren gesamte Fläche mit einer Induktionsflußerzeugungsfläche übereinstimmt,
Figur 3 ist eine Ansicht, welche die Verteilung der Komponenten der magnetischen Flußdichte an der Magnetpoloberfäche eines herkömmlichen Motors gemäß Figure 14(a) relativ zu der Drehrichtung veranschaulicht,
Figur 4 ist eine Ansicht, die den Verzahnungsdrehmomentverlauf des herkömmlichen Motors gemäß Figur 14(a) veranschaulicht,
Figur 5(a) ist eine Ansicht, die das magnetisierte Muster der Permanentmagneten des herkömmlichen Motors veranschaulicht, in den die Moden fünfter Ordnung und siebter Ordnung gemäß der Erfindung inkorporiert sind,
Figur 5(b) ist eine Ansicht, welche die Magnetform der Permanentmagneten veranschaulicht, in die Moden fünfter Ordnung und siebter Ordnung erfindungsgemäß inkorporiert sind,
Figur 6 ist eine Ansicht des Verzahnungsdrehmoment-Verlaufs des Motors unter Verwendung der Permanentmagneten gemäß Figur 5(a) und (b),
Figur 7(a) ist eine Ansicht, die das magnetisierte Muster der Permanentmagneten des Motors nach Figur 14(a), in den nur der Mode fünfter Ordnung erfindungsgemäß inkorporiert ist,
Figur 7(b) ist eine Ansicht der Magnetform der Permanentmagneten des Motors nach Figur 14(a), in der lediglich der Mode fünfter Ordnung gemäß der Erfindung inkorpiert ist,
Figur 8 ist eine Ansicht des Verzahnungsdrehmomentveralufs des Motors unter Verwendung der Permanentmagneten nach Figur 7(a) und (b);
Figur 9(a) ist eine Ansicht, welche das magnetisierte Muster der Permanentmagneten des Motors nach Figure 14(a) veranschaulicht, in den Moden fünfter Ordnung und siebter Ordnung gemäß der Erfindung inkorporiert sind,
Figur 9(b) ist eine Ansicht, welche die Magnetform der Permanentmagneten des Motors nach Figur 14(a) veranschaulicht, in die Moden fünfter Ordnung und siebter Ordnung gemäß der Erfindung eingebaut sind,
Figur 10 ist eine Ansicht des Verzahnungsdrehmoment-Verlaufs des Motors unter Verwendung der Permanentmagneten nach Figur 9(a) und (b).
Figur 11 ist eine Ansicht des Antriebsmoment-Verlaufs für den Fall, daß in die Permanentmagneten des herkömmlichen Motors nach Figur 14(a) der Mode fünfter Ordnung eingebaut ist,
Figur 12 ist eine Ansicht, die die Komponentenverteilung der magnetischen Oberflächen-Flußdichte des herkömmlichen Motors nach Figur 18 unter Verwendung eines Feldmagnetsystems mit C-förmigen Permanentmagneten veranschaulicht,
Figur 13 ist eine Ansicht des Antriebsmoment-Verlaufs für dem Fall, daß der Mode fünfter Ordnung in die Permanentmagneten des herkömmlichen Motors nach Figur 18 eingebaut ist,
Figur 14(a) ist eine schematische Querschnittansicht eines herkömmlichen Motors mit Permanentmagneten, deren Magnetisierung in radialer Richtung verläuft;
Figur 14(b) ist eine Ansicht zum Veranschaulichen der magnetischen Oberflächenflußdichte an der Magnetpoloberfläche des Motors nach Figur 14(a),
Figur 15(a) ist eine schematische Querschnittansichtg eines herkömmlichen Motors mit Permanentmagneten, deren Magnetisierung entlang einer spezifizierten Richtung verläuft,
Figur 15(b) ist eine Ansicht zum Veranschaulichen der magnetischen Oberflächenflußdichte an der Magnetpoloberfläche des Motors nach Figur 15(a),
Figur 16 ist eine schematische Schnittansicht eines herkömmlichen Motors mit vier Permanentmagneten und fünf vorstehenden Polen,
Figur 17 ist eine schematisch Querschnittansicht eines herkömmlichen Motors, dessen vorstehender Pol eine in ihm ausgebildetes Hilfsnut besitzt, und
Figur 18 ist eine schematisch Querschnittansicht eines herkömmlichen Motors mit C-förmigen Permanentmagneten.
Das Grundprinzip, auf dem die vorliegende Erfindung basiert, wird vor der Erläuterung der Ausführungsbeispiele beschrieben. Zu diesem Zweck wird als Beispiel der einfachste Motor mit zwei Magnetpolen und drei vorstehenden Polen gemäß Figur 14(a) angegeben.
Grundsätzlich drückt sich das Drehmoment TQ eines Radialspalt-Motors durch folgende Gleichung (2) aus:
wobei Fr (θ) ein Betrag des magnetischen Flusses entlang der radialen Richtung des Spalts g ist,
Fθ (θ) ein Betrag des magnetischen Flusses entlang der Drehrichtung des Spalts g ist,
R ein Radius an der Stelle des Spalts G ist, und
νo eine Reluktivität in dem Spalt g ist.
In Figur 14(a) ist als ein Winkel angegeben, der sich in Drehrichtung des Motors über die Poloberfläche des vorstehenden Pols erstreckt, während θ&sub0; als Winkel angegeben ist, der durch - in Drehrichtrung des Motors gesehen - ein Ende der Poloberfläche des vorstehenden Pols und einer Referenz-Winkelposition gebildet wird. Wie in der obigen Gleichung (2) ausgedrückt ist, kann man, weil das Drehmoment TQ entsprechend dem Produkt Fr(θ) erzeugt wird, davon ausgehen, daß das Drehmoment TQ nur innerhalb des Spalts zwischen dem vorstehenden Pol und dem Permanentmagneten erzeugt wird, wo die magnetische Flußdichte groß wird. Es reicht also aus, das Integral in der obigen Gleichung (2) nur über den Bereich innerhalb des Spalts zu bilden, wo der Vorstehende Pol vorhanden ist.
Wenn man von der Annahme ausgeht, daß Fr(θ), also der Betrag des magnetischen Flusses in radialer Richtung, durch die Magnetpole der Magnetpolstücke 1 erzeugt wird, läßt sich die Verteilung des magnetischen Flusses relativ zu dem Drehwinkel in einer zusammengesetzten Form der Sinuswellen-Grundkomponente und Sinuswellen-Oberwellenkomponenten ausdrücken. Wenn nämlich T definiert wird als eine Drehzeitspanne des Ankers über einen Winkel, der einem Paar aus einem N- Pol und einem S-Pol entspricht, was in diesem Fall 2π entspricht, so läßt sich 2πnθ/T als nθ schreiben und mann kann dann Fr(θ) folgendermaßen ausdrücken:
wobei F&sub0; eine Konstante, n eine natürliche Zahl größer als 1 und βn ein Mischverhältnis der Komponente n-ter Ordnung zu der Grundkomponente (erster Ordnung) ist.
Wenn βn als (bn/b&sub1;) geschrieben wird und F&sub0; gleich b&sub1; in der obigen Gleichung (3) ist, stimmt die Form der umgeschriebenen Gleichung mit derjenigen der Gleichung (1) überein, bei der sowohl die Konstante h&sub0; als auch die Cosinus-Komponenten null sind. Daher versteht sich, daß der Betrag des magnetischen Flusses Fr(θ) eine lineare Beziehung zu der Breitenerstreckung h(θ) der Induktionsflußerzeugungsfläche hat.
Der Betrag des Induktionsflusses Fθ(θ) entlang der Drehrichtung läßt sich erhalten durch Differenzieren von Fr(θ) nach dem Drehwinkel, was sich folgendermaßen darstellt:
Betrachtet man nun lediglich die Grundwellenkomponente und die (spezifizierte) Wellenkomponente der n-ten Ordnung in dem Produkt von Fr(θ) Fθ(θ) in der obigen Gleichung (2), so wird das Produkt wie folgt umgeschrieben:
In der obigen Gleichung (5) ist der letzte Term vernachlässigbar, weil das Verhältnis βn der Wellenkomponente der n-ten Ordnung zu der Grundwellenkomponente gewöhnlich klein ist und deshalt βn² als beträchlicht kleiner als 1 angesehen werden kann (βn² « 1).
Wenn der magnetische Fluß Fr(θ), der von dem Magnetpolstück 1 erzeugt wird, nur die Komponente k-ter Ordnung enthält, läßt sich das Produkt Fr(θ) F&sub0;(θ) in der obigen Gleichung (2) folgendermaßen umschreiben:
Wenn der von den Magnetpolstücken 1 erzeugte magnetische Fluß eine einzelne Sinuswellenkomponente höherer Ordnung aufweist, wird ein Verzahnungsdrehmomente erzeugt, wenn die Ordnung einem ganzzahligen Vielfachen der Anzahl der vorstehenden Pole (3, 6, 9,...) im vorliegenden Motor gleicht, ansonsten wird kein Verzahnungsdrehmoment erzeugt. In anderen Worten: Bei diesem Motor wird dann ein Verzahnungsdrehmoment erzeugt, wenn n±1 gleich einem ganzzahligen Vielfachen von 3 in der obigen Gleichung (5) ist. Vergleicht man die Gleichungen (5) und (6), so wird deutlich verständlich, daß n±1 dem Wert 2k entspricht. Es wird nämlich dann ein Verzahnungsdrehmoment in diesem Motor erzeugt, wenn der Mode n-ter Ordnung des magnetischen Flusses, der die Bedingung erfüllt, daß (n±1)/2 gleich einem Vielfachen von 3 ist, auf den Grund-Mode addiert wird. Im Fall von n = 5 bspw. wird kann kein Verzahnungsdrehmoment erzeugt, wenn nur der Mode fünfter Ordnung in dem magnetischen Fluß existiert, jedoch wir ein Verzahnungdrehmoment aufgrund eines einzelnen Moden dritter Ordnung erezeugt, wenn nur ein kleiner Betrag des Moden fünfter Ordnung auf die Grundwelle addiert wird, d.h., wenn (5±1)/2=3. Wenn hingegen der Mode höherer Ordnung, der möglicherweise ein Verzahnungsdrehmoment selbst erzeugt, mit dem Grund-Mode kombiniert wird, beeinflußt der Mode höherer Ordnung lediglich den Term βn² in der Gleichung (5), so daß deshalb ein geringes Verzahnungsdrehmoment erzeugt wird.
Es wird nun vorgeschlagen, das Verzahnungsdrehmoment zu beseitigen, indem die Breitenerstreckung der Induktionsflußerzeugungsfläche des Feldmagnetsystems dadurch eingestellt wird, daß in die Breitenerstreckung diejenige Änderung eingebaut wird, die den ausgewählten Oberwellenkomponenten entspricht, die das Verzahnungsdrehmoment hervorrufen.
Die Anzahl m der vorstehenden Pole stimmt bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung überein mit der Anzahl von Spulen 4, welche jede Phase im Fall eines Motors bilden, der mit normal konzentrierten Wicklungen versehen ist, wie es in Figur 14(a) gezeigt ist. Allerdings ist in dem Fall eines Motors, der mit einer großen Anzahl vorstehender Pole und verteilter Wicklungen ausgestattet ist, wie dies in Figur 16 zu sehen ist, die Anzahl m nicht gleich der Anzahl von Spulen 4, sondern entspricht der Anzahl der vorstehenden Pole selbst. Darüberhinaus ist im Fall eines Motors mit vorstehenden Hauptpolen, in denen jeweils eine Hilfsnut gemäß Figur 17 ausgebildet ist, die Anzahl m die Zahl dieser kleinen vorstehenden Abschnitte.
Im folgenden werden Ausführungsformen beschrieben, die auf dem Grundprinzip der vorliegenden Erfindung basieren.
Figur 1(a) bis 1(d) sind schematische Ansichten, die die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, bei der as Grundprinzip Anwendung findet, auf den Radialspalt-Motor mit zwei Magnetpolen, drei ausgeprägten Polen und konzentrierten Wicklungen (nicht dargestellt), wie dies in Figur 14(a) gezeigt ist. Bei diesem Motor besitzen die Magnetpolstücke 1 eine magnetisierte Fläche, deren Breitenerstreckung h senkrecht zur Motordrehrichtung einen Einstellbetrag aufweist, welcher den Oberwellenkomponenten entspricht, wie dies in Figur 1(b) gezeigt ist, oder aber die Magnetstücke besitzen eine Form, deren Breienerstreckung einen Justieranteil entsprechend der Oberwellenkomponente enthält, wie dies in Figur 1(c) und (d) dargestellt ist. Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet die Breitenerstreckung h die Länge der magnetisierten Fläche entlange der Richtung der Motordrehachse im Fall eines Radialspalt-Motors, und bedeutet eine Länge der Fläche entlang der radialen Richtung des Motors im Fall eines Axialspaltmotors.
Figur 2(a) bis 2(d) sind schematische Ansichten, die das Verfahren zum Einbauen der Oberwellenkomponenten fünfter Ordung in die Grundwellenkomponente erläutern. Figur 2(a) zeigt den Moden fünfter Ordnung, und Figur 2(b) zeigt den Grund-Mode, wobei zur Vereinfachung die Form des Grund-Moden nicht durch eine Sinuswelle, sondern durch ein Rechteck in Figur 2(b) angegeben ist. Die Kombination der Moden nach den Figuren 2(a) und 2(b) führt zu dem Muster nach Figur 2(c) oder der Form nach Figur 2(d). Es versteht sich, daß nur eine Änderung der Breitenrichtung der Magnetisierungsfläche der Permanentmagneten die Möglichkeit gibt, einen Moden höherer Ordnung in den Grundmoden einzubauen.
Die Magnetisierungsrichtung des in dem herkömmlichen Motor verwendeten Permanentmagneten verläuft üblicherweise in radialer Richtung, wie dies in Figur 14(a) gezeigt ist, oder entlang einer spezifizierten einen Richtung, wie dies in Figur 15(a) gezeigt ist. Der Induktionsfluß an der Magnetpoloberfläche der Magnetstücke (1) verteilt sich in Sinusform im Fall des Motors nach Figur 15(a) und in Rechteck- oder Trapezform im Fall des Motors nach Figur 14(a). Aber selbst wenn sich der Induktionsfluß in Rechteck- oder Trapezform verteilt, ist, wenn eine die Verteilung des Induktsionsflusses repräsentierende Funktion in eine Fourier-Reihe entwickelt wird, ihre größte Komponente die Welle erster Ordnung oder Grundwelle. Folglich reicht es aus, den Einbau des Moden höherer Ordnung in den Grund-Moden zu untersuchen.
Figur 3 zeigt die Verteilung des magnetischen Flusses an der Magnetpoloberfläche der Magnetpolstücke 1 in dem herkömmlichen Motor gemäß Figur 14(a). Dieser magnetische Fluß enthält zusätzlich zu dem Grund- Moden Moden höherer, ungeradzahliger Ordnung. Das Verzahnungsdrehmoment dieses Motors ist in Figur 4 gezeigt. Wie aus Figure 4 hervorgeht, enthält das Verzahnungsdrehmoment Komponenten mit Perioden von 60º, 30º und 15º. Wie oben beschrieben, wird die Verzahnungsdrehmoment-Komponente mit einer Period von 60º aus den Komponenten des magnetischen Flusses fünfter Ordnung und siebter Ordnung erzeugt. Die Verzahnungsdrehmomentkomponente mit der Periode von 30º wird aus den Komponenten elfter Ordnung und dreizehnter Ordnung erzegut. Die Verzahnungsdrehmomentenkomponente mit einer Period von 15º wird aus den Komponenten sibzehnter Ordnung und neunzahnter Ordnung erzeugt.
Figuren 5(a) und 5(b) zeigen ein magnetisiertes Muster bzw. eine Magnetform, bei der in den Grund-Moden -8% des Moden fünfter Ordnung und -3% des Moden siebter Ordnung eingebaut sind, um den Moden fünfter Ordnung und siebter Ordnung zu eliminieren, die ursprünglich in den Permanentmagneten enthalten waren. Das von dem Motor mit derartigen Permanentmagneten erzeugte Verzahnungsdrehmoment ist in Figur 6 dargestellt.
Aus Figur 6 ergibt sich deutlich, daß die Verringerung des Moden fünfter Ordnung und des Moden siebter Ordnung des Induktionsflusses zu einer Beseitigung praktisch sämtlichen Verzahnungs-Drehmoments mit einer Periode von 60º führt und lediglich die Verzahnungsdrehmomente der Moden höherer Ordnung übrigläßt. Das Verzahnungsdrehmoment mit einer Periode von 30º läßt sich in der gleichen Weise wie oben dargestellt reduzieren, indem man in das magnetisierte Muster oder in die Magnetform den Moden elfter Ordnung und dreizehnter Ordnung einbaut.
Figuren 7(a) und (b) zeigen schematisch ein magetisiertes Muster bzw. eine Magnetform, bei der -5% des Moden fünfter Ordnung in den Grund-Moden eingebaut ist, so daß die Komponente fünfter Ordnung mit der Komponente siebter Ordnung des von den Magnetpolen der Magnetpolstücke 1 erzeugten Induktionsflusses zusammenfällt. Auch in diesem Fall erweist sich gemäß Figur 8 das Verzahnungsdrehmoment mit einer Periode von 60º als sehr klein. Das von dem Moden fünfter Ordnung des Induktionsflusses erzeugte Verzahnungsdrehmoment besitzt nämlich eine entgegensetzte Phaze bzgl. der Phase, die von dem Moden siebter Ordnung erzeugt wird. Als Ergebnis wird selbst dann, wenn ein magnetisiertes Muster oder eine Magnetform sowohl die Komponente fünfter als auch die Komponente siebter Ordnung enthält, das geamte Verzahnungsdrehmoment auch dan so klein, wenn der Betrag (einschließlich positiver und negativer Vorzeichen) der ersteren Komponente sich an dem gleichen Grad wie die letztere Komponente befindet und das Vorzeichen der ersteren das gleiche ist wie das der letzteren. Dieses Phänomen ist sehr wichtig. Die Moden, wie z.B. diejenige fünfter Ordnung oder siebter Ordnung hat eine große Auswirkung auf das Antriebsmoment-Muster. Wenn ein geeigneter Betrag des Moden fünfter Ordnung oder des Moden siebter Ordnung in eine magnetisiertes Muster oder eine Magnetform abhängig von einer Antriebsform des Motors eingebaut wird, wird das Verzahnungsdrehmoment praktisch dann null, wenn die Absolutwerte von ihnen identisch sind. Folglich läßt sich ein Antriebsmoment-Muster mit der Bedingung eines Verzahnungsdrehmoments von null einstellen.
Figuren 9(a) und 9(b) zeigen schematisch ein magnetisiertes Muster und eine Magnetform der Permanentmagneten des in Figur 14(a) dargestellten Motors, in den der Mode fünfter Ordnung und der Mode elfter Ordnung eingebaut sind. Auch in diesem Fall wird das Verzahnungsdrehmoment beträchtlich reduziert, wie aus Figure 10 hervorgeht.
Figur 16 zeigt einen herkömmlichen Motor, der mit vier Magnetpolen, die als übliche Permanentmagneten ausgebildet sind, fünfzehn vorstehenden Polen und verteilten Wicklungen ausgestattet ist, womit er sich als Wechselstrom-Servomotor eignet. Dieser Motor erzeugt ein Verzahnungsdrehmoment, welches eine große Anzahl von Komponenten mit einer Periode von 3º, 6º, ... aufweist. Die Erfindung kann auf diesen Motor folgendermaßen angewendet werden:
In dem Motor gilt:
m = 4 (Anzahl der Magnetpole)
p = 15 (Anzahl der vorstehenden Pole),
q = 1 (größtes gemeinsames Maß von m/2 und p),
i = 15 (p/q), und
j = 2 (eine gerade Zahl von 2 bis 20, wobei jedoch zur Vereinfachung j in diesem Beispiel auf 2 eingestellt ist).
Daher gilt n = (i x j) ± 1
= (15 x 2) ± 1 = 31 oder 29.
Unter Verwendung der obigen Werte läßt sich die Gleichung (1) folgendermaßen umschreiben:
Die Koeffizienten b&sub2;&sub9; und b&sub3;&sub1; lassen sich einem charakteristichen Teil des Verzahnungsdrehmoments bestimmten, um das Verzahnungsdrehmoment zu minimieren.
Figur 17 zeigt einen anderen Typ eines herkömmlichen Motors mit vorstehenden Polen, in denen jeweils eine Hilfsnut ausgebildet ist. Wenn die vorliegenden Erfindung auf diesen Motor angewendet wird, wird die Anzahl der vorstehenden Pole, die das Verzahnungsdrehmoment beeinflussen, als sechs angenommen. In diesem Fall ist die Komponente n- ter Ordnung, welche die Bedingung erfüllt, daß n gleich 6j±1 mit j als gerader Zahl von 2 bis 20 ist, in das magnetisierte Muster oder die Magnetform der Permanentmagneten einbaubar.
Wenngleich bei den obigen Ausführungsbeispielen die Einstellung der Breitenerstreckung bei den Permanentmagneten des Motors erfolgte, deren Magnetisierung in radialer Richtung verläuft, läßt sich die vorliegende Erfindung auch anwenden bei einem Motor, dessen Permanentmagneten so magnetisiert sind, daß die Magnetisierung nur in einer spezifizierten Richtung verläuft, wie dies in Figur 15(a) dargestellt ist, um eine Drehmomentwelligkeit in der gleichen Weise zu eliminieren, wie es oben erläutert wurde. In diesem Fall ist, wie aus Figur 15(b) ersichtlich, die Verteilung der magnetischen Flußdichte auf der Magnetpoloberfläche fast von der Komponente erster Ordnung belegt. Folglich bedeutet der Einbau des Moden n-ter Ordnung in derartige Permanentmagneten durch Variieren ihrer magnetisierten Muster in Breitenrichtung im vorliegenden Fall den Einbau eines Moden höherer Ordnung von βn sin nθ sinθ in den magnetische Fluß.
Figur 11 zeigt, welche Art von Oberwellen tatsächlich dem Induktionsflußmuster hinzugefügt werden, wenn n den Wert 5 und β&sub5; dne Wert 1 hat. Aus Figur 11 ist ersichtlich, daß die hinzugefügte Komponente fünfter Ordnung auf etwa 60% ihres ursprünglichen Werts reduziert ist, daß etwas 20% des negativen Moden siebter Ordnung erzeugt wird, und ebenfalls ein kleiner Anteil von 3k (mit k als natürlicher Zahl) Kompontentn erzeugt werden. Wenn folglich die vorliegenden Erfindung bei einem solchen Motor angewendet wird, lassen sich die gleichen Effekte erzielen, wie bei dem Motor, der Permanentmagneten verwendet, deren Magnetisierung in radialer Richtung verläuft, indem die hinzugefügten Komponenten unter Berücksichtigung dieser Gegebenheiten eingestellt werden.
Fig. 18 zeigt eine weiteres Beispiel des herkömmlichen Motors unter Verwendung von C-förmigen Magneten, deren Magnetisierungsrichtung entlang einer spezifizierten Richtung verläuft, und dessen einer Pol sich über einen Winkel von weniger als 180º erstreckt. Die vorliegende Erfindung kann auch bei einem solchen Motor folgendermaßen angewendet werden.
Figur 12 zeigt eine Anlyse eines magnetischen Oberflächenflusses, erzeugt durch den C-förmigen Magneten, dessen Erstreckungswinkel 150º beträgt, in die Oberwellen jeder Ordnung. Unter Verwendung der Permanentmagneten, die in eine spezifische Richtung magnetisiert sind, ist die Komponenten Fr(θ) in der Gleichung (2) an dem Abschnitt, wo der Permanentmagnet nicht vorhanden ist, nicht null, und zu der Grundwelle kommt eine kleiner Anteil von höheren Oberwellen. Wenn der Mode n- ter Ordnung in den magnetisierten Bereich des Permanentmagneten eingebaut wird, indem dessen magnetisierter Muster variiert wird, gelangen in den Induktionsfluß tatsächlich die höheren Oberwellen mit der nachfolgenden Komponente Fr(θ). wobei
Figur 13 zeigt, welche Art von höheren Oberwellen tatsächlich dem Induktionsflußmuster hinzugefügt werden, wenn n den Wert 5 und β&sub5; den Wert 1 hat. In diesem Fall ist die Situation im wesentlichen die gleiche wie bei dem herkömmlichen Motor mit Permanentmagneten gemäß Figur 15(a) mit der Ausnahme, daß die Komponenten der 3k-ten und (3k±1)-ten Ordnung zusätzlich zu den hinzugefügten Komponenten erzeugt werden. Wenn also die vorliegende Erfindung bei einem solchen Motor Anwendung findet, bei dem die Permanentmagneten nicht sämtlich entlang den Umfang angeordnet sind, lassen sich gleichen Effekte, wie sie oben erläutert sind, dadurch erreichen, daß man die Moden höherer Ordnung in das magnetisierte Muster oder die Magnetform der Permanentmagneten einbaut. In diesem Fall ist es wichtig, die Beträge der hinzuzufügenden Moden höherer Ordnung neu unter Berücksichtigung des Verhältnisses der dort ursprünglich existierenden Moden höherer Ordnung einzustellen, weil der Induktionsfluß einen großen Anteil von Moden höherer Ordnung enthält.
Im Fall des Motors, bei dem das Feldmagnetsystem in einigen Zonen des Umfangs in Drehrichtung des Motors nicht existiert, enthält, wenn die Breitenerstreckung des Magnetfeldsystems in eine Fourier-Reihe mit einem Drehwinkel als Parameter entwickelt wird, die Fourier-Reihe Komponentne höherer Ordnung. Deshalb können die Fourier-Koeffizienten ausgwählt werden, indem man den Winkel ändert, über den sich das Feldmagnetsystem erstreckt, um ein Verzahnungsdrehmoment einzustellen. Allerdings steuert eine solches Verfahren lediglich einen spezifierten Moden des Verzahnungsdrehmoment und reduziert nicht den Absolutwert des Verzahnungsdrehmoments. Aus diesem Grund liegt ein solches Verfahren nicht innerhabl des Rahmens der vorliegenden Erfindung.
Nachdem die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Ausführungsbeispielen fundiert beschrieben wurde, versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, und daß zahlreiche Abwandlungen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche möglich sind.

Claims

1. Elektromotor des Types mit Feldmagnetsystem, welcher eine gerade Anzahl m von Permanentmagnetpolen (1) aufweist, die in einem Kreis angeordnet sind, wobei die beiden oder jeweils zwei benachbarte Pole entgegengesetzte Polarität (N, S) besitzen,

mit einem Anker, der eine Anzahl von p Polen (3) aufweist, die jeweils mit einem Endabschnitt dem Feldmagnetsystem zugewandt sind und mit diesem einen Magnetluftspalt (g) bilden, über den sich magnetischer Fluß erstreckt, um beim Motorbetrieb Drehmoment zu erzeugen,

wobei das Feldmagnetsystem eine Induktionsfluß-Erzeugungsfläche aufweist, deren Breitenabmessung h(θ) senkrecht zur Drehrichtung des Ankers nicht konstant ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Breitenabmessung h(θ) mit einem Drehwinkel (θ) des Ankers ändert und eine sinusförmige Grundkomponente zusammen mit einer ausgewählten Verteilung von Oberwellenkomponenten entsprechend folgender Formel aufweist:

wobei n eine natürliche Zahl (i x j) ± 1 mit j als gerade Zahl von 2 bis 20 ist,

an ein Koeffizient für Cosinuskomponenten ist,

bn ein Koeffizient für Sinuskomponenten und zumindest für einen Wert von n nicht null ist,

T eine Drehzeitspanne des Ankers über einen Winkel ist, welcher der Umfangslänge eines Paares benachbarter N- und S- Pole entspricht,

i eine natürliche Zahl ist, gegeben durch p/q mit q als größtes gemeinsames Maß von m/2 und p, und h&sub0; gleich H ist, wenn 0 ≤ θ < π, und gleich -H ist, wenn π ≤ θ < 2π, wenn H eine Standardbreitenabmessung des Feldmagnetsystems ist.

2. Motor nach Anspruch 1, bei dem das Feldmagnetsystem derart geformt ist, daß die Breitenabmessung die in Anspruch 1 agegebene Formel erfüllt.

3. Motor nach Anspruch 1, bei dem der Koeffizient bn derart bestimmt ist, daß die Komponente (i x j + 1)-ter Ordnung übereinstimmt mit der Komponente (i x j - 1)-ter Ordnung der Sinus- Oberwellenkomponenten des magnetischen Flusses.

4. Verfahren zum Trimmen eines Drehmomentverlaufs eines Motors mit einem Feldmagnetsystem mit einer konstanten Breitenabmessung (H), das meherer Permanentmagnetpole (1) aufweist, die in einem Kreis angeordnet sind, so daß die oder jeweils zwei benachbarte Permanentmagnetpole entgegengesetzte Polarität (N, S) aufweisen, sowie einem Anker mit mehreren Polen (3), deren jeweiligen Stirnfläche den Magnetpolen des Feldmagnetsystems gegenüberliegt, gekennzeichnet durch die Schritte:

Messen der Verteilung des von dem Feldmagnetsystem erzeugten magnetischen Flusses relativ zu dem Drehwinkel des Ankers;

Ermitteln der Oberwellenkomponentne des von dem Feldmagnetsystem erzeugten magnetischen Flusses durch Reihenentwicklung einer Funktion, welche die Verteilungskurve des magnetischen Flusses ausdruckt;

Messen des von dem Feldmagnetsystem relativ zu dem Drehwinkel des Ankers erzeugten Verzahnungs-Drehmoments;

Untersuchung der Beziehung zwischen den Oberwellenkomponenten des magnetischen Flusses und dem Verzahnungsdrehmoment; und Einstellen der Breitenabmessung (h(θ)) der Induktionsfluß-Erzeugungsfläche des Feldmagnetsystems durch in Breitenabmessung erfolgendes Einbauen der Änderung, welchen den ausgewählten Oberwellenkomponenten entspricht, die das zu beseitigende Verzahnungsdrehmoment verursachen.