WO2001045236A1 - Elektronisch kommutierter motor - Google Patents

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electronically commutated
commutated motor
motor according
magnetic poles
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Wolfgang Krauth
Wolfgang Schwenk
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • H02K21/22—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating around the armatures, e.g. flywheel magnetos
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/146—Stator cores with salient poles consisting of a generally annular yoke with salient poles

Definitions

  • the invention relates to an electronically commutated motor with a stator carrying at least two winding strands that can be energized in succession and a permanent magnet rotor in which the magnetic poles of the stator are divided in the circumferential direction into regions with different magnetic properties and in which the Different operating characteristics of the motor can be selected at points in time and / or the duration of energization of the winding phases.
  • An electronically commutated motor of this type is known from DE 197 25 522.1 -42.
  • the pole faces facing the rotor differ
  • the air gap is high, a correspondingly higher current must be selected for the current supply in order to obtain the necessary operating data - speed and / or torque - for the motor.
  • the magnetic poles become asymmetrical with respect to their central planes, which affects possible winding spaces on both sides of the magnetic poles. This not only affects the winding of the stator, the winding space also becomes smaller for a given size of the stator.
  • This object is achieved according to the invention in that the areas differ in the size and / or shape of the pole faces directed toward the permanent magnet rotor while the height of the air gap remains the same.
  • the individual magnetic circuits between the magnetic poles of the stator and the permanent magnet rotor are not deteriorated too much.
  • different working characteristics can also be set again by varying the times at which the current is supplied and / or the duration of the current.
  • the winding of the stator remains easier compared to the motor with areas of the pole faces that vary in height
  • the winding jaws can attach to the stator magnetic poles at the same height when the stator is wound.
  • the magnetic poles can be designed symmetrically to their radial center planes, at least with their sides delimiting the winding spaces. This makes it easier to insert the winding wire into the winding room.
  • the distribution of the magnetic poles on the stator is selected so that the T-shaped magnetic poles delimit identical winding spaces on both sides and that the winding spaces of adjacent magnetic poles are divided by reflux poles.
  • Regions of the pole faces extend from the central plane of the magnetic poles over the same dimensions in the circumferential direction of the stator.
  • Different sizes of the areas of the pole faces can be achieved simply by one area extending over the entire axial dimension of the stator, while other areas only extending over a part of this dimension.
  • an area is U-shaped, with parts of the pole face closing the section at the axial ends of the stator, or that an area extends only over a central part of the axial dimension of the magnet pole ,
  • the regions of the pole faces are advantageously in a predetermined relationship to one another. If it is also provided that the areas of the pole faces are designed differently in two directions - the axial direction and the circumferential direction of the stator - then the contour of the pole face can be varied in two directions and thus a multitude of different working characteristics can be obtained, which in a large working field alone can be selected by selecting assigned energization times and energization durations.
  • FIG. 1 shows an electronically commutated motor with a permanent magnet rotor as an external rotor and a stator with two winding strands and eight magnetic poles
  • FIG. 2 shows the top view of a magnetic pole of the stator and two regions of the pole face which differ in size and shape
  • FIG. 2 shows the end view of the magnetic pole according to FIG. 2,
  • FIG. 1 shows an electronically commutated motor with a permanent magnet rotor R as the external rotor and a stator ST with two winding phases W1 and W2 and eight magnetic poles MP1, MP2, MP3, MP4 .
  • the winding strands W1 and W2 are guided with partial windings in opposite directions over magnetic poles offset by a magnetic pole, as is shown using the example of the winding strand W1 and the magnetic poles MP1 and MP3 or the winding strand W 2 and the magnetic poles MP2 and MP4.
  • the magnetic poles MP1 to MP4 have air gaps LSP of the same height to the rotor
  • the magnetic poles MP1 to MP4 are symmetrical with their inner contours, so that the winding of the stator ST is simpler than in the known motor with regions of the pole faces that change in height.
  • Different areas A1 and A2 of the magnetic poles MP1 to MP4 of the stator ST in the magnetic properties can be achieved by the size and / or shape of the pole faces facing the rotor R, as shown in FIGS. 2 and 3 and FIG. 4 and 5 views can be seen.
  • FIGS. 3 and 5 show the views of the end face of a magnetic pole MP.
  • the areas A1 and A2 based on the radial magnetic pole center plane MP-ME, extend over the same dimension in the circumferential direction of the stator ST.
  • the area A 1 forms a rectangular pole face PF1 with the size A1 x SB in FIGS. 2 and 4, with SB being the axial dimension of the magnetic pole MP. 3 clearly shows that this is essential for the winding of the stator ST
  • the inner contour of the magnetic pole MP can be designed unchanged symmetrically in order to limit the winding spaces WR1 1 and WR 1 2 on both sides in the same way if MP1 is the magnetic pole MP.
  • the area A2 of the magnetic pole MP is reduced by a recess L in the pole face PF2, namely by a partial area a x b.
  • the parts T1 and T2 of the pole face PF2 are on the axial
  • the area A1 is designed identically as in the exemplary embodiment according to FIGS. 2 and 3.
  • the area A2 which repels in shape and size produces a pole face with the central part To PF2 which is given by (A2 x SB) - 2 (cxd), since the part To is arranged centrally in the dimension SB.
  • Sections A1 and A2 extends.
  • the characteristic curves n1, M; n2, l2 and n3, l3 are adopted in FIGS. 8 and 9. If only the moment of energization of the winding phases between / and // according to FIG. 6 is changed, then the working field can be adjusted over the area hatched in FIG. 8 between the characteristic curves n1 and n2. If, on the other hand, the variation of the current duration after /// is also included, then the working field can be adjusted in the hatched area according to FIG. 9.
  • the work field that can be covered is then predetermined by the characteristic curves n 1, n2 and n3.
  • the advantage of the constant height of the air gap between the rotor and the stator also lies in the magnetic properties of the motor, which can be used in the variation of the current application and the current duration to adapt the output power. Due to relatively low currents with low output, the clock losses are kept within permissible limits. At high power outputs, the torque ripple can be kept as low as possible with overlapping energization of two phases.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Motor mit einem mindestens zwei nacheinander bestrombare Wicklungsstränge tragenden Stator und einem Permanentmagnet-Rotor, bei dem die Magnetpole des Stators in Umfangsrichtung in Bereiche mit unterschiedlichen, magnetischen Eigenschaften unterteilt sind und bei dem durch die Bestromungs-Zeitpunkte und/oder die Bestromungs-Dauer der Wicklungsstränge verschiedene Arbeitskennlinien des Motors wählbar sind. Die Anpassung der Arbeitskennlinie in einem durch Variation des Bestromungs-Zeitpunktes und der Bestromungs-Dauer lässt sich mit einem Stator verbesserter Art dadurch erreichen, dass sich die Bereiche bei gleich bleibender Höhe des Luftsplates in der Grösse und/oder Form der zum Permanentmagnet-Rotor hin gerichteten Polflächen unterscheiden.

Description

Elektr onisc h _ o m mutierter Motor
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Motor mit einem mindestens zwei nacheinander bestrombare Wicklungsstränge tragenden Stator und einem Permanentmagnet-Rotor, bei dem die Magnetpole des Stators in Umfangs- richtung in Bereiche mit unterschiedlichen, magnetischen Eigenschaften unter- teilt sind und bei dem durch die Bestromungs-Zeitpunkte und/oder die Bestromungs-Dauer der Wicklungsstränge verschiedene Arbeitskennlinien des Motors wählbar sind.
Ein elektronisch kommutierter Motor dieser Art ist aus der DE 197 25 522.1 -42 bekannt. Dabei weisen die zum Rotor gerichteten Polflächen unterschiedliche
Höhen des Luftspaltes auf, um diese unterschiedlichen Arbeitskennlinien durch Variation der Bestromungs-Zeitpunkte uπd/o'der der Bestromungs-Dauer zu erhalten. Bei großen Höhen des Luftspaltes muss dann ein entsprechend höherer Strom für die Bestromung gewählt werden, um die nötigen Betriebsdaten - Dreh- zahl und/oder Moment - für den Motor zu erhalten. Darüber hinaus werden die Magnetpole zu ihren Mittelebenen unsymmetrisch, was sich in mögliche Wickelräume zu beiden Seiten der Magnetpole auswirkt. Dies beeinträchtigt nicht nur das Bewickeln des Stators, auch der Wickelraum wird bei gegebener Baugröße des Stators kleiner.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem elektronisch kommutierten Motor der eingangs erwähnten Art die Anpassung an unterschiedliche Arbeitskennlinien zu erreichen, ohne die Wickelräume des Stators zu verringern und die Magnetkreise der einzelnen Bereiche zu sehr zu verschlechtern.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass sich die Bereiche bei gleich bleibender Höhe des Luftspaltes in der Größe und/oder Form der zum Permanentmagnet-Rotor hin gerichteten Polflächen unterscheiden.
Bei gleich bleibender Höhe der Luftspalte werden die einzelnen Magnetkreise zwischen den Magnetpolen des Stators und dem Permanentmagnet-Rotor nicht zu stark verschlechtert. Durch die Variation der Größe und/oder der Form der einzelnen Bereiche der Polflächen lassen sich unterschiedliche Arbeitskennlinien ebenfalls wieder durch Variation der Bestromungs-Zeitpunkte und/oder der Bestromungs-Dauer einstellen. Das Bewickeln des Stators bleibt jedoch einfacher gegenüber dem Motor mit Bereichen der Polflächen, die sich in der Höhe der
Luftspalte unterscheiden. Die Wickelbacken können beim Bewickeln des Stators auf gleicher Höhe der Magnetpole des Stators ansetzen. Die Magnetpole können zu ihren radialen Mittelebenen zumindest mit ihren die Wickelräume begrenzenden Seiten symmetrisch ausgebildet sein. Dadurch läßt sich der Wickeldraht einfacher in die Wickelräume einbringen. Mit der neuen Ausgestaltung des Motors läßt sich eine einfache Anpassung der
Drehzahl bzw. der Leistung des Motors bei einer verlustarmen Bestromung erreichen. Mit den unterschiedlich wählbaren Arbeitskennlinien läßt sich ein großes Arbeitsfeld abdecken.
Die Aufteilung der Magnetpole am Stator ist so gewählt, dass die T-förmig ausgebildeten Magnetpole zu beiden Seiten identische Wickelräume begrenzen und dass die Wickelräume benachbarter Magnetpole durch Rückflußpole abgeteilt sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die
Bereiche der Polflächen von der Mittelebene der Magnetpole aus über gleiche Abmessungen in Umfangsrichtung des Stators erstrecken .
Unterschiedliche Größen der Bereiche der Polflächen lassen sich einfach dadurch erreichen, dass sich ein Bereich über die gesamte axiale Abmessung des Stators, während sich andere Bereiche nur über einen Teil dieser Abmessung erstrecken.
Dabei ergeben sich zudem noch Variationsmöglichkeiten der Form in der Weise, dass ein Bereich U-förmig gestaltet ist, wobei Teile der Polfläche den Abschnitt an den axialen Enden des Stators abschließen oder dass ein Bereich sich nur über einen mittleren Teil der axialen Abmessung des Magπetpoles erstreckt.
Die Bereiche der Polflächen stehen vorteilhafterweise in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander. Ist zudem vorgesehen, dass die Bereiche der Polflächen in zwei Richtungen - axialer Richtung und Umfangsrichtung des Stators - unterschiedlich ausgebildet sind, dann kann die Kontur der Polfläche in zwei Richtungen variiert werden und damit eine Vielzahl unterschiedlicher Arbeitskennlinien erhalten werden , die in einem großen Arbeitsfeld allein durch die Auswahl zugeordneter Bestromungs- Zeitpunkte und Bestromungs-Dauern ausgewählt werden können.
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen elektronisch kommutierten Motor mit einem Permanentmagnet-Rotor als Außenläufer und einem Stator mit zwei Wicklungssträngen und acht Magnetpolen,
Fig. 2 die Draufsicht auf einen Magnetpol des Stators und zwei in Größe und Form abweichenden Bereichen der Polfläche,
Fig. 3 die stirnseitige Ansicht auf den Magnetpol nach Fig. 2,
Fig. 4 und 5 entsprechende Ansichten eines anders ausgelegten Magnetpoles,
Fig. 6 Bestromungsdiagramme der Wicklungsstränge mit Variation des Bestromungs-Zeitpunktes und der Bestromungs-Dauer, Fig. 7 die den Bestromungen nach Fig. 6 zugeordneten Arbeitskennlmien,
Fig. 8 ein Diagramm mit dem durch Variation des Bestromungs-Zeit- punktes abdeckbaren Arbeitsfeld und
Fig. 9 ein Diagramm mit dem durch Variation des Bestromungs-Zeit- punktes und der Bestromungs-Dauer abdeckbaren Arbeitsfeld
In Fig. 1 ist ein elektronisch kommutierter Motor mit einem Permanentmagnet- Rotor R als Außenläufer und einem Stator ST mit zwei Wicklungsstrangen W1 und W2 und acht Magnetpolen MP1 , MP2, MP3, MP4 .. dargestellt. Die Wicklungsstrange W1 und W2 sind mit Teilwicklungen gegensinnig über um einen Magnetpol versetzte Magnetpole gefuhrt, wie am Beispiel des Wicklungsstranges W1 und den Magnetpolen MP1 und MP3 bzw. dem Wicklungsstrang W 2 und den Magnetpolen MP2 und MP4 gezeigt ist. Die Räume zwischen benachbarten Magnetpolen MP1 und MP2 bzw. MP2 und MP3 bzw. MP3 und MP4 .. sind durch Rückflußpole RP1 , RP2, RP3 ... abgeteilt, so dass zwischen den Magnetpolen gleiche Wickelraume WR1 1 und WR12; W21 und W22, W31 und W32; W41 und WR42 für alle Magnetpole MP1 bis MP4 gebildet sind . Die Magnetpole MP1 bis MP4 stehen mit Luftspalten LSP gleicher Hohe zum Rotor
R.
Bezüglich ihrer radialen Mittelebene MP-ME sind die Magnetpole MP1 bis MP4 mit ihren Innenkonturen symmetrisch, so dass das Bewickeln des Stators ST einfacher wie beim bekannten Motor mit sich in der Höhe veränderten Bereichen der Polflächen ist.
In den magnetischen Eigenschaften unterschiedliche Bereiche A1 und A2 der Magnetpole MP1 bis MP4 des Stators ST lassen sich durch Größe und/oder Form der dem Rotor R zugekehrten Polflächen erreichen, wie an den in Fig. 2 und 3 bzw. Fig . 4 und 5 dargestellten Ansichten zu erkennen ist.
Dabei zeigen die Fig. 2 und 4 Ansichten auf die Polfläche eines Magnetpoles MP und die Fig. 3 und 5 die Ansichten auf die Stirnseite eines Magnetpoles MP. In den Ausführungsbeispielen ist vorausgesetzt, dass sich die Bereiche A1 und A2, bezogen auf die radiale Magnetpol-Mittelebene MP-ME, über dieselbe Abmessung in Umfangsrichtung des Stators ST erstrecken. Der Bereich A 1 bildet in Fig. 2 und 4 eine rechteckförmige Polfläche PF1 mit der Größe A1 x SB, wobei mit SB die axiale Abmessung des Magnetpoles MP gegeben ist. Fig. 3 läßt deut- lieh erkennen, dass dadurch die für das Bewickeln des Stators ST wesentliche
Inneπkontur des Magnetpoles MP unverändert symmetrisch ausgelegt werden kann, um beidseitig in gleicher Art Wickelräume WR1 1 und WR 1 2 zu begrenzen, wenn MP1 der Magnetpol MP ist. Der Bereich A2 des Magnetpoles MP ist durch eine Ausnehmung L in der Polfläche PF2 reduziert und zwar um eine Teil- fläche a x b. Die Teile T1 und T2 der Polfläche PF2 sind dabei an die axialen
Enden des Stators ST gelegt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 und 5 ist der Bereich A1 identisch wie beim Ausführuπgsbeispiel nach Fig. 2 und 3 ausgelegt. Der in der Form und Größe abweisende Bereich A2 ergibt mit dem mittleren Teil To eine Polfläche PF2 die durch (A2 x SB) - 2(cxd) gegeben ist, da das Teil To mittig in der Abmessung SB angeordnet ist.
Mit den Polflächen PF1 und PF2 bzw. PF3 lassen sich bei entsprechend einsetzender Bestromung zwei Arbeitskennlinien festlegen. Eine dritte Arbeits- kennlinie ergibt sich dann, wenn sich die Dauer der Bestromung über beide
Abschnitte A1 und A2 erstreckt.
Fig. 6 zeigt in einem Bestromungs-Diagramm diese Abhängigkeiten. Werden die Wicklungsstränge W1 und W2 mit der Bestromung nach / beaufschlagt und zwar im Zeitpunkt bei dem die größere Polfläche PF1 wirksam ist, dann ergeben sich die mit n 1 und 11 gekennzeichneten Kennlinien der Fig . 7. Wird der Bestromungs-Zeitpuπkt so verschoben, dass bei der Bestromung // die kleinere Polfiäche PF2 und PF3 wirksam ist, dann ergeben sich die mit n2 und 12 bezeichneten Kennlinien nach Fig. 7. Schließlich kann, wie die Bestromung nach /// zeigt, die Bestromungs-Dauer so vergrößert werden, dass sie die Wirksamkeit bei den Polflächen PF1 und PF2 bzw. PF1 und PF 3 umfaßt, dann ergeben sich die Kennlinien n3 und 13 nach Fig. 6. Die dazu gehörigen Momente M 1 , M2 und Mg des Motors sind im unteren Teil der Fig. 7 abzulesen, wenn nach /// bestromt wird .
Die Kennlinien n1 ,M ; n2,l2 und n3,l3 sind in die Fig. 8 und 9 übernommen. Wird nur der Bestromungs-Zeitpunkt der Wicklungsstränge zwischen / und // nach Fig. 6 verändert, dann läßt sich eine Anpassung des Arbeitsfeldes über den in Fig. 8 schraffierten Bereich zwischen den Kennlinien n1 und n2 vornehmen. Wird dage- gen auch noch die Variation der Bestromungs-Dauer nach /// mit einbezogen, dann läßt sich das Arbeitsfeld im schraffierten Bereich nach Fig. 9 anpassen.
Das abdeckbare Arbeitsfeld ist dann durch die Kennlinien n 1 ,n2 und n3 vorgegeben.
Der Vorteil der gleichbleibenden Höhe des Luftspaltes zwischen Rotor und Stator liegt auch in den magnetischen Eigenschaften des Motors, die bei der Variation des Bestromungseinsatzes und der Bestromungsdauer zur Anpasung der Abgabeleistung ausgenutzt werden kann. Durch relativ niedrige Ströme bei kleiner Abgabeleistung halten sich die Taktverluste in zulässigen Grenzen . Bei hohen Abgabeleistungen kann bei überlappender Bestromung zweier Phasen die Dreh- momentwelligkeit so gering wie möglich gehalten werden.

Claims

Ansprüche
1 . Elektronisch kommutierter Motor mit einem mindestens zwei nacheinander bestrombare Wicklungsstränge tragenden Stator und einem Permanentmagnet-Rotor, bei dem die Magnetpole des Stators in Umfangs- richtung in Bereiche mit unterschiedlichen, magnetischen Eigenschaften unterteilt sind und bei dem durch die Bestromungs-Zeitpunkte und/oder die Bestromungs-Dauer der Wicklungsstränge verschiedene Arbeitskennlinien des Motors wählbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bereiche (A1 ,A2) bei gleich bleibender Höhe des Luftspaltes
(LSP) in der Größe und/oder Form der zum Permanentmagnet-Rotor (R) hin gerichteten Polfiächeπ (PF1 ,PF2 bzw. PF3) unterscheiden.
2. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die T-förmig ausgebildeten Magnetpole (MP1 , MP2, MP3, MP4) zu beiden Seiten identische Wickelräume (WR1 1 und WR12 bzw. W21 und W22) begrenzen.
3. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelräume (WR12, W21 bzw. W22, W31 bzw. W32, W41 ) benachbarter Magnetpole (MP1 ,MP2; MP2,MP3; MP3,MP4) durch Rückflußpole (RP1 , RP2, RP3) abgeteilt sind.
4. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bereiche (A1 , A2) der Polflächeπ (PF1 , PF2, PF3) von der Mittelebene (MP-ME) der Magnetpole (MP) aus über gleiche Abmessungen in Umfangrichtung des Stators (ST) erstrecken.
5. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Bereich (z.B. A1 ) über die gesamte axiale Abmessung (SB) des Stators (ST), während sich andere Bereiche (z.B. A2) nur über einen Teil diese Abmessung (SB) erstrecken.
6. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich (z.B. A2) U-förmig gestaltet ist, wobei Teile (T1 , T2) der
Polfläche (PF2) den Abschnitt (A2) an den axialen Enden des Stators (ST) abschließen.
7. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich (A2) sich nur über einen mittleren Teil (To) der axialen Abmessung (SB) des Magnetpoles (MP) erstreckt.
8. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen der Polflächen (PF1 , PF2, PF3) in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander stehen.
9. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (A1 , A2) der Polflächen (PF1 , PF2 bzw. PF3) in zwei Richtungen - axialer Richtung und Umfangsrichtung des Stators - unterschiedlich ausgebildet sind.
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