FI76898B - Elektrisk motor. - Google Patents

Description

1 76398 Sähkömoottori

Keksinnön kohteena on sähkömoottori, joka käsittää roottorin, staattorin sekä vähintään kaksi napaparia. Kek-5 sinnön mukaisen sähkömoottorin erään erityisen edullisen sovellutuskohteen muodostavat pienikokoiset, suorituskykyiset ja tarkat servomoottorit.

Nykyisin servomoottorien tarvitsema takaisinkytkentä-tieto otetaan yleensä ainakin osittain erillisistä servo-10 moottoriin liitetyistä antureista, kuten esim. optisesta tai magneettisesta kooderista, takogeneraattorista tai resolver ista. Näiden tunnettujen ratkaisujen puutteena on se, että moottorien tilavuus ja paino muodostuu suureksi. Lisäksi on säätöjärjestelmässä olemassa häiriövaara, joka 15 johtuu kytkennästä aiheutuvista välyksistä ja joustoista.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena onkin päästä eroon edellä esitetyistä haitoista. Keksinnön mukaisesti on havaittu, että resolveri voidaan sijoittaa osaksi moottorin perusrakennetta mikäli moottorin napaparien lukumäärä on 20 vähintään kaksi. Edellä kuvatut tunnetulle tekniikalle ominaiset haitat poistetaan tällaisella moottorilla sovittamalla siihen sisäänrakennettu resolveri siten, että moottorin roottoriin on sovitettu resolverin ensiokäämitys, ja että resolverin toisiokäämitys on käämitty moottorin staat-25 torin ympärille siten, että käämilanka kulkee vuorotellen staattorin sisä- ja ulkopuolella.

Resolverin toisiokäämitykseen syntyvistä signaaleista voidaan näin ollen, kuten tunnettua, ratkaista roottorin absoluuttinen kulma-asema sekä sen nopeus ja suunta. Näiden 30 avulla voidaan edelleen ohjata moottorin kommutointia, nopeutta ja paikoitusta.

Keksinnön mukaisella tavalla voidaan haluttaessa sijoittaa moottorin perusrakenteeseen synkro tai muu pyörivä-muuntajatyyppinen anturi. Resolveri on kuitenkin näistä 35 käyttökelpoisin ajatellen esimerkiksi servomoottorin ohjausta, minkä vuoksi sitä on käsitelty tässä yhteydessä.

2 76898 Käytettävä termi "resolveri" on kuitenkin ymmärrettävä edellä kuvattuun tapaan laajemmassa mielessä.

Keksinnön mukaisella tavalla toteutetusta moottorista saadaan selvästi pienikokoisempi sekä kevyempi kuin 5 tunnetuista moottoreista, joissa on erillinen resolveri takaisinkytkentätiedon saamiseksi. Näin ollen se sopii erityisen hyvin sellaisiin kohteisiin, joissa moottorille asetettaviin perusvaatimuksiin kuuluu pieni koko ja keveys. Tällaisia sijoituskohteita ovat esimerkiksi lento-10 koneet. Lisäksi voidaan keksinnön mukaisella rakenteella eliminoida joustoista ja välyksistä aiheutuva häiriövaa-ra. Eräs tärkeä lisäetu on myös se, että moottori voidaan toteuttaa aikaisempaa halvemmalla.

Seuraavassa keksintöä ja sen edullisia suoritus-15 muotoja selitetään tarkemmin viitaten oheisten piirustusten mukaisiin esimerkkeihin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaista harjatonta kes-tomagneettimoottoria osittaisena pituussuuntaisena poikkileikkauksena , 20 kuvio 2 esittää viivan A - A suuntaan otettua poik kileikkausta kuvion 1 moottorista, kuviot 3a ja 3b esittävät kuvioissa 1 ja 2 esitetyn moottorin resolverin toisiokäämitysten erästä käämi-tystapaa, 25 kuviot 3c ja 3d esittävät erästä vaihtoehtoista käämitystapaa kuvioiden 3a ja 3b käämitystavalle, kuvio 4 esittää yksinkertaistettuna tasoon levitettyä resolverin toisiokäämitystä häiriöjännitetarkastelua varten, 30 kuvio 5 esittää resolverin toisiokäämitykseen syn tyvää häiriöjännitettä nelinapaisen moottorin tapauksessa, ja kuvio 6 esittää resolverin toisiokäämitykseen syntyvää häiriöjännitettä kaksinapaisen moottorin tapaukses-35 sa.

3 76398

Kuvioissa 1 ja 2 on esitetty keksinnön mukainen kuusinapainen harjätön kestomagneettimoottori, jonka roottoria ja staattoria on merkitty vastaavasti viitenumeroilla 1 ja 2. Roottorikehän muodostavat kuusi magneettinapaa 5 Nl - N6, joista kuvion 2 leikkauksessa näkyy kolme yläpuolista napaa Nl - N3. Resolverin ensiö- eli roottorikäämi-tys muodostuu kahdesta käämistä 4a ja 4b, jotka on kuvioiden mukaisessa esimerkkimoottorissa käämitty 180 asteen kulmassa keskenään olevien napamagneettien ympärille.

10 Ainoastaan ylempi käämi 4a näkyy siis kuvioissa 1 ja 2, mutta selvyyden vuoksi on myös alempaa, käämiin 4a nähden 180 asteen kulmassa olevaa käämiä 4b varten oma viitenumeronsa. Resolverin vaihtuva referenssijännite tuodaan induktiivisen kytkennän avulla käämeihin 4a ja 4b. Esi-15 merkkimoottorissa tämä tapahtuu samanaikaisesti roottorin kummassakin päässä olevien induktiivisten kytkimien (käämien) 5 avulla. Näistä induktiivisista kytkimistä referenssi jännite indusoituu roottorin päissä oleviin käämeihin 7, jotka puolestaan on kytketty sarjaan resolve-20 rin kahden roottorikäämin 4a ja 4b kanssa. Induktiivinen kytkentä on suunniteltu esimerkkimoottorissa siten, että se käyttää moottorin akselia 8 osana magneettipiiriä. Akselin on tällöin oltava erikoisrakenteinen. Roottorin osuudelta sen on oltava ferromagneettinen ja magneettises-25 ti pehmeä, akselin päiden osuudelta mieluimmin ei-ferro-magneettinen. Myös muut ratkaisut induktiivisen kytkennän aikaansaamiseksi ovat luonnollisestikin mahdollisia, kuten myös muut tavat referenssijännitteen tuomiseksi resolverin roottorikäämeille 4a ja 4b, esimerkiksi liukurenkaat. In-30 duktiivinen kytkentä toimii harjattomasti, kuten tavoiteltavaa on harjattoman moottorin kaikissa osissa.

Staattorin 2 käämiuriin 9 on sovitettu staattori-käämitys 10 sinänsä tunnetulla tavalla. Staattorin 2 ympärille on käämitty resolverin toisio- eli staattorikäämi-35 tys, joka koostuu kahdesta 90 asteen kulmassa toisiinsa 4 76398 olevasta käämityksestä 11a ja 11b. Kuvion 2 poikkileikkauksessa näkyvät käämilangat pareittain siten, että toinen langoista kuuluu käämiin 11a ja toinen käämiin 11b. Kummankin käämin käämilanka kulkee vuorotellen staattorin 5 2 päällä ja käämiurassa 9. Kuviossa 1 on moottorin ylem män puoliskon kaksi resolverin toisiokäämityksen lanka-paria esitetty poikkileikkauksena sen osoittamiseksi, että ne kulkevat vinottain.

Kuvioissa 3a ja 3b on tarkemmin esitetty resolve-10 rin toisiokäämitysten 11a ja 11b käämitystapaa esimerkin-mukaiselle sakararakenteiselle moottorille, jonka käämi-urat 9 on viistottu pituussuuntaan yhden jakovälin verran. Kuvio 3a esittää käämitystä 11a ja kuvio 3b käämitystä 11b. Kumpikin käämitys on esitetty tasoon levitettynä, käämitys 15 on katkaistu keskeltä ja puoliskot on kytketty keskenään siten, että toinen puolisko on kytkennässä nurinpäin toiseen nähden. Käämiurassa 9 kulkevaa käämilangan osaa on merkitty katkoviivalla ja staattorin 2 päällä kulkevaa käämilangan osaa ehyellä viivalla. Kuten kuviosta 3a ha-20 valtaan, kulkee käämin 11a käämilanka siten, että se kiertää ensin 180 astetta joka toisen käämiuran 9 kautta, palaa sen jälkeen alkuun ja kiertää joka toisen käämiuran 9 kautta, minkä jälkeen se siirtyy kiertämään toisen 180 asteen puoliskon vastaavalla tavalla. Kuviossa 3b esitetyn 25 käämin 11b käämilanka kulkee vastaavalla tavalla, mutta 90 astetta siirrettynä käämiin 11a nähden. Esitetyllä käämin-tätavalla saavutetaan käämityksen tasainen jakautuma esi-merkinmukaisessa tasavirtamoottorissa, jossa käämiurat on viistottu yhden jakovälin verran. Periaatteessa riittää 30 resolverisignaalin aikaansaamiseksi kuvioiden 3a ja 3b käämitysten toisen 180 asteen puoliskon toinen kiertokerta, loppuosa ainoastaan vahvistaa signaalia.

Kuviossa 3c on esitetty vaihtoehto kuviossa 3a esitetylle käämintätavalle. Käämilanka kiertää tässä tapauk-35 sessa ensin 180 astetta joka toisen käämiuran 9 kautta, 5 76398 siirtyy sitten toiseen 180 asteen puoliskoon, jonka se kiertää kahdesti joka toisen käämiuran 9 kautta, minkä jälkeen se palaa jälleen alkuperäiseen 180 asteen puoliskoon ja kiertää sen joka toisen käämiuran 9 kautta. Vastaavanlainen 5 vaihtoehto kuvion 3b käämintatavalle on esitetty kuviossa 3d. Kuviossa 3d esitetyn käämin 12b käämilanka kulkee samoin kuin kuvion 3c käämin 12a käämilanka, mutta 90 astetta siirrettynä tähän nähden. Kuvioissa 3a - 3d esitetyistä käämityksistä on vielä syytä huomata, että niiden alkupiste 10 voi sijaita mielivaltaisesti staattorin kehällä, jolloin myös esitystapa voi muuttua vastaavasti. Lisäksi on huomattava, että käämintätavasta riippumatta voi käämilankoja olla useita eri kierroksia, toisin sanoen yksittäisen käämilan-gan tilalla voi olla useista langoista koostuva vyyhti.

15 Seuraavassa tarkastellaan mahdollisia häiriöjännit teitä ja niiden asettamia vaatimuksia moottorille. Resol-verin toisiokäämitykseen 11a, 11b tai 12a, 12b aiheuttavat häiriöjännitteen mahdollisesti (i) kestomagneettikentän pyöriminen staattorin 2 sisällä sekä (ii) staattorivirto-20 jen aiheuttamat muuttuvat magneettikentät. Näiden vaikutusta resolverin toisiokäämitykseen tarkastellaan kuvittelemalla resolverin toisiokäämitys kuvion 4 mukaisesti tasoon levitetyksi ja yksinkertaistamalla käämitys yhteen tyyppi-käämiin kummassakin käämipuoliskossa (a ja b), jotka on 25 kytketty sarjaan kuvion 4 mukaisesti. Käämin indusoituva sähkömotorinen voima E saadaan tunnetusti kaavasta E - N -af· - missä N on käämikierrosten lukumäärä ja / on magneettivuo. 30 Käämikierrosten ollessa tasaisesti staattorin ympärillä, kuvaa indusoituvaa kokonaisjännitettä alueissa a ja b magneettikentän muutoskuvion pinta-ala. Käämipuoliskojen ollessa kytkettynä aiemmin esitetyllä tavalla, on ehtona napajännitteen arvolle nolla se, että kentän kokonaismuutos 35 alueessa a vähennettynä kentän kokonaismuutoksella alueessa b on yhtäsuuri kuin nolla. Erikoistapaus tästä ehdosta on se, että kentän kokonaismuutos sekä alueessa a että 6 76398 alueessa b on yhtäsuuri kuin nolla.

Aluksi tarkastellaan tapausta (i) eli staattorin sisällä pyörivän kestomagneettikentän resolverin toisio-käämitykseen indusoimaa häiriöjännitettä. Oletetaan, että 5 napojen aiheuttama kenttä on sinimuotoinen, jolloin myös kentänmuutos on sinimuotoinen, mutta 90 asteen vaihesiir- J p rossa. Näin ollen on kentän muutosarvolla (—^--) vuorotellen minimi- ja maksimiarvot napojen välisissä siirty-mäkohdissa, joissa kentän {f) arvolla on nollaylitykset. 10 Kuviossa 5 on esitetty tilannetta nelinapaisen kestomagneettikentän pyöriessä staattorin 2 sisällä tietyllä het- J Ώ kellä. Käyrä kuvaa siis kentän muutosarvoa ja yksin kertaisuuden vuoksi käyrä on kuvattu sinimuodon sijasta suoraviivaisista osista koostuvaksi, koska kentän muodol-15 la ei tässä mielessä ole vaikutusta lopputulokseen. Kenttien on kuitenkin oltava samanmuotoisia jokaisen navan (Nl, N2...) kohdalla. Kuvion 5 vaaka-akseli edustaa staattorin kehän pituutta, ja jokaisen navan osuutta on kuvattu vastaavalla viitemerkillä Nl - N4. Kuten kuviosta havai-20 taan, kumoavat muutoskuvion pinta-alat toisensa erikseen sekä alueessa a että alueessa b, jolloin indusoituva napajännite on nolla. Näin tapahtuu, kun napaluku on parillinen ja vähintään neljä.

Tapauksessa (ii) ovat staattorivirtojen aiheutta-25 mat magneettikentät analogisia edellä kuvattuihin kesto-magneettikenttiin nähden, samoin niiden muutokset. Erona on ainoastaan 90 asteen vaihesiirto tapaukseen (i) nähden moottorin toimiessa ideaalisesti. Näin ollen eivät myöskään staattorivirtojen aiheuttamat magneettikentät aiheu-30 ta lisäjännitettä resolverin toisiokäämitykseen, kun napa-luku on parillinen ja vähintään neljä.

Kuviossa 6 on vielä esitetty kuviota 5 vastaava tilanne kaksinapaisen magneettikentän vaihdellessa staattorin 2 sisällä. Kuten kuviosta havaitaan, on muutoskuvion 35 pinta-alalla tietty kokonaisarvo (varjostamaton alue) sekä 7 76398 alueessa a että alueessa b riippuen napojen asemasta alueisiin a ja b nähden. Näin ollen resolverin toisiokää-mitykseen indusoituu jännite. Vastaavalla tavalla voidaan todeta, että resolverin toisiokäämeihin indusoituu jänni-5 te, jos staattorin sisällä vaihtelee magneettikenttä, jonka napaluku on pariton. Välttämätön ehto keksinnön mukaiselle moottorille on siis se, että se käsittää parillisen määrän napoja, joiden lukumäärä on vähintään neljä.

Esitetyllä tavalla voidaan myös osoittaa, että 10 magneettikenttien ja niiden muutoskuvioiden ollessa muodoltaan epäsymmetrisiä, ei tästä aiheudu lisäjännitettä resolverin toisiokäämeihin, mikäli kentän napapariluku on vähintään kaksi. Edellytyksenä on, että kaikki kentät ovat samalla tavoin epäsymmetrisiä.

15 Referenssivirran ja roottorin 1 pyörimisliikkeen yhteisvaikutuksesta syntyy resolverin toisiokäämeihin 11a ja 11b tai 12a ja 12b lisäksi roottorin pyörimisnopeuteen verrannollinen häiriösignaali, joka on vastaava kuin pelkissä resolvereissakin. Tämä on epätoivottavaa, koska re- 20 solverisignaalin tulisi olla amplitudiltaan pyörimisnopeudesta riippumaton. On kuitenkin osoitettavissa, että tämä häiriösignaali on varsin vähäinen, ja sen vaikutuksia voidaan kompensoida tunnetuin tavoin mikäli tähän on tarvetta .

25 Häiriöt voivat syntyä myös seuraavista syistä: A. Kestomagneettinavoilla (Nl, N2...) on keskenään erisuuruiset vuoarvot, mikä aiheuttaa niiden välille epätasapainon. Erisuuruiset vuoarvot voivat johtua esim. magneettien hiukan erilaisesta magnetoinnista.

30 B. Roottorin asennus on epäkeskeinen ja osien val- mistustoleransseista johtuen ilmavälin suuruus voi vaihdella.

C. Resolverin toisiokäämitys ei ole täysin tasaisesti jakautuneena staattorin ympärille.

35 Nämä edellä kuvatut häiriölähteet voidaan kuitenkin 8 76398 minimoida sopivalla tavalla, mikäli ne vääristävät liikaa resolverin toisiokäämien ulostulosignaaleja. Tällaisia minimointitapoja voivat olla esimerkiksi roottorin magneettinen tasapainoitus ja häiriöiden elektroninen kom-5 pensointi.

Häiriöjännitteen voidaan ajatella syntyvän myös käämivirtojen ja magneettikenttien vaikuttaessa resolverin referenssijännitteen induktiiviseen kytkentään, jota kuviossa 1 on esitetty viitenumeroilla 5 ja 7. Staattori-10 käämityksen 10 virtojen vaikutus on kuitenkin kompensoitavissa tuomalla referenssijännite roottoriin samanaikaisesti sen kummastakin päästä, kuten kuviossa 1 esitetään. Tällöin virran suunnat tulee valita niin, että toisessa päässä roottoria staattorivirta vahvistaa referenssijän-15 nitettä ja toisessa päässä heikentää. Staattorikäämityk-sen tulee muodoltaan ja mitoiltaan olla kummassakin päässä samanlainen.

Resolverin ensiökäämeihin 4a ja 4b voi myös periaatteessa indusoitua häiriöjännite, jos jokin ulkoinen 20 magneettikenttä liikkuu niiden suhteen. Kestomagneettien aiheuttamat kentät eivät kuitenkaan indusoi resolverin ensiökäämeihin jännitettä, koska niiden asema ensiökäämeihin nähden on kiinteä. Staattorikäämien 10 resolverin ensiökäämeihin 4a ja 4b indusoiman kokonaisjännitteen voi-25 daan puolestaan osoittaa olevan suuruudeltaan nolla, mikäli käämit 4a ja 4b on kytketty sarjaan.

Yhteenvetona häiriöjännitteitä koskevasta tarkastelusta voidaankin todeta, etteivät moottorin magneettikentät periaatteessa vaikuta resolverisignaaleihin. Val-30 mistusepätarkkuuksista johtuvia häiriöitä voi kuitenkin syntyä, mutta ne ovat eliminoitavissa huolellisella suunnittelulla. Lisäksi syntyy roottorin pyörimisnopeuteen verrannollinen vähäinen lisäsignaali kuten muissakin re-solvereissa.

35 Keksinnön mukaisen moottorin sovellutuskohteiksi 9 76398 sopivat erityisesti pienikokoiset, suorituskykyiset ja tarkat servomoottorit, koska näissä takaisinkytkentäan-turien tilavuus ja paino muodostavat merkittävän osuuden koko moottorista. Moottorityypeittäin voidaan todeta seu-5 raavaa. Rakennetapa soveltuu periaatteessa sekä synkroni-että asynkronimoottoreihin riippumatta siitä onko näiden staattori sakararakenteinen tai sakaraton (toothless). Roottori voi olla lieriö- tai kiekkotyyppinen, joskin lieriötyyppinen lienee tässä suhteessa käytännöllisempi.

10 Eräs sovellutuskohde on myös askelmoottorityyppi- set avonapamoottorit, mikäli ne on siten rakennettu, että vähintäin neljä napaa on yhtäaikaisesti magnetoitu samalla tavalla muuten paitsi, että peräkkäisten kenttien tulee olla erisuuntaisia.

15 Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten mukaisiin esimerkkehin, ei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan alan asiantuntija voi luonnollisestikin muunnella sitä oheisten patenttivaatimusten esittämän keksinnöllisen ajatuksen sekä oman tie- 20 tämyksensä puitteissa.

Claims (8)

10 76398

1. Sähkömoottori, joka käsittää roottorin (1), staat-torin (2) sekä vähintään kaksi napaparia, tunnettu 5 siitä, että se käsittää sisäänrakennetun resolverin tai vastaavan pyörivämuuntajatyyppisen anturin siten, että moottorin roottoriin (1) on sovitettu resolverin ensiökäämi-tys, ja että resolverin toisiokäämitys (11a, 11b; 12a, 12b) on käämitty moottorin staattorin (2) ympärille siten, että 10 käämilanka kulkee vuorotellen staattorin sisä- ja ulkopuolella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kestomagneettimoot-tori, tunnettu siitä, että resolverin ensiökäämi-tys (4a, 4b) on sovitettu roottorikehällä olevien magneet- 15 tinapojen (Nl, N2...) väliin.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen induktiomoottori, tunnettu siitä, että resolverin ensiökäämitys (4a, 4b) on sovitettu roottorin (1) kehälle.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen moottori, 20 tunnettu siitä, että resolverin ensiökäämit muodostuvat kahdesta 180 asteen kulmassa toisiinsa sovitetusta käämistä (4a, 4b), jotka on kytketty keskenään sarjaan.

5. Patenttivaatimuksen 1 tai 4 mukainen moottori, tunnettu siitä, että resolverin toisiokäämitys 25 (Ha, 11b; 12a, 12b) on sovitettu siten, että käämilanka kulkee vuorotellen staattorin (2) käämiurassa (9) ja staattorin (2) päällä.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen moottori, tunnettu siitä, että resolverin toisiokäämien (11a, 11b; 30 12a, 12b) käämilanka on sovitettu siten, että se kiertää 180 astetta staattorin ympärillä siten, että se kulkee joka toisen käämiuran (9) kautta.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen moottori, tunnettu siitä, että toisiokäämien (11a, 11b; 12a, 12b) 35 käämilanka on sovitettu siten, että se kiertää samat 180 astetta kahteen kertaan, jolloin ensimmäisen ja toisen kier-tokerran käämiurat (9) ovat eri uria. 11 76398

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen moottori, tunnettu siitä, että resolverin kumpikin toisiokäämi (11a, 11b; 12a, 12b) koostuu kahdesta 180 astetta kiertävästä puoliskosta, jotka kiertävät koko staattorin (2) ym-5 päri. 12 76398 Patentkrav*