WO2008077363A2 - Electric motor having reduced detent torque - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an electric motor, in particular a DC motor, with an armature having a number of slot slots for receiving conductors of an armature winding.
- An electric motor usually converts electrical energy into mechanical work by means of magnetic fields.
- the force exerted by a magnetic field on a number of conductors of a coil is translated into motion.
- Electric motors usually generate rotating movements, but they can also perform translational.
- An electric motor typically includes a movable and a fixed main element. In special embodiments, these two main elements can move relative to each other about a fixed reference point. One of the two main elements then takes over as the carrier of a number of permanent magnets or a winding the structure of an exciter field, while in the other main element, also referred to as an anchor, the energy conversion takes place.
- the anchor usually consists of a laminated core, which is formed from individual sheets and in which the armature winding is on or applied.
- the stator consists of main poles with Polkernen and Polschu- hen, the exciter winding, which sits on the pole cores, and the yoke ring, the housing.
- the exciter winding is often replaced by permanent magnets.
- compensation windings may be mounted in the pole pieces of the main poles.
- the stator consists of a component with uniformly distributed mutes.
- the Excitation windings and reversing windings are then in the grooves.
- the rotor consists of rotor laminations, which are pressed on a steel shaft.
- DC motors are in certain positions "of the armature to the magnet particularly strong attractive forces. As the armature poles advertising more strongly attracted by the magnets, the closer 'they are them, the rotor remains only in certain positions are provided and results in particular at low operating voltages , ie low speeds, a jerky run.
- cogging torque occurs in all direct current motors. It has a negative effect on the noise behavior and vibration excitation and, in touch-sensitive applications, leads to noticeable pole sensitivity, which is often perceived as disturbing.
- the invention is based on the consideration that the slot slots produce a cogging torque and that a cogging torque is also generated by the attachment of further grooves. If these additional grooves are properly positioned, for example shifted by 180 ° with respect to the cogging torque of the slot slots, the existing cogging torque could be almost extinguished.
- the advantages achieved by the invention are in particular that the noise and the vibration excitations, which arise during operation of a DC motor by the cogging torque of the slot slots of the armature strongly be reduced or extinguished and thus a trouble-free operation is possible.
- PIG. 1 and 2 an electric motor in a schematic representation
- FIG. 3 a stator in cross section.
- FIG. 1 shows one half of an electric motor 1, which is referred to as
- the stator teeth 8 of the stator 4 are mounted on the yoke 10.
- the space between the stator teeth 8, which is necessary for the introduction of the winding, not shown here in the groove 12, is referred to as groove slot 14, said groove slots 14 are responsible for the generation of the cogging torque.
- stator teeth 8 are each enclosed by the winding 16, as shown in FIG. 2 shows.
- the magnetic flux between the wick ment 16 and the permanent magnet 6 provides with appropriate energization for the movement of the electric motor. 1
- FIG. 3 shows the section of a laminated core 18 with grooves 12 for accommodating the winding 16 and with a tooth tip 20 of the stator tooth 8, on the circumference of which auxiliary grooves 22 are positioned at the air gap. Their positioning is calculated according to the formula from claim 1.
- the exciting current In order for the exciting current to also pass through the winding 16 and to introduce the conductors of the winding 16 into the groove 12 in the course of production of the electric motor 1 and the stator 4, the voltage narrows Groove 12 to narrow groove slots 14 between the stator teeth 8 of the stator. 4
- auxiliary grooves 22 By introducing a number of auxiliary grooves 22 into the tooth head 20 of the stator 4 with an opening angle 24 of the auxiliary groove 22, these generate a further cogging torque which is phase-shifted by 180 ° relative to the original cogging torque generated by the stator 4 and its slot slots 14 is.
- the positioning 26 of the auxiliary groove 22 on the tooth head 20 according to the formula
Abstract
An electric motor (1), particularly a direct current motor, having an armature (4) comprising a plurality of groove slots (14) for receiving current-carrying conductors of an armature winding (16), is to enable a particularly low detent torque by means of a suitable measures. For this purpose the invention provides the association of auxiliary grooves (22), the positioning of which is calculated according to the formula G<SUB>HN</SUB> = (K + 1/2) * G<SUB>NR</SUB> in relation to the center of the respectively associated groove slot (14) on a tooth (8) that is arranged between two groove slots (14), wherein K is an integer, and the detent angle FNR is calculated according to the formula G<SUB>NR</SUB> = 2p / X<SUB>R,</SUB> and the number of detents X<SUB>R</SUB> per revolution corresponds to the lowest common multiple KGV of the number of poles 2p and the number of grooves of the armature (4) N<SUB>N </SUB>.
Description
Beschreibungdescription
Elektromotorelectric motor
Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor, insbesondere Gleichstrommotor, mit einem Anker, der eine Anzahl von Nutschlitzen zur Aufnahme von Leitern einer Ankerwicklung aufweist .The invention relates to an electric motor, in particular a DC motor, with an armature having a number of slot slots for receiving conductors of an armature winding.
Ein Elektromotor wandelt üblicherweise mit Hilfe von magnetischen Feldern hauptsächlich elektrische in mechanische Arbeit um. Die Kraft, die von einem Magnetfeld auf eine Anzahl von Leitern einer Spule ausgeübt wird, wird in Bewegung umgesetzt. Elektromotoren erzeugen meist rotierende Bewegungen, sie können aber auch translatorische ausführen.An electric motor usually converts electrical energy into mechanical work by means of magnetic fields. The force exerted by a magnetic field on a number of conductors of a coil is translated into motion. Electric motors usually generate rotating movements, but they can also perform translational.
Ein Elektromotor umfasst typischerweise ein bewegliches und ein feststehendes Hauptelement . In besonderen Ausführungen können sich diese beiden Hauptelemente gegeneinander um einen festen Bezugspunkt bewegen. Eines der beiden Hauptelemente übernimmt dann als Träger einer Anzahl von Permanentmagneten oder einer Wicklung den Aufbau eines Erregerfeldes, während in dem anderen Hauptelement, auch als Anker bezeichnet, der Energieumsatz stattfindet. Der Anker besteht üblicherweise aus einem Blechpaket, das aus Einzelblechen gebildet ist und in das die Ankerwicklung ein- oder aufgebracht ist.An electric motor typically includes a movable and a fixed main element. In special embodiments, these two main elements can move relative to each other about a fixed reference point. One of the two main elements then takes over as the carrier of a number of permanent magnets or a winding the structure of an exciter field, while in the other main element, also referred to as an anchor, the energy conversion takes place. The anchor usually consists of a laminated core, which is formed from individual sheets and in which the armature winding is on or applied.
Bei der Ausführung des Elektromotors als Gleichstrommotor besteht der Stator aus Hauptpolen mit Polkernen und Polschu- hen, der Erregerwicklung, die auf den Polkernen sitzt, und dem Jochring, dem Gehäuse. Bei permanent erregten Gleichstrommotoren wird die Erregerwicklung oft von Permanentmagneten ersetzt. Zudem können in den Polschuhen der Hauptpole Kompensationswicklungen angebracht sein.In the embodiment of the electric motor as a DC motor, the stator consists of main poles with Polkernen and Polschu- hen, the exciter winding, which sits on the pole cores, and the yoke ring, the housing. In permanently excited DC motors, the exciter winding is often replaced by permanent magnets. In addition, compensation windings may be mounted in the pole pieces of the main poles.
Bei Gleichstrommotoren ohne ausgeprägte Pole besteht der Stator aus einem Bauteil mit gleichmäßig verteilten Muten. Die
Erregerwicklungen und Wendepolwicklungen befinden sich dann in den Nuten. Der Rotor besteht aus Läuferblechpaketen, die auf einer Stahlwelle aufgepresst sind. Darauf befinden sich in Nuten Ankerwicklungen und ein Stromwender, an dem die An- kerwicklungen angebracht sind.For DC motors without distinct poles, the stator consists of a component with uniformly distributed mutes. The Excitation windings and reversing windings are then in the grooves. The rotor consists of rotor laminations, which are pressed on a steel shaft. There are armature windings in grooves and a commutator, to which the armature windings are attached.
Gleichstrommotoren unterliegen in bestimmten Stellungen "von Anker zum Magneten besonders starken Anziehungskräften. Da die Ankerpole um so stärker von den Magneten angezogen wer- den, je näher' sie ihnen sind, bleibt der Rotor nur in bestimmten Stellungen stehen und ergibt sich insbesondere bei niedrigen Betriebsspannungen, d. h. geringen Drehzahlen, ein ruckelnder Lauf.DC motors are in certain positions "of the armature to the magnet particularly strong attractive forces. As the armature poles advertising more strongly attracted by the magnets, the closer 'they are them, the rotor remains only in certain positions are provided and results in particular at low operating voltages , ie low speeds, a jerky run.
Das so genannte Rastmoment kommt bei allen Gleichstrommotoren vor. Es wirkt sich negativ auf das Geräuschverhalten und auf die Schwingungserregung aus und führt in tastsensiblen Anwendungen zu merkbarer, oft als störend empfundener Polfühlig- keit.The so-called cogging torque occurs in all direct current motors. It has a negative effect on the noise behavior and vibration excitation and, in touch-sensitive applications, leads to noticeable pole sensitivity, which is often perceived as disturbing.
Einer der bisherigen Ansätze, diese Probleme zu verringern, ist beispielsweise eine möglichst schmale Ausführung der Nutschlitze sowie eine Schrägung des Ankerpaketes oder des PoI- übergangs im erregenden Hauptelement des Motors bei technolo- gisch notwendiger minimaler Nutschlitzbreite.One of the previous attempts to reduce these problems is, for example, the narrowest possible execution of the slot slots and a skew of the anchor stack or the PoI- transition in the exciting main element of the engine with technologically necessary minimum groove slot width.
Auch das Einfügen von Hilfsnuten parallel zum Nutschlitz in den Zahnkopf des Stators am Luftspalt ist üblich. Blechschnitte mit einer Hilfsnut in der Zahnmitte oder mehreren Hilfsnuten, gleichmäßig über den Zahn verteilt, sind bekannt. Diese bewirken zusätzliche Rastmomente, die bei verschiedenen Kombinationen des Verhältnisses von der Nutzahl des Ankers zur Polzahl zu einer Verringerung der Amplitude des Rastmomentes bei einer Vervielfachung der Rastfrequenz führen kön- nen. Allerdings können sie keine vollständige Auslöschung des Rastmomentes bewirken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um das Rastmoment besonders gering zu halten.The insertion of auxiliary grooves parallel to the slot slot in the tooth tip of the stator at the air gap is common. Sheet metal cuts with an auxiliary groove in the tooth center or several auxiliary grooves, evenly distributed over the tooth, are known. These bring about additional cogging torques which, given various combinations of the ratio of the number of slots of the armature to the number of poles, can lead to a reduction in the amplitude of the cogging torque with a multiplication of the latching frequency. However, they can not cause complete cancellation of the cogging torque. The invention is therefore based on the object to take appropriate measures to keep the cogging torque particularly low.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem den Nut- schlitzen Hilfsnuten zugeordnet sind, deren Positionierung sich nach, der Formel
This object is achieved according to the invention by assigning groove slots to auxiliary grooves whose positioning follows the formula
gegenüber der Mitte des jeweils zugeordneten Nutschlitzes auf einem Zahn, der den Hauptrastpunkt kennzeichnet, berechnet, wobei K eine ganze Zahl ist und der Rastungswinkel Tm. sich nach der Formelcalculated with respect to the center of the respectively assigned slot slot on a tooth, which characterizes the main point of rest, where K is an integer and the locking angle Tm. according to the formula
FNR = 2π / XR F NR = 2π / X R
berechnet und die Zahl der Rastungen XR pro Umdrehung dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen KGV aus der Polzahl 2p und der Nutzahl des Ankers NN entspricht.calculated and the number of notches X R per revolution of the least common multiple KGV from the number of poles 2p and the number of slots of the armature N N corresponds.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Nutschlitze ein Rastmoment erzeugen und dass durch das Anbringen weiterer Nuten ebenfalls ein Rastmoment erzeugt wird. Wenn diese zusätzlichen Nuten geeignet positioniert sind, beispielsweise gegenüber dem Rastmoment der Nutschlitze um 180° verschoben, könnte das bestehende Rastmoment nahezu ausgelöscht werden.The invention is based on the consideration that the slot slots produce a cogging torque and that a cogging torque is also generated by the attachment of further grooves. If these additional grooves are properly positioned, for example shifted by 180 ° with respect to the cogging torque of the slot slots, the existing cogging torque could be almost extinguished.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Geräuschentwicklung sowie die Schwingungs- anregungen, die beim Betrieb eines Gleichstrommotors durch das Rastmoment der Nutschlitze des Ankers entstehen, stark
verringert oder ausgelöscht werden und dadurch ein störungsfreier Betrieb möglich ist.The advantages achieved by the invention are in particular that the noise and the vibration excitations, which arise during operation of a DC motor by the cogging torque of the slot slots of the armature strongly be reduced or extinguished and thus a trouble-free operation is possible.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:
PIG. 1 und 2 einen Elektromotor in schematischer Darstellung undPIG. 1 and 2 an electric motor in a schematic representation and
FIG. 3 einen Stator im Querschnitt.FIG. 3 a stator in cross section.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided with the same reference numerals in all figures.
Die FIG. 1 zeigt eine Hälfte eines Elektromotors 1, der alsThe FIG. 1 shows one half of an electric motor 1, which is referred to as
Außenläufer ausgeführt ist, wobei auch eine hier nicht dargestellte Ausführung als Innenläufer denkbar ist. Dabei umschließt der bewegte Teil des Elektromotors 1, der so genannte Läufer oder Rotor 2, weshalb diese Bauform des Elektromo- tors 1 als Außenläufer bezeichnet wird, den ruhenden Teil des Elektromotors 1, den so genannten Stator 4, der sich im Inneren des Rotors 2 befindet. Am Rotor 2 sind die Permanentmagnete 6 angebracht, wobei die jeweils benachbarten Permanentmagnete 6 magnetisch unterschiedlich gepolt sind, wie anhand der Richtungspfeile erkennbar ist, die die jeweilige Richtung des Magnetflusses anzeigen.Outrunner is executed, wherein also not shown here embodiment is conceivable as an internal rotor. In this case, the moving part of the electric motor 1, the so-called rotor or rotor 2, which is why this design of the electric motor 1 is referred to as external rotor encloses the stationary part of the electric motor 1, the so-called stator 4, which is located inside the rotor. 2 located. On the rotor 2, the permanent magnets 6 are mounted, wherein the respectively adjacent permanent magnets 6 are magnetically differently poled, as can be seen from the direction arrows, which indicate the respective direction of the magnetic flux.
Die Statorzähne 8 des Stators 4 sind auf dem Joch 10 angebracht . Der Zwischenraum zwischen den Statorzähnen 8 , der für die Einbringung der hier nicht dargestellten Wicklung in die Nut 12 notwendig ist, wird als Nutschlitz 14 bezeichnet, wobei diese Nutschlitze 14 für die Erzeugung des Rastmomentes verantwortlich sind.The stator teeth 8 of the stator 4 are mounted on the yoke 10. The space between the stator teeth 8, which is necessary for the introduction of the winding, not shown here in the groove 12, is referred to as groove slot 14, said groove slots 14 are responsible for the generation of the cogging torque.
Die Statorzähne 8 sind jeweils von der Wicklung 16 umschlossen, wie die FIG. 2 zeigt. Der Magnetfluß zwischen der Wick-
lung 16 und den Permanentmagneten 6 sorgt bei entsprechender Bestromung für die Bewegung des Elektromotors 1.The stator teeth 8 are each enclosed by the winding 16, as shown in FIG. 2 shows. The magnetic flux between the wick ment 16 and the permanent magnet 6 provides with appropriate energization for the movement of the electric motor. 1
Die FIG. 3 zeigt den Ausschnitt eines Blechpaketes 18 mit Nu- ten 12 zur Aufnahme der Wicklung 16 und mit einem Zahnkopf 20 des Statorzahns 8, an dessen Umfang am Luftspalt Hilfsnuten 22 positioniert sind. Deren Positionierung errechnet sich nach der Formel aus dem Patentanspruch 1. Damit der Erregerfluß auch durch die Wicklung 16 führt und um im Zuge der Fer- tigung des Elektromotors 1 und des Stators 4 die Leiter der Wicklung 16 in die Nut 12 einzubringen, verengt sich die Nut 12 zu schmalen Nutschlitzen 14 zwischen den Statorzähnen 8 des Stators 4.The FIG. 3 shows the section of a laminated core 18 with grooves 12 for accommodating the winding 16 and with a tooth tip 20 of the stator tooth 8, on the circumference of which auxiliary grooves 22 are positioned at the air gap. Their positioning is calculated according to the formula from claim 1. In order for the exciting current to also pass through the winding 16 and to introduce the conductors of the winding 16 into the groove 12 in the course of production of the electric motor 1 and the stator 4, the voltage narrows Groove 12 to narrow groove slots 14 between the stator teeth 8 of the stator. 4
Durch die Nutung des Ankers 4 ändert sich bei Bewegung beider Hauptelemente zueinander der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises. Dabei entstehen wechselnde Kräfte zwischen den Hauptelementen Rotor 2 und Stator 4, so genannte Reluktanzkräfte,, oder bei rotationssymmetrischen Maschinen als Re- luktanzmomente bezeichnet.As a result of the groove of the armature 4, when the two main elements move relative to one another, the magnetic resistance of the magnetic circuit changes. In the process, alternating forces develop between the main elements rotor 2 and stator 4, so-called reluctance forces, or in the case of rotationally symmetrical machines, referred to as reluctance torques.
Diese Reluktanzmomente werden als Nutenrastung der Nuten 12 mit den Nutzschlitzen 14 wahrgenommen und tragen als Pendelmomente nicht zur Wirkleistung des Elektromotors 1 bei. Diese Nutenrastung führt im Betrieb des Elektromotors 1 zu Schwingungsanregungen und damit verbundener Geräuschentwicklung und in tastsensiblen Anwendungen zu merkbarer und oft als störend empfundener Polfühligkeit .These reluctance moments are perceived as Nutenrastung the grooves 12 with the payload slots 14 and do not contribute as pendulum moments to the real power of the electric motor 1 at. This Nutenrastung leads in the operation of the electric motor 1 to vibration excitations and related noise and in sensitive applications to noticeable and often perceived as disturbing Polfühligkeit.
Durch das Einbringen einer Anzahl von- Hilfsnuten 22 in den Zahnkopf 20 des Stators 4 mit einem Offnungswinkel 24 der Hilfsnut 22 erzeugen diese ein weiteres Rastmoment, das gegenüber dem ursprünglichen, durch den Stator 4 und seine Nut- schlitze 14 erzeugten Rastmoment um 180° phasenverschoben ist. Dazu wird die Positionierung 26 der Hilfsnut 22 auf dem Zahnkopf 20 nach der Formel
By introducing a number of auxiliary grooves 22 into the tooth head 20 of the stator 4 with an opening angle 24 of the auxiliary groove 22, these generate a further cogging torque which is phase-shifted by 180 ° relative to the original cogging torque generated by the stator 4 and its slot slots 14 is. For this purpose, the positioning 26 of the auxiliary groove 22 on the tooth head 20 according to the formula
berechnet .
calculated.
Bezugs zeichenlisteReference sign list
1 Elektromotor1 electric motor
2 Rotor2 rotor
4 Stator4 stator
6 Permanentmagnete6 permanent magnets
8 Statorzahn8 stator tooth
10 Joch10 yoke
12 Nut12 groove
14 Nutschlitz14 slot slot
16 Wicklung16 winding
18 Blechpaket18 laminated core
20 Zahnkopf20 tooth head
22 Hilfsnut22 auxiliary groove
24 Öffnungswinkel der Hilfsnut24 opening angle of the auxiliary groove
26 Positionierung der Hilfsnut26 Positioning of the auxiliary groove
28 Öffnungswinkel des Nutzschlitzes 14
28 opening angle of the payload slot 14
Claims
1. Elektromotor (1), insbesondere Gleichstrommotor, mit einem Anker (4) , der eine Anzahl von Nutschlitzen (14) zur Aufnahme von stromführenden Leitern einer Ankerwicklung (16) aufweist, denen in einer Positionierung, die sich nach der Formel1. Electric motor (1), in particular a DC motor, with an armature (4), which has a number of slot slots (14) for receiving current-carrying conductors of an armature winding (16), which in a positioning which follows the formula
ΓHN = (K + Y2) * Tm Γ HN = (K + Y 2 ) * T m
gegenüber der Mitte des jeweils zugeordneten Nutschlitzesopposite the center of the respective associated slot slot
(14) auf einem Zahn (8) , der jeweils zwischen zwei Nutschlitzen (14) angeordnet ist, berechnet, Hilfsnuten (22) zugeordnet sind, wobei K eine ganze Zahl ist und der Rastungswinkel TITO sich nach der Formel(14) on a tooth (8), which is in each case arranged between two slot slots (14) calculated, auxiliary grooves (22) are assigned, where K is an integer and the locking angle T ITO according to the formula
TNR = 2π / XR T NR = 2π / X R
berechnet und die Zahl der Rastungen XR pro Umdrehung dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen KGV aus der Polzahl 2p und der Nutzahl des Ankers (4) NN entspricht.calculated and the number of notches X R per revolution of the least common multiple KGV from the number of poles 2p and the number of slots of the armature (4) N N corresponds.
2. Elektromotor (1) nach Anspruch 1, bei dem der Öffnungswinkel (24) der Hilfsnuten (22) YHN sich aus dem Winkel der Nut- rastung FNR und dem Öffnungswinkel (28) des Nutschlitzes (14) γNS nach der Gleichung 
2. Electric motor (1) according to claim 1, wherein the opening angle (24) of the auxiliary grooves (22) Y HN from the angle of the Nut- catch F NR and the opening angle (28) of the slot slot (14) γ NS according to the equation
berechnet, wobei 0,9 < k.w < 1/1-calculated, where 0.9 <k. w <1 / 1-
3. Elektromotor (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei auf jedem Zahn (8) des Ankers (4) eine Hilfsnut (22) in einer vorgegebenen Positionierung, die sich aus der Formel nach Anspruch 1 berechnet, angeordnet ist. 3. Electric motor (1) according to one of claims 1 or 2, wherein on each tooth (8) of the armature (4) an auxiliary groove (22) in a predetermined positioning, which is calculated from the formula according to claim 1, is arranged.
4. Elektromotor (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei auf jedem Zahn (8) des Ankers (4) mehrere Hilfsnuten (22) jeweils in einer vorgegebenen Positionierung, die sich aus der Formel nach Anspruch 1 berechnet, angeordnet sind.4. Electric motor (1) according to any one of claims 1 or 2, wherein on each tooth (8) of the armature (4) a plurality of auxiliary grooves (22) each in a predetermined positioning, which is calculated from the formula according to claim 1, are arranged.
5. Elektromotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Hilfsnuten (22) auf jedem Zahn (8) gleichermaßen positioniert sind.5. Electric motor (1) according to one of claims 1 to 4, wherein the auxiliary grooves (22) are equally positioned on each tooth (8).
6. Elektromotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Hilfsnuten (22) auf den Zähnen (8) unterschiedlich positioniert sind. 6. Electric motor (1) according to one of claims 1 to 4, wherein the auxiliary grooves (22) are positioned differently on the teeth (8).
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