NL8402542A - Synchroonmotor. - Google Patents

Description

% *· *».

PHN 11.127 1 > N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Synchroormo tor.

De uitvinding heeft betrekking op een synchroonmotor met een stator en een rotor, welke rotor twee coaxiale rotordelen vertoont die aan de buitenomtrek van in cirkelvorm gerangschikte rotortanden zijn voorzien en die axiaal gescheiden zijn door een daartussen aange-5 brachte axiaal gemagnetiseerde permanente magneet, waarbij de stator twee onderling magnetisch geleidend verbonden coaxiale statordelen vertoont, die ëlk voorzien zijn van tenminste een coaxiale ringvormige spoel die omvat wordt door een magnetisch geleidend circuit dat gevormd wordt door enerzijds een rotordeel en anderzijds het de betreffende 10 ringspoel cmgevende statordeel, waarbij elk statordeel uitmondt in twee stelsels coaxiaal gerangschikte statorfanden die met de rotortanden over luchtspleten samenwerken, en waarbij wanneer één van die stelsels van statortanden gericht staan naar de daarmee samenwerkende rotortanden de andere stelsels van statortanden ten opzichte van de daarmee 15 samenwerkende rotortanden over in hoofdzaak 1/4, 1/2 en 3/4 tandsteek verschoven zijn, zodanig dat die verschuivingen per statordeel 1/2 tandsteek velschillen.

Een dergelijke synchroonmotor, waaronder tevens stappenmotoren zijn begrepen, is van het zogenaamde hybride type en onder andere 20 bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4 206 374. In het daarin beschreven uitvoeringsvoorbeeld bevindt de magneet zich in de stator, waarbij aangegeven is dat deze zich ook in de rotor kan bevinden.

De diverse tandverschuivingen zijn bij de beschreven motor gerealiseerd door de statortanden op onderlinge posities Ö, ^1/4 en 3/4 tandsteek 25 te plaatsen en de rotortanden in lijn te plaatsen. In een door de N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken op de markt gébrachte versie van de motor, zoals cmschreven in Philips Data Handbook Components and Materials, Book C17, Stepping motors and associated electronics, 1984, pagina 8 en 9 is de verschuiving gerealiseerd door de rotortanden op 30 onderlinge posities voor 0, 1/4 en 3/4 tandsteek te plaatsen en de statortanden in lijn te plaatsen.

Een dergelijke stappenmotor heeft als bezwaar, dat in de stator een vijftal afzonderlijke delen verbonden moeten worden, namelijk 8402542 «Λ ΡΗΝ 11.127 2 twee delen per statordeel (scheidbaar cm de spoelen er in op te kunnen nemen) met tussen die statordelen een permanente magneet, hetgeen een zwakke constructie betekent. Bovendien is het soms gecompliceerd cm vier verschillende tandposities uit te lijnen. Bij 50 tanden per 5 omwenteling is de staphoek 1.8°. Een staphoek nauwkeurigheid van bijvoorbeeld 3% vergt dan een uitlijnnauwkeurigheid van ongeveer 3 boogminuten. Dit laatste probleem is bij de genoemde in de handel verkrijgbare motor ondervangen door de tandverschuiving op de rotor aan te brengen en de rotortanden te' frezen in vier ringen op die rotor door verdraaiing van 10 die rotor over telkens 1/4 tandsteek. Dit vereist echter voldoende ruimte in axiale richting tussen die vier tandstelsels, welke ruimte niet meer beschikbaar is wanneer de motordimensies verkleind worden.

In dat geval moet de rotor uit vier afzonderlijke delen vervaardigd worden met behalve constructieve zwakte als bezwaar, het bezwaar dat dan vier 15 delen onder vier verschillende hoeken met de genoemde nauwkeurigheid aan elkaar bevestigd moeten worden.

De uitvinding beoogt een motor van het in de aanhef genoemde type met een sterkere constructie en een eenvoudigere uit-lijning bij kleiner afmetingen en wordt daartoe gekenmerkt, doordat 20 die verschuivingen gerealiseerd zijn doordat enerzijds per statordeel de tanden van beide stelsels onderling over 1/2 tandsteek verschoven zijn en anderzijds doordat de beide rotordelen ten opzichte van elkaar over 1/4 tandsteek verschoven zijn.

Door de diverse tandverschuivingen op genoemde wijze 25 over rotor en stator te verdelen, zijn de tandverschuivingen alléén aanwezig tussen die delen die sowieso tijdens de produktie uit delen samengevoegd moeten worden. Immers de statordelen tussen welke een 1/2 tandsteek verschuiving aangébracht moet worden dienen samengevoegd te worden uit afzonderlijke delen ,om de ringspoel aan te kunnen brengen 30 en de beide rotordelen waartussen een 1/4 tandsteek verschuiving aangebracht moet worden zijn door de permanent magneet gescheiden. De constructie is daarbij sterker geworden omdat stator en rotor uit elk drie delen samenstelbaar zijn en de uitlijning is eenvoudiger omdat per deel (stator en rotor) slechts één hoek uitgelijnd hoeft te worden.

35 De tandstelsels per rotordeel vertonen geen onderlinge verschuiving en kunnen dus ondanks kleinere axiale afstand zonder meer in één bewerkingsfase gefreesd worden.

Bij de motor volgens de uitvinding is het verder voordelig, 8402542 ΡΗΜ 11.127 3 dat de axiaal naast elkaar gelegen stelsels van statortanden van beide statordelen zonder axiale scheiding tussen de tanden van beide stelsels door éën gemeenschappelijk stelsel van statortanden die zich tussen beide rotordelen uitstrekken, zijn gevormd. Hierdoor kunnen ook de g statordelen van de binnenste stator tandstelsels in een bewerking gevormd worden.

Voor wat betreft het functioneren van de permanente magneet in de rotor is het voordelig, dat beide rotordelen aan de naar de permanente magneet toegerichte zijden van uithollingsizijn voorzien 10 waar die permanente magneet insteekt .

Hierdoor wordt bereikt dat het door de motor geleverde koppel erg symmetrisch kan zijn.

Voor een verdere constructieve eenvoud en sterkte is het ook voordelig, dat de beide buitenste stelsels van statortanden zijn 15 aangebracht qp de stator in axiale richting afsluitende delen die aan de binnencmtrek van in hoofdzaak cilindrische binnenoppervlakken zijn voorzien waarop die buitenste stelsels van statortanden zijn aangebracht en die zich in axiale richting tot buiten beide rotordelen uitstrekken waarbij de rotor voorzien is van een as die via lagers is 2o opgencmsn in de zich buiten die rotordelen uitstrekkende binnenoppervlakken.

Hierdoor worden extra eindplaten die de lagers dragen, in de stator vermeden, waardoor het aantal statordelen tot drie beperkt blijft.

25 De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: figuur 1 een axiale doorsnede van een voorkeursuitvoeringsvorm van de motor volgens de uitvinding toont, figuur 2 een perspectivisch aanzicht van de motor volgens 3Q figuur 1 in uiteengencmen toestand toont, figuur 3 een diagram ter illustratie van de onderlinge tandposities in de motor volgens de uitvinding toont," en figuur 4 een diagram met mogelijke bekrachtigingsstromen voor de motor volgens figuren 1 en 2 als functie van de tijd toont.

35 Figuur 1 toont een axiale dwarsdoorsnede van een motor volgens de uitvinding waarbij in figuur 2 een perspectivisch aanzicht van die motor met uiteengencmen onderdelen toont. De motor omvat een rotor met een as 1 die is opgenctnen in een onderstel lager 2 en een bovenste lager' 8402542 7% v PHN 11.127 4 3. Op de rotoras 1 is een cilindervormige permanent-magneet 4, die in axiale richting gemagnetiseerd is, aangebracht tussen twee rotordelen 5 en 6 die elk bestaan uit een cilindervormig lichaam dat uitmondt in telkens twee stelsels rotortanden 7 en 8 respectievelijk 9 en 10. De 5 lichamen van de delen 5 en 6 vertonen naar de magneet 4 toe uitsparingen zodat de permanent-magneet daarin valt met het doel de fluxgeleiding vanaf de axiale eindvlakken van die magneet naar elk van de stelsels van tanden 7 en 8 respectievelijk 9 en 10 hetzelfde te doen zijn.

De stator omvat een in hoofdzaak cilindrisch middendeel 11a 10 dat aan de binnenzijde in een cilindrisch deel 11b met kleinere diameter uitmondt dat althans ter hoogte van de rotortanden 8 respectievelijk 9 van de statortanden 13 respectievelijk 14 is voorzien die in dit voorbeeld door één stelsel van tanden die zich in axiale richting over dat cilindrisch deel 12 uitstrekken gevormd worden. Aan de onderzijde is 15 het cilindrische deel 11 afgesloten met een statordeel dat uit een in hoofdzaal vlakke ringvormige plaat 15a bestaat uitmondend in een cilindervormig deel 15b dat enerzijds via een kunststof lichaam 16 dat het onderlager 2 draagt en althans ter hoogte van rotortanden 7 van statortanden 17 is voorzien, welke tanden doorlopen tot aan het axiale eind-20 vlak van plaat 15a om zodoende het kunststof lichaam 16 te dragen, dat door bijvoorbeeld spuitgieten kan zijn aangebracht. Het kunststof kan daarbij doorlopen tot tussen de tanden 17. De ringvormige plaat 15a is plaatselijk verbreed ten opzichte van het cilindervormige lichaam 11a om ruimte voor bevestigingsgaten 18 en 19 te bieden. Aan de bovenzijde 25 is he t cilindrische deel 11a afgesloten door een statordeel bestaande uit een in hoofdzaak ringvormig deel 20a uitmondend in een cilindervormig deel 20b dat enerzijds via een kunststof deel 21 het lager 3 draagt en anderzijds althans ter hoogte van rotortanden 10 van statortanden 22 is voorzien, waarbij in dit uitvoeringsvoorbeeld die tanden 30 doorlopen tot in het kunststof lichaam 21 om de lagering concentrisch met die tanden aan te kunnen brengen.

Het cilindrische deel 11a vormt met de delen 20a, 20b en 11b een ruimte waarin een op een drager 23 aangebrachte ringspoel 24 is opgenomen waarbij de ijzeren delen 11b, 11a, 20a, 20b en rotorlichaam 5 35 een via tanden 22, 10, 9 en 14 lopend magnetisch, circuit rond die ringspoel 24 vormen. Op eenzelfde wijze vormen het cilindrische deel 11a met de delen 15a, 15b en 11b een ruimte waarin een op een drager 25 aangebrachte ringspoel 26 is opgenomen waarbij de ijzeren delen 11b, 8402542 PHN 11.127 5 11a, 15a, 15b en notorlichaam 6 een vla tanden 13, 8, 7 en 17 lopend magnetisch circuit rond de ringspoel 26 vormen.

Figuur 3 toont de onderlinge hoekverhoudingen tussen de 'diverse stator- en rotortanden. De statortanden 22 zijn 180° electrisch, 5 dat is een halve tandsteek, verschoven ten opzicht evan de statortanden 14, die in lijn staan met de statortanden 13. De statortanden 17 zijn 180° electrisch verschoven ten opzichte van de statortanden 13. De rotortanden 10 en 9 evenals de rotortanden 7 en 8 staan onderling in lijn terwijl de tanden 8 over 90° electrisch, dat is 1/4 tandsteek, verschoven zijn./ 10 'ten opzichte van de rotortanden 9. Op deze wijze is bereikt, dat wanneer de rotortanden 10 tegenover de statortanden 22 staan, de rotortanden 9, 8 respectievelijk 7 ten opzichte van de statortanden 14, 13 respectievelijk 17 over 180°, 270° respectievelijk 90° oftewel 1/2, 3/4 respectievelijk 1/4 tandsteek verschoven zijn.

15 De tanden 10 en 9, 8 en 7 respectievelijk 14 en 13 staan in lijn waardoor deze in een bewerkingsfase gevormd kunnen worden. De diverse hoekverdraaiingen zijn aanwezig tussen de tanden 22 en 14, 13 en 17 respectievelijk 9 en 8. De bijbehorende delen dienen echter sowieso afzonderlijk te zijn omdat tussen de delen 20 en 11 respectievelijk 15 en 20 11 de ringspoelen 24 respectievelijk 26 aangebracht moeten worden en tussen de rotordelen 5 en 6 de permanente magneet. De diverse tand-uitlijningen vinden dus plaats tussen die delen die sowieso afzonderlijk moeten zijn.

In het uitvoeringsvoorbeeld zijn de tanden 13 en 14 axiale 25 doorlopende tanden. Het is echter mogelijk cm een scheiding aan te brengen zoals tussen de rotortanden 9 en 10 respectievelijk 7 en 8. Cmgekeerdis het mogelijk cm de rotortanden 9 en IQ respectievelijk 7 en 8 uit doorlopende tanden te vormen.

Figuur 4 toont een bekrachtigingsdiagram voor de motor volgens 30 de uitvinding. De kromte 1^ representeert daarbij de stroom door ringspoel 24 en de kromte l2 de stroom door ringspoel 25 waarbij de stroom als positief (+) is gedefinieerd wanneer het veld zodanig is dat het in de luchtspleten ter hoogte van statortanden 22 ten 17 gelijkgericht is met het veld van permanente magneet 4. Tussen momenten en t2 is 35 de stroati 1^ positief (I2 = 0). Het permanent magneetveld in de lucht-spleet ter hoogte van statortanden 22 wordt dan versterkt, terwijl dat ter hoogte van statortanden 14 verzwakt wordt. De rotortanden 10 gaan zich dan richten naar statortanden 22. Tussen mananten t2 en t^ is de 8402542 J* χ, « PHN 11.127 6 strocm positief (1^ = 0) waardoor rotortanden 7 zich richten naar statortanden 17 en de rotor dus over 90° electrisch, dat is 1/4 tandsteek, draait. Vervolgens wordt de stroom l1 negatief (l2 = 0) waardoor rotortanden 9 zich richten naar statortanden 14 en de rotor wederom over 1/4 5 tandsteek draait. Vervolgens wordt de stroom I2 negatief (1^ = 0) en richten de rotortanden 8 zich naar statortanden 13, hetgeen wederom draaiing van de rotor over 1/4 tandsteek.. betekent. Op deze wijze fungeert de motor als stappenmotor. Worden in plaats van de impulsvormige stromen 1^ en een stelsel onderling over 90° verschoven wisselstromen 10 I]' en I2' toegevoerd, dan fungeert de motor als synchroonmotor.

In een praktische uitvoeringsvorm is de motor volgens de tekening uitgevoerd met een tandsteek gelijk aan 7,2 ruimtelijke graden, dus een staphoek van 1,8° (1/4 tandsteek) zodat de rotor in 200 stappen één omwenteling voltooit.

15 Door de. speciale verdeling van de diverse hoekverschuivingen tussen diverse tanden over rotor én stator wordt enerzijds verkregen dat het uitlijnen van de tanden minder gecompliceerd wordt cmdat bij die delen die niet om andere redenen scheidbaar behoeven te zijn de tanden in één bewerkingsfase zonder onderlinge hoekverdraaiingen gevormd kunnen 20 worden en omdat in zowel de stator als de rotor maar één hoek uitgericht behoeft te worden (180° in de stator en 90° in de rotor) en anderzijds dat de motorconstructie steviger wordt omdat zowel de stator als de rotor uit een minimum aan scheidbare onderdelen samengesteld wordt.

Door het verzinken van de permanente magneet 4 in de rotordelen 25 5 en 6 wordt enerzijds een reductie van de axiale lengte verkregen en anderzijds een goede magnetische symmetrie omdat de magnetische weerstanden van de ijzerweg vanaf het ene axiale eindvlak van die magneet via de bijbehorende rotortanden naar het andere axiale eindvlak gelijk groot gekozen kunnen worden.

30 Voor het aanbrengen van de kunststof lichamen 21 en 16 ten dele tussen de tanden 22 respectievelijk 17 wordt enerzijds een goede centrering verkregen en worden anderzijds speciale bevestigingsplaten uitgespaard, hetgeen het aantal onderdelen van de motor verkleint. Wordt dit niet toegepast, dan kunnen statortanden 22 en 17 in axiale richting 35 beperkt blijven tot in hoofdzaak dezelfde axiale hoogte als de bijbehorende rotortanden 10 en 7. Daarbij kan opgemerkt worden dat het voordelig is als per stelsel van statortanden met bijbehorende rotortanden één van beide zich in axiale richting uitstrekt tot buiten 8402542 PHN 11.127 7 de andere zodat een geringe axiale verplaatsing van de rotor ten opzichte van de stator geen effect heeft op het effectieve tandoppervlak.

Hierbij zij opgemerkt, dat in een door Aanvraagster in een gelijktijdig ingediende aanvrage beschreven is om teneinde de axiale 5 hoogte van de motoren zoals de hier beschreven motor te reduceren beide tandstelsels per rotordeel door een tandstelsel te vervangen de bijbehorende statortanden daar tegenover te plaatsen door deze sectorgewijs aan te brengen en in de cmtreksrichting gezien elkaar te laten afwisselen. De aan de hand van de tekeningen beschreven realisatie van de diverse 10 tandverschuivingen is bij zo een motor eveneens toepasbaar binnen het kader van de uitvinding.

15 20 25 30 35 8402542

Claims (4)

1. Synchroonmotor met een stator en een rotor, welke rotor twee van coaxiale rotordelen vertoont die aan de buitenomtreK/in cirkelvorm gerangschikte rotortanden zijn voorzien en die axiaal gescheiden zijn door een daartussen aangebrachte axiaal gemagnetiseerde permanente magneet, 5 waarbij de stator twee onderling magnetisch geleidend verbonden coaxiale statordelen vertoont, die elk voorzien zijn van tenminste een coaxiale ringvormige sporel die omvat wordt door een magnetisch geleidend circuit dat gevormd wordt door enerzijds een rotordeel en anderzijds het de betreffende ringspoel cmgevende statordeel, waarbij elk statordeel uit-10 mondt in twee stelsels coaxiaal gerangschikte, statortanden die met de rotortanden over luchtspleten samenwerken, en waarbij wanneer een van die stelsels van statortanden gericht staan naar de daarmee samenwerkende rotortanden de andere stelsels van statortanden ten opzichte van de daarmee samenwerkende rotortanden over in hoofdzaak 1/4, 1/2 en 3/4 15 tandsteek verschoven zijn, zodanig dat die verschuivingen per statordeel 1/2 tandsteek verschillen, met het kenmerk, dat die verschuivingen gerealiseerd zijn doordat enerzijds per statordeel de tanden van beide stelsels onderling over 1/2 tandsteek verschoven zijn en anderzijds doordat de beide rotordelen ten opzichte van elkaar over 1/4 tandsteek 20 verschoven zijn.

2. Synchroonmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de axiaal naast elkaar gelegen stelsels van statortanden van beide statordelen zonder axiale scheiding tussen de tanden van beide stelsels door één gemeenschappelijk stelsel van statortanden die zich tussen beide 25 rotordelen uitstrekken, zijn gevormd.

3. Synchroonmotor volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat beide rotordelen aan de naar de permanente magneet toegerichte zijden van uithollingen zijn voorzien waar. die permanente magneet insteekt. 30

4. Synchroonmotor volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de beide buitenste stelsels van statortanden zijn aangebracht op de stator in axiale richting afsluitende delen die aan de binnenomtrek van in hoofdzaak cilindrische binnenoppervlakken zijn voorzien waarop die buitenste stelsels van statortanden zijn aangebracht en die 35 zich in axiale richting tot buiten beide rotordelen uitstrekken waarbij de rotor voorzien is van een as die via lagers is opgenomen in de zich buiten,'die rotordelen uitstrekkende binnenoppervlakken. 8402542