WO1987005754A1 - Brushless electric motor - Google Patents

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WO1987005754A1
WO1987005754A1 PCT/DE1986/000437 DE8600437W WO8705754A1 WO 1987005754 A1 WO1987005754 A1 WO 1987005754A1 DE 8600437 W DE8600437 W DE 8600437W WO 8705754 A1 WO8705754 A1 WO 8705754A1
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Gerhard Henneberger
Siegfried Schustek
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K17/02—Asynchronous induction motors
    • H02K17/16—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors
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    • H02K17/02—Asynchronous induction motors
    • H02K17/16—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors
    • H02K17/18—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors having double-cage or multiple-cage rotors

Definitions

  • the invention is based on a brushless electric motor, in particular a servo motor, of the type defined in the preamble of claim 1.
  • the electric alternating or three-phase motor according to the invention which can be designed as an asynchronous or synchronous motor, with the characterizing features of claim 1 has the advantage of being able to deliver a higher torque compared to conventional servomotors of the same dimension and at the same time a smaller rotor to show moment of inertia.
  • the inner stator allows the outer stator to be reduced by approximately half the groove height in the outer diameter and the rotor yoke required for the magnetic yoke, which is found in the inner stator, to be omitted.
  • the windings of the individual strands or phases in the two stators are switched so that the effects of both stator windings add up.
  • the two concentric stators make it easier to use the construction volume required for torque generation.
  • the hollow cylindrical rotor can be made thin-walled form. It only contains the reaction parts, such as short-circuit winding in the asynchronous motor and permanent magnets in the synchronous motor.
  • the rotor is therefore low in mass and its moment of inertia is significantly lower than with conventional servomotors with the same outer diameter.
  • each stator can be designed with a coarse slot pitch and the simplest winding.
  • the interaction of the two stators results in a better approximation of the field excitation curve to the sinusoidal shape and, in the case of permanent magnet excited synchronous motors, a reduction in the relatively strong raster moments.
  • An advantageous embodiment of the invention also results from claim 6.
  • a rotor with a significantly higher rotational speed is obtained, so that according to the embodiment of the invention there are 7 spokes 7 also half-open grooves in the Have the rotor built.
  • An advantageous embodiment of the invention also results from claim 8.
  • the prestressed bandage made of non-magnetic material, for example GRP or non-magnetic stainless steel, absorbs the centrifugal forces acting on the permanent magnet segments.
  • FIG. 2 each shows a cross section of the servo motor designed as an asynchronous to 4 motor in FIG. 1 along the line II-II in FIG. 1,
  • FIG. 6 shows a cross section of the servo motor in the form of an asynchronous or synchronous motor in FIG. 1 along the line II-II in FIG. 1 according to a further exemplary embodiment. Description of the exemplary embodiments
  • the electric servo motor which can be seen in detail in longitudinal section in FIG. 1, has a cup-shaped motor housing 10 with a coaxial hollow cylindrical hub 11. Inside the hub 11, an output shaft 12 is rotatably supported by means of two ball bearings 13, 14, which are pressed in the hub 11 by means of a spacer ring 15 on radial shoulders 16, 17 on the hub 11 itself and on a hub shield 18 covering the hub 11
  • the hub shield 18 is screwed onto the hub 11 with fastening screws 19 and has a central opening 20 through which the output shaft 12 projects.
  • the hub 11 carries on the outer circumference to the bottom of the cup-shaped motor housing 10 webs 21 which are arranged evenly distributed on the circumference of the hub 11 and extend axially.
  • stator windings 28, 29 are in a conventional manner in grooves 30, 31 inserted the. are evenly distributed over the circumference of the stators 26, 27 with the same groove spacing.
  • the grooves 30, 31 are semi-open, with their openings facing the rotor 23.
  • the slot division in both stators 26, 27 is chosen to be equally large. 2-5, the two stators are aligned so that the grooves 30, 31, ie their centers, are aligned with one another in the radial direction. 6, the two stators 26, 27 are rotated relative to one another in such a way that the grooves are displaced relative to one another by half a groove pitch.
  • the motor housing 10 is closed on its open side with a housing cover 32 which has a central air passage opening 33.
  • FIG. 2 - 4 is a cross section along the line II-II shown in Fig of the formed as an asynchronous motor fragmentary first.
  • the rotor 23 is designed as a squirrel-cage rotor which, in a known manner, has conductor or cage bars 35 inserted in axially extending grooves 34 in the rotor 23, each of which has one, not shown, on each side of the rotor Short circuit ring are interconnected.
  • the grooves 34 are designed to be closed, as a result of which the scattering webs lying over the cage bars 35 toward the outer stator 26 or toward the inner stator 27 substantially improve the mechanical strength of the rotor 23.
  • the rotor 23 is designed as a double-cage rotor.
  • conductor or cage bars 36, 37 are in turn inserted in closed grooves 38, 39 arranged uniformly over the circumference of the rotor 23.
  • the cage bars 36, 37 are common at both ends by short end rings, not shown here - 7 -
  • Such a double squirrel-cage rotor is significantly more speed-resistant than the squirrel-cage rotor in FIG. 2, so that — as shown in FIG. 4 — the grooves 38, 39 can also be made semi-open.
  • the groove openings of the grooves 38 arranged in the outer plane face the outer stator 26 and the grooves 39 arranged in the inner plane face the inner stator 27.
  • the centrifugal forces acting on the permanent agnet segments 41 are absorbed by a prestressed bandage 42 made of GRP or non-magnetic stainless steel and covering the permanent magnet segments 41.
  • the gaps 43 between the permanent magnet segments 41 are also filled with magnetically non-conductive material.

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  • Power Engineering (AREA)
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Description

Bürstenloser elektrischer Motor
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem bürstenlosen elektri¬ schen Motor, insbesondere Servomotor, der im Oberbe- griff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Solσhe bürstenlosenServomotoren finden ihren Einsatz als Direktantrieb für Handhabungsgeräte und Roboter. Die Rotoren dieser Motoren sind aus Gründen des erfor¬ dernσhen magnetisσhen Rüσkschlusses im Rotor weitgehend massiv ausgebildet. Daher weisen sie ein relativ großes Trägheitsmoment auf.
Es ist bereits ein bürstenloser elektrischer Schritt¬ motor bekannt (US-PS 3 629 626) , der zur Erzielung eines massearmen Rotors, der einem einzigen Halbwellenimpuls einer Wechselspannungsquelle folgen kann, zwei konzen¬ trische Statoren aufweist, die einen dünnwandigen, rohr- förmigen Rotor innen und außen unter Bildung jeweils eines Luftspaltes umgeben. Die beiden Statoren tragen in einer gleichen Anzahl von gleichmäßig über den Sta¬ torumfang verteilten Nuten eine gleich ausgebildete Zweiphasenwicklung. Die eine Phase beider Statorwick¬ lungen ist an eine WechselSpannung gelegt, während die andere Phase jeder Statorwicklung an einer durch eine Zweiweggleichrichtung aus der Wechselspannung gewonnenen pulsierenden Gleichspannung angeschlossen ist. In dem aus Fiberglas hergestellten Rotor sind Streifen aus magnetischem Material, z.B. Eisen, eingelegt. Die Brei¬ te der Streifen und ihr gegenseitiger Abstand entspricht jeweils einer Nutteilung.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße elektrische Wechsel- oder Drehstrom¬ motor, der als Asynchron- oder Synchronmotor ausgebildet sein kann, mit den kennzeichnenden Merkmalen des An- spruchs 1 hat den Vorteil, gegenüber konventionellen Servomotoren gleicher Abmessung ein höheres Drehmoment abgeben zu können und gleichzeitig ein geringeres Rotor¬ trägheitsmoment aufzuweisen. Durch den inneren Stator kann der äußere Stator um ca. die halbe Nuthöhe im Außen- durσhmesser reduziert werden und das für den magnetischen Rückschluß erforderliche Rotorjoch entfallen, das sich im inneren Stator wiederfindet. Die Wicklungen der einzelnen Stränge oder Phasen in den beiden Statoren sind so geschaltet, daß sich die Wirkungen beider Sta- torwicklungen addieren. Durch die beiden konzentrischen Statoren läßt sich damit das für die Momenterzeugung not¬ wendige Bauvolumen besser nutzen. Durch das fehlende Ro¬ torjoch läßt sich der hohlzylindrische Rotor dünnwandig ausbilden. Er enthält nur die Reaktionsteile, wie Kurz- schlußwicklung beim Asynchronmotor und Dauermagnete beim Synchronmotor. Der Rotor ist damit massearm und sein Trägheitsmoment ist deutlich geringer als bei konven- tionellen Servomotoren mit gleichem Außendurchmesser.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Ma߬ nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse¬ rungen des im Anspruch 1 angegebenen bürstenlosen Mo¬ tors möglich.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dabei aus Anspruch 3. Durch den Versatz der beiden Statoren um eine halbe Nutteilung kann jeder Stator mit grober Nutteilung und einfachster Wicklung ausgeführt werden. Im Zusammenspiel beider Statoren ergibt sich eine bessere Annäherung der Felderregerkurve an die Sinusform und bei dauermagenterregten Synchronmotoren eine Reduktion der relativ starken Rastermomente.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch, 5. Bei einem einfachen Käfig- läufer werden vorteilhaft die Nuten geschlossen ausge¬ bildet, da die dann über den Käfigstäben verbleibenden Streustege die mechanische Festigkeit des Rotors wesentlich verbessern.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auσh aus Anspruσh 6. Durσh das Vorsehen eines Dop¬ pelkäfigs im Rotor mit gemeinsamen Kurzschlußringen er¬ hält man einen deutlich drehzahlfesteren Rotor, so daß sich gemäß der Ausführungsform der Erfindung naσh An¬ spruσh 7 auσh halboffene Nuten im Rotor realisieren lassen. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 8. Die vorgespannte Bandage aus nicht magnetischem Material, z.B. GFK oder nicht magne¬ tischem Edelstahl, fängt die an den Dauermagnetsegmen- ten angreifenden Fliehkräfte auf.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung darge¬ stellten Ausführungsbeispielen in der naσhfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils aus- schnittweise:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Servomotors,
Fig. 2 jeweils einen Querschnitt des als Asynchron- bis 4 motor ausgebildeten Servomotors in Fig. 1 längs der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 5 einen Querschnitt des als Synchronmotor ausgebildeten Servomotors in Fig. 1 längs der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 6 einen Querschnitt des als Asynchron- oder Synchronmotor ausgebildeten Servomotors in Fig. 1 längs der Linie II-II in Fig. 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Besσhreibung der Ausführungsbeispiele
Der in Fig. 1 ausschnittweise im Längsschnitt zu sehende elektrische Servomotor weist ein topfförmiges Motorge¬ häuse 10 mit einer koaxialen hohlzylindrischen Nabe 11 auf. Im Innern der Nabe 11 ist eine Abtriebswelle 12 mittels zweier Kugellager 13,14 drehbar gelagert,die in der Nabe 11 mittels eines Distanzringes 15 an Radialschultern 16,17 an der Nabe 11 selbst und an einem die Nabe 11 abdeckenden Nabenschild 18 angepreßt werden.Das Nabenschild 18 ist mit Befestigungsschrauben 19 auf der Nabe 11 aufgeschraubt und weist eine zentrale Öffnung 20 auf, durch welche die Abtriebswelle 12 hindurchragt. Die Nabe 11 trägt am Außenumfang bis zum Boden des topfförmigen Motorgehäuses 10 reichende Stege 21, die gleichmäßig am Umfang der Nabe 11 verteilt angeordnet sind und axial verlaufen.
Mit der Abtriebswelle 12 ist eine etwa schalenförmige Trägarscheibe 22 fest verbunden, an deren Schalenrand ein rohrförmiger Rotor 23 befestigt ist, der von der Trägerscheibe 22 koaxial zur Abtriebswelle 12 freitra- gend wegstrebt. Der Rotor 23 ragt unter Belassung je¬ weils eines Luftspaltes 24 bzw. 25 auf beiden Seiten des Rotors zwischen zwei Statoren 26,27 hinein. Von den beiden Statoren 26,27, die üblicherweise als Blechpakete ausgebildet sind, ist der äußere Stator 26 am Motorge- häuse 10 befestigt, während siσh der innere Stator 27 " an den Stegen 21 auf der Nabe 11 abstützt. Die beiden Statoren 26,27 tragen jeweils eine identisσhe mehrphasige Statorwiσklung 28,29, die als Wellen- oder Sσhleifenwiσk- lung, Spulen- oder Stabwiσklung, Ein- oder Zweischicht- wiσklung ausgebildet sein kann.
Wie besonders aus Fig. 2 - 6 zu sehen ist, sind die Sta- torwicklunσen 28,29 in konventioneller Weise in Nuten 30,31 eingelegt, die. über den Umfang der Statoren 26,27 gleiσhmäßig verteilt mit gleiσher Nutteilung angeord¬ net sind. Die Nuten 30, 31 sind halboffen ausgeführt, wobei ihre Öffnungen jeweils dem Rotor 23 zugekehrt sind. Die Nutteilung in beiden Statoren 26,27 ist gleiσh groß gewählt. In Fig. 2 - 5 sind die beiden Statoren so ausgerichtet, daß die Nuten 30,31, d.h. ihre Mitten, in Radialrichtung miteinander fluchten. In Fig. 6 sind die beiden Statoren 26,27 so gegeneinander verdreht, daß die Nuten um eine halbe Nutteilung gegeneinander ver¬ schoben sind. Das Motorgehäuse 10 ist auf seiner offenen Seite mit einem Gehäusedeckel 32 verschlossen, der eine zentrale Luftdurchtrittsöffnung 33 aufweist.
In'Fig. 2 - 4 ist ein Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 des als Asynchronmotor ausgebildeten Motors ausschnittweise dargestellt. In Fig. 2 ist dabei der Rotor 23 als Käfigläufer ausgebildet, der in bekannter Weise in axial verlaufenden Nuten 34 im Rotor 23 einge¬ legte Leiter- oder Käfigstäbe 35 aufweist, die auf beiden Seiten des Rotors durch jeweils einen, hier nicht darge¬ stellten Kurzschlußring miteinander verbunden sind. Die Nuten 34 sind geschlossen ausgebildet, wodurch die über den Käfigstäben 35 zum äußeren Stator 26 bzw. zum inneren Stator 27 hin liegenden Streustege die mechanische Festig- keit des Rotors 23 wesentlich verbessern.
Sei dem in Fig. 3 ausschnittweise im Querschnitt zu sehen¬ den Asynσhronmotor ist der Rotor 23 als Doppelkäfigläufer ausgebildet. Hier sind in zwei konzentrisσhen Ebenen wie¬ derum Leiter- oder Käfigstäbe 36,37 in gleiσhmäßig über den Umfang des Rotors 23 angeordneten gesσhlossenen Nuten 38,39 eingelegt. Die Käfigstäbe 36,37 sind an beiden Enden durσh gemeinsame, hier niσht dargestellte Kurschlußringe - 7 -
miteinander verbunden. Ein solcher Doppelkäfigläufer ist deutlich drehzahlfester als der Käfigläufer in Fig. 2, so daß - wie dies in Fig. 4 dargestellt ist - die Nuten 38,39 auch halboffen ausgeführt werden können. Die Nutöffnungen der in der äußeren Ebene angeordneten Nuten 38 sind dabei dem äußeren Stator 26 und der in der inneren Ebene angeordneten Nuten 39 sind dem inneren Stator 27 zugekehrt.
In Fig. 5 ist ausschnittweise ein Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 des als Synchronmotor ausgebil¬ deten Servomotors dargestellt. Die Statoren 26,27 mit den Statorwicklungen 28,29 sind unverändert. Der Rotor 23 besteht aus einem dünnen, nicht magnetischen Stützrohr 40, z.B. aus GFK oder nicht magnetischem Edelstahl, auf dem mit geringem Abstand voneinander Dauermagnetsegmente 41 aufgeklebt sind. Die Breite der Dauermagnetsegmente 41 in Umfangsrichtung des Rotors 23 entspricht hier etwa dem Vierfachen der Nutteilung. Die Dauermagnet¬ segmente 41 sind in Radialrichtung magnetisiert, so daß wechselweise der Nordpol der Dauermagnetsegmente 41 zum äußeren Stator 26 und der Südpol zum inneren Stator 27 und umgekehrt hin weist. Die an den Dauer ag- netsegmenten 41 angreifenden Fliehkräfte werden von einer die Dauermagnetsegmente 41 überziehenden vorgespannten Bandage 42 aus GFK oder nicht magnetischem Edelstahl aufgefangen. Die Lücken 43 zwischen den Dauermagnet¬ segmenten 41 sind ebenfalls mit magnetisch nichtleiten¬ dem Material ausgefüllt.

Claims

Ansprüche
1. Bürstenloser elektrischer Motor, insbesondere
Servomotor, mit einem Motorgehäuse, mit einem im Motorgehäuse befestigten hohlzylindrischen Stator, der eine als Wellen- oder Schleifenwicklung, Spulen¬ oder Stabwicklung, .Ein- oder Zweischiσhtwiσklung aus¬ gebildete, in Nuten einliegende mehrphasige Stator- wiσklung trägt, und mit einem im Innern des Stators unter Bildung eines Luftspaltes koaxial zum Stator angeordneten, mit einer Abtriebswelle verbundenen Rotor, der als Kurzschlußläufer (Asynchronmotor) oder als dauermagnetbestücktes Polrad (Synchronmotor) ausgebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ¬ n e t, daß der Rotor (23) als massekleiner Hohlzy- linder ausgebildet ist, daß im Innern des Rotors (23) ein zweiter innerer Stator (27) unter Bildung eines zweiten Luftspaltes (25) konzentrisch zum Rotor (23) angeordnet ist und daß der innere Stator (27) eine gleich ausgebildete Statorwicklung (28) trägt wie der erste äußere Stator (26) .
2. Motor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß die Nuten (30,31) in beiden Statoren (26,27) in gleicher radialer Ausriσhtung angeordnet sind, so daß ihre Nutmitten miteinander fluσhten.
3. Motor naσh Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß die Nuten (30) des einen Stators (26) gegenüber den Nuten (31) des anderen Stators (27) um eine halbe Nutteilung verschoben angeordnet sind.
4. Motor nach einem der Ansprüche 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Motorgehäuse (10) topfförmig mit einer koaxialen Nabe (11) ausge¬ bildet ist, die außen bis zum Boden des topfförmigen Motorgehäuses (10) reiσhende Axialstege (21) trägt, daß die Abtriebswelle (12) im Innern der Nabe (11) drehbar gelagert ist, daß der hohlzylindrische Rotor (23) an einer mit der Abtriebswelle (12) dreh¬ fest verbundenen, etwa schalenförmigen Trägersσhei- be (22) befestigt ist, daß der innere Stator (27) sich auf den Axialstegen (21) abstützt und daß das Motorgehäuse (10) mit einem Gehäusedeckel (32) ab¬ geschlossen ist.
5. Asynchronmotor naσh einem der Ansprüσhe 1 - 4, d a - •■ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der
Rotor (23) als Käfigläufer mit in geschlossenen Nuten (34) eingelegten Leiterstäben (35) und zwei die Leiterstäbe (35) jeweils an beiden Enden- iteinander verbindenden Kurzschlußringen ausgebildet ist (Fig.2).
6. Asynσhronmotor naσh einem der Ansprüσhe 1 - , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Rotor (23) als Doppelkäfigläufer mit in zwei konzentrisσhen Ebenen angeordneten Nuten (38,39) einliegenden Leiterstäben (36,37) und zwei die
Leiterstäbe (36,37) jeweils an beiden Enden unter¬ einander verbindenden Kurzschlußringen ausgebildet ist (Fig. 3 und 4) .
7. Asynchronmotor nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Nuten (38,39) halboffen ausgebildet sind, wobei die Nutöffnungen der in der äußeren Ebene angeordneten Nuten (38) dem äußeren Stator (26) und der in der inneren Ebene angeordneten Nuten (39) dem inneren Stator (27) zugekehrt sind (Fig. 4) .
8. Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 - 4, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der hohlzylindrische Rotor (23) ein dünnes, nicht mag¬ netisches Stützrohr (40) aufweist, auf dem in Radial- richtung magnetisierte Dauermagnetsegmente (41) mit¬ tels einer niσhtmagnetisσhen Bandage (42) gehalten sind, und daß die Lücken (43) zwischen den Dauer¬ magnetsegmenten (41) mit magnetisch nichtleitendem Material ausgefüllt sind (Fig. 5) .
• 9. Synσhronmotor nach Anspruch 8, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß die DauermagnetSeg¬ mente (41) auf dem Stützrohr (40) aufgeklebt sind.
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