NL8801700A

NL8801700A - Electrische meerpolige machine.

Info

Publication number: NL8801700A
Application number: NL8801700A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1988-07-05
Filing date: 1988-07-05
Publication date: 1990-02-01
Also published as: FR2635927A1; JPH0214282U; GB2220529B; JP2569161Y2; DE3921725A1; DE3921725C2; US5030864A; GB8915214D0; GB2220529A; KR900003863U; KR950001850Y1

Description

N.V. Philips’ Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Eleetrisehe meerpolige machine"

De uitvinding heeft betrekking op een gelijkstroommachine, omvattende een eerste machinedeel, voorzien van een ringvormig permanent-magneetlichaam met een aantal naast elkaar opgestelde, uit een noordpool en een zuidpool bestaande poolparen, een tweede machinedeel, voorzien van een zacht-magnetisch lichaam en ten minste een spoel, in welk lichaam door gleuven tanden zijn gevormd, welke elk zijn voorzien van een tandvlak voor het over een luchtspleet samenwerken met de genoemde polen, waarbij de tandvlakken onderling eenzelfde tangen-tiële afmeting hebben, en een machine-as, om welke het ene machinedeel ten opzichte van het andere machinedeel roteerbaar is.

Een dergelijke machine is als gelijkstroommotor bekend uit de ter inzage gelegde Nederlandse octrooiaanvrage 8.401.519 (herewith incorporated by reference). Een uitvoering van de bekende motor toont een stator, bestaande uit een stervormig blikpakket met zes radiaal verlopende leden, die uitmonden in statortandvlakken die in een denkbeeldig cilindervormig vlak zijn gelegen. Om de leden zijn spoelen aangebracht. De rotor omvat een as, waarop een schijfvormig lichaam is aangebracht, dat overgaat in een de stator omgevend cilindervormig deel, dat aan de binnenzijde is voorzien van een ring- of cilindervormige magneet. De magneet, welke radiaal gemagnetiseerd is, is voorzien van acht polen en werkt samen met de statortandvlakken. Een andere uitvoering van de bekende motor is voorzien van een stator, welke een stervormig blikpakket met radiaal verlopende leden omvat, welke leden zijn voorzien van axiale eindvlakken, welke als statortandvlakken worden benut. De rotor van deze uitvoeringsvorm is voorzien van een schijfvormige rotordrager, waarop een ringvormige rotormagneet is aangebracht. De rotormagneet is axiaal gemagnetiseerd, en werkt over een axiale luchtspleet samen met de statortandvlakken. De verhouding van het aantal polen en het aantal tandvlakken is in deze uitvoering, evenals in de eerder beschreven uitvoering 4:3· De uit een noordpool en een zuidpool bestaande poolparen van de bekende gelijkstroommotor strekken zich elk over 36Ο eleetrisehe graden tangentieel uit. In dit verband wordt opgemerkt, dat het ook mogelijk is, tussen de opeenvolgende pool-paren een kleine tussenruimte aan te brengen, waardoor elke pool zich over minder dan 180 electrische graden tangentieel uitstrekt. Een dergelijk voorstel is overigens ook beschreven in het Duitse Offenlegungs-schrift 31*22.049 (herewith incorporated by reference).

Een nadeel van de bekende gelijkstroommachine, welke bijvoorbeeld driefasig kan zijn uitgevoerd, is het optreden van kleefkop-pels. Een kleefkoppel ontstaat, doordat de totale magnetische energie varieert, wanneer het patroon van de tussen de tandvlakken aanwezige gleuven en het patroon van de aanwezige noord- en zuidpolen zich ten opzichte van elkaar verplaatsen. Het wordt bekend verondersteld, dat, indien de rotor en de stator van de gelijkstroommachine volkomen symmetrisch zijn, de kleefkoppelfrequenties, uitgedrukt in het aantal perioden per omwenteling, overeenkomen met het kleinste gemene veelvoud van de polen en de tanden en veelvouden daarvan. De bij het kleinste gemene veelvoud behorende frequentie wordt grondfrequentie genoemd; de bij de veelvouden ervan behorende frequenties heten harmonischen. Bij toepassingen, waar hoge eisen gesteld worden aan de gelijkloop van de rotor, zoals bijvoorbeeld in audio- en video-apparaten, is het optreden van kleefkoppels ongewenst. Het is gebleken, dat met name de grond-frequentie de grootste invloed heeft op optredende snelheidsvariaties en derhalve het meest hinderlijk is.

Een bekende manier om kleefkoppels tegen te gaan is, om de tussen de polen aanwezige poolscheidingen schuin te laten verlopen (skewing). Een nadeel van deze maatregel is, dat een zeker magneetflux-verlies optreedt, en derhalve een verlies van rendement. Bovendien kunnen door de aldus gevormde poolscheidingen krachten in ongewenste richtingen optreden in bepaalde motorconstructies, waardoor bijvoorbeeld lawaai kan ontstaan. Ook is het bekend, om in combinatie met de genoemde schuinstelling van de poolscheidingen nauwe gleuven te ontwerpen, om op die wijze de invloed van het kleefkoppel verder tegen te gaan. Nauwe gleuven vormen echter een belangrijk nadeel met betrekking tot de pro-duceerbaarheid van de motor, met name wat betreft het aanbrengen van de spoelen.

De uitvinding beoogt ondermeer de in de aanhef genoemde gelijkstroommachine zodanig te wijzigen, dat de grondfréquentie van het kleefkoppel geheel of nagenoeg geheel geëlimineerd is, zonder dat daar- toe de poolscheidingen in het permanent-magneetlichaam schuin geplaatst moeten worden.

De gelijkstroommachine volgens de uitvinding, welke bij voorkeur electronisch geoommuteerd wordt, vertoont daartoe als kenmerk, dat de gleuven zich nabij de luchtspleet over ten minste 80 electrisehe graden en ten hoogste 90 electrisehe graden, óf over ten minste 130 electrisehe graden en ten hoogste 150 electrisehe graden tangentieel uitstrekken. Experimenteel is vastgesteld, dat bij een bepaalde, binnen de hierboven aangegeven grenzen gelegen gleufaftaeting de grondfrequen-tie van het kleefkoppel kan worden geminimaliseerd. De gevonden grenzen corresponderen met in omtreksrichting van de motor gezien relatief brede gleuven. Gemeten is, dat in tegenstelling tot wat men zou verwachten, de grondfrequentie van de geïnduceerde spanning in de spoelen nauwelijks afwijkt van de grondfrequentie van de geïnduceerde spanning in de spoelen van de bekende gelijkstroommotoren, waarvan de gleuf-breedte aanzienlijk kleiner is.

Veel toegepaste gelijkstroommotoren, in het bijzonder motoren van kleinere afmetingen, zijn voorzien van 4, 8 of 12 polen en respectievelijk 3, 6 of 9 tanden. Vastgesteld is, dat voor deze gelijkstroommotoren, waarbij het aantal polen en het aantal tanden zich verhouden als 4:3, uitstekende resultaten met betrekking tot het onderdrukken van het kleefkoppel worden bereikt, indien de gelijkstroommachine gekenmerkt is, doordat de gleuven zich nabij de luchtspleet over althans nagenoeg 88 electrisehe graden tangentieel uitstrekken, of doordat de gleuven zich nabij de luchtspleet over althans nagenoeg 145 electrisehe graden uitstrekken, waarbij, afhankelijk van de uitvoering van de motor een spreiding van de genoemde waarden van ongeveer 2 elec-trische graden kan optreden. Uit vermogensoogpunt gezien zal een dergelijke uitvoeringsvorm volgens de uitvinding bij voorkeur voorzien zijn van poolparen, welke zich elk over 360 electrisehe graden tangentieel uitstrekken.

De uitvinding zal nu bij wijze van voorbeeld nader toegelicht worden aan de hand van de tekening, waarin

Figuur 1 een langsdoorsnede volgens de lijn I-I van figuur 2 van een eerste uitvoeringsvorm van de gelijkstroommotor volgens de uitvinding toont,

Figuur 2 een dwarsdoorsnede volgens de lijn II-II van figuur 1 toont,

Figuur 3 een langsdoorsnede van een tweede uitvoeringsvorm toont,

Figuur 4 een langsdoorsnede volgens de lijn IV-IV van figuur 5 van een derde uitvoeringsvorm toont,

Figuur 5 een dwarsdoorsnede volgens de lijn V-V van figuur 4 toont,

Figuur 6 een dwarsdoorsnede van een vierde uitvoeringsvorm toont, en

Figuur 7 een grafische voorstelling geeft van het kleefkop-pel als functie van de rotorstand van de uitvoeringsvorm van figuur 1, alsmede van een bekende gelijkstroommotor van dezelfde afmetingen, voorzien van 9 tanden en 12 polen.

De in de figuren 1 en 2 getoonde uitvoeringsvorm omvat een als rotor uitgevoerd eerste machinedeel 1, verder aangeduid als de rotor 1, en een als stator fungerend tweede machinedeel 3> verder aangeduid als de stator 3. De rotor 1, welke via een koppelstuk 2 is bevestigd aan een in de stator 3 gelagerde motoras 5, is voorzien van een zacht-magnetisch lichaam, bijvoorbeeld uit plaatijzer, bestaande uit een -schijfvormig deel 7 en een cilindervormig deel 9, dat co-axiaal ten opzichte van de motoras 5 is aangebracht. Aan de binnenzijde van het cilindervormige deel 9 is een ringvormig permanent-magneetlichaam 11 bevestigd. Opgemerkt hierbij wordt, dat onder het woord ringvormig tevens het woord cilindervormig wordt verstaan. Het magneetlichaam 11 is radiaal gemagnetiseerd en voorzien van 12 polen 13 tot en met 24, welke afwisselend een tegengestelde polariteit bezitten. De polen zijn in de tekening aangegeven met de letters N (noordpolen) en S (zuidpo-len). Het lichaam 11, dat als één ring uit een stuk, bijvoorbeeld uit een kunststof gebonden ferriet, uitgevoerd kan zijn, is voorzien van scherpe poolscheidingen, opdat de polen zich elk over 180 electrische graden in omtreksrichting uitstrekken. De poolscheidingen lopen parallel aan de motoras 5.

De stator 3 vertoont een gelammelleerd zacht-magnetisch lichaam 25, een zogenaamd blikpakket, dat is bevestigd op een centraal statordeel 26 en dat is voorzien van 9 statortanden of kortweg tanden 27 tot en met 35, waaromheen spoelen 37 tot en met 45 zijn gewikkeld.

De zich radiaal uitstrekkende tanden 27 tot en met 35 eindigen in tand- vlakken 47 tot en met 55, welke gelegen zijn in een denkbeeldig, ten opzichte van de motoras co-axiaal cilindervlak, welke ruimtelijk van elkaar gescheiden zijn door gleuven 57 tot en met 65, en welke over een smalle cilindrische luchtspleet 67 tijdens bedrijf samenwerken met de polen 13 tot en met 24. In dit voorbeeld strekken de genoemde gleuven tussen de tandvlakken zich 88 electrische graden tangentieel uit, hetgeen overeenkomt met een middelpuntshoek A van 88/6 mechanische graden.

De in figuur 3 getoonde uitvoeringsvorm is qua opbouw gelijk aan de reeds beschreven uitvoeringsvorm, doch vertoont grotere tangen-tiële gleufafmetingen. Aangezien de beide uitvoeringsvormen nauw aan elkaar verwand zijn, zijn de met elkaar overeenkomende delen van beide uitvoeringsvormen door hetzelfde verwijzingscijfer aangegeven. De gleuven 57 tot en met 65 hebben in de uitvoeringsvorm van figuur 3 een breedte, gemeten tussen de tandvlakken 47 tot en met 55 en nabij de 5 luchtspleet 67, welke gerelateerd is aan 145 electrische graden.

Verrassenderwijze is gebleken, dat de hier beschreven uitvoeringsvormen van de gelijkstroommotor volgens de uitvinding nagenoeg geen hinder ondervinden van de grond frequentie van het kleefkoppel, terwijl het oppervlak van de tandvlakken 47 tot en met 55 toch voldoen-1 de groot is om de magneetflux, die uit het magneetlichaam 11 komt, nog effectief te kunnen invangen, waardoor de gelijkstroommotor zowel een in hoge mate constante rotatiesnelheid als een hoog rendement heeft.

Om het verschil tussen het kleefkoppel van de beschreven eerste uitvoeringsvorm en het kleefkoppel van een overeenkomstige be-1 kende gelijkstroommotor te illustreren, is in figuur 7 een diagram weergegeven, waarin de gemeten waarden van beide motoren zijn weergegeven. Langs de horizontale as van het diagram is de rotatiehoek alpha van de rotor uitgezet, en langs de verticale as is de grootte van de gemeten kleefkoppels uitgezet, waarbij voor beide metingen uiteraard dezelfde schaal is gekozen. Met de letter I is de karakteristiek van het kleefkoppel van de gelijkstroommotor volgens de uitvinding, en met de letter P is de karakteristiek van het kleefkoppel van de bekende gelijkstroommotor aangeduid voor een halve omwenteling van de rotor.

Zoals uit het diagram kan worden afgeleid, is de amplitude van het 1 kleefkoppel van de gelijkstroommotor volgens de uitvinding veel kleiner en dus gunstiger dan de amplitude van het kleefkoppel van de bekende motor. Tevens is uit het diagram af te leiden, dat de kleefkoppel- frequentie van de motor volgens de uitvinding althans nagenoeg het dubbele is van de frequentie van het kleefkoppel van de bekende motor, hetgeen er op duidt, dat de grondfrequentie van het kleefkoppel van de motor volgens de uitvinding nagenoeg geheel is uitgedoofd.

De in de figuren 4 en 5 getoonde derde uitvoeringsvorm is wat betreft werking en bereikte gunstige effecten in principe gelijk aan de reeds beschreven uitvoeringsvormen. Slechts met betrekking tot de motoropbouw zijn er verschillen. De in de figuren 4 en 5 getoonde uitvoeringsvorm vertoont een rotor 101 met een in een stator 103 met I behulp van lagers 102a en 102b roteerbaar gelagerde motoras 105, en een schijfvormig deel 107, waarop een ringvormig, axiaal gemagnetiseerd magneetlichaam 111 is bevestigd. Het magneetlichaam 1T1 is voorzien van 6 noordpolen (N) 113 tot en met 118 en 6 zuidpolen (S) 119 tot en met 124. De stator 103 vertoont een stervormig zacht-magnetiseh lichaam 125, dat is voorzien van 9 tanden 127 tot en met 135, en dat is voorzien van 9 om de tanden aangebrachte spoelen 137 tot en mêt 145. De tanden zijn aan hun naar het magneetlichaam 111 toegekeerde zijde voorzien van in een plat vlak liggende handvlakken 147 tot en met 155, voor het over een smalle axiale luchtspleet 167 samenwerken met de polen 113 tot en met 124. Tussen de tandvlakken 147 tot en met 155 bevinden zich gleuven 157 tot en met 165, die in tangentiële richting gezien een afmeting W hebben, die overeenkomt met 87 eleetrische graden.

De in figuur 6 getoonde vierde uitvoeringsvorm verschilt van de vorige uitvoeringsvorm slechts daarin, dat de tandvlakken 147 tot en met 155 smaller zijn uitvoerd. De zich tussen de tandvlakken 147 tot en met 155 bevindende gleuven 157 tot en met 165 strekken zich tangentieel uit over 145 eleetrische graden.

Alle getoonde uitvoeringsvormen kunnen voor een gunstige kostprijs vervaardigd worden, hebben een lange levensduur en koppelen een hoog rendement aan een in hoge mate constante rotatiesnelheid.

Hoewel drie-fasige uitvoeringsvormen met 9 statortanden en 12 rotorpolen zijn getoond, is de uitvinding niet tot die aantallen beperkt. Ook andere combinaties van tanden en polen zijn mogelijk, terwijl ook uitvoeringen met meer of minder fasen mogelijk zijn. Voorts wordt opgemerkt, dat het binnen de scope van de uitvinding ligt om de tanden op de rotor en dê polen op de stator aan te brengen.

Claims

1. Gelijkstroommachine, omvattende - een eerste machinedeel, voorzien van een ringvormig permanent-mag-neetlichaam met een aantal naast elkaar opgestelde, uit een noordpool en een zuidpool bestaande poolparen, - een tweede machinedeel, voorzien van een zaeht-magnetisch lichaam en ten minste een spoel, in welk lichaam door gleuven tanden zijn gevormd, welke elk zijn voorzien van een tandvlak voor het over een luchtspleet samenwerken met de genoemde polen, waarbij de tandvlakken onderling eenzelfde tangentiele afmeting hebben, en - een machine-as, om welke het ene machinedeel ten opzichte van het andere machinedeel roteerbaar is, met het kenmerk, dat de gleuven zich nabij de luchtspleet over ten minste 80 eleetrische graden en ten hoogste 90 electrische graden tangentieel uitstrekken, i

2. Gelijkstroommotor, omvattende - een eerste machinedeel, voorzien van een ringvormig permanent-mag-neetlichaam met een aantal naast elkaar opgestelde, uit een noordpool en een zuidpool bestaande poolparen, - een tweede machinedeel, voorzien van een zaeht-magnetisch lichaam en ten minste een spoel, in welk lichaam door gleuven tanden zijn gevormd, welke elk zijn voorzien van een tandvlak voor het over een luchtspleet samenwerken met de genoemde polen, waarbij de tandvlakken onderling eenzelfde tangentiele afmeting hebben, en - een machine-as, om welke het ene machinedeel ten opzichte van het andere machinedeel roteerbaar is, met het kenmerk, dat de gleuven zich nabij de luchspleet over ten minste 130 electrische graden en ten hoogste 150 electrische graden tangentieel uitstrekken.

3· Gelijkstroommachine volgens conclusie 1, waarbij het aantal polen en het aantal tanden zich verhouden als 4:3, met het kenmerk, dat de gleuven zich nabij de luchtspleet over ten minste 86 electrische graden en ten hoogste 90 electrisch graden tangentieel uitstrekken.

4. Gelijkstroommachine volgens conclusie 2, waarbij het aantal polen en het aantal tanden zich verhouden als 4:3, met het kenmerk, dat de gleuven zich nabij de luchtspleet over ten minste 143 electrische graden en ten hoogste 147 electrische graden tangentieel uitstrekken.