DE3546226A1

DE3546226A1 - Umlaufende elektrische maschine

Info

Publication number: DE3546226A1
Application number: DE19853546226
Authority: DE
Inventors: Kinji Saitama Kawashima
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Kumagaya Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Kumagaya Seimitsu Co Ltd
Priority date: 1984-12-28
Filing date: 1985-12-27
Publication date: 1986-07-03
Also published as: DE3546226C2; US4700098A

Description

Sanyo Electric Co., Ltd., Osaka/Japan g,f <qJν

Umlaufende elektrische Maschine

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine umlaufende elektrische Maschine, die mit Präzision und mit minimierter Vibration drehbar und als elektrischer Motor oder Generator geeignet ist, und speziell auf eine rotierende elektrische Maschine aus einem Feldmagneten und einem Anker, dessen Windungen in den Schlitzen des Ankerkerns angeordnet sind, und die beispielsweise als bürstenloser Motor zum Antrieb der Kopftrommel eines Videobandgerätes geeignet ist.

Bei einer konventionellen umlaufenden elektrischen Maschine, die beispielsweise einen achtpoligen Feldmagneten und dreiphasige Ankerwicklungen aufweist, die um zwölf geschlitzte Abschnitte eines Ankerkerns gewickelt sind, erscheinen pro Umdrehung des Ankers gegenüber dem Feldmagneten 24 Verkettungsstellungs-Phänomene
(cogging-Phänomene), d.h. die Wechselwirkung zwischen Stator und Rotor weist bei jedem dieser Phänomene eine Wenigkeit auf, die auf eine Rotorumdrehung 24 Perioden hat. Unter dem "cogging-Phänomen" wird somit eine zahnförmige Änderung der Polkraft verstanden, wie nachfolgend erläutert wird.

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Fig. 11 zeigt eine schematische Vorderansicht der Anordnung von Feldmagnet und Ankerkern einer solchen umlaufenden elektrischen Maschine, die hier ein bürstenloser Elektromotor ist. In Bezug auf diese Zeichnung dient der Feldmagnet 1 als Rotor mit acht Polen und die N-PoIe sind durch gegen die Mitte gerichtete Pfeile gekennzeichnet und die S-PoIe durch nach außen gerichtete Pfeile. Der Kern 3 des Ankers 2 dient als Stator und hat zwölf Schlitze 4, die in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind. Die dreiphasigen Ankerwicklungen (nicht dargestellt) enthalten vier unterteilte Wicklungen für jede Phase, wobei jede geteilte Wicklung um einen ausgeprägten Pol gewickelt ist. Die vier geteilten Wicklungen einer jeden Phase sind in gleicher Richtung um die Pole mit einer Teilung von drei Schlitzen gewickelt.

Im dargestellten Beispiel stehen die Pole des Magneten 1 gleicher Polarität, z.B. die N-PoIe N1 bis N4 während der Drehung unterschiedlichen Schlitzen 4 gegenüber, sodaß die Verkettungskräfte sich zur vierfachen der Einzelkraft überlagern. Fig. 12 zeigt die Veränderungen der Verkettungskräfte der Pole des Feldmagneten und die Veränderungen der kombinierten Verkettungskraft bei einer Drittel-Umdrehung.

Wie aus dem Diagramm hervorgeht, erfahren die Pole gleicher Polarität des Magneten 1 Verkettung beim gleichen Drehwinkel, und die kombinierte Verkettungskraft ist die vierfache der Verkettungskraft eines jeden Poles und ist daher groß.

Es erscheint möglich, die Verkettungskraft durch Verringerung der Magnetkraft der Magnetpole oder durch Vergrößerung der Pol-zu-Pol-Distanz zwischen dem Feldmagneten 1 und dem Anker 2 herabzusetzen, die Folge

*gleichzeitig

davon sind jedoch ein verringerter Wirkungsgrad und eine geringere Ausgangsleistung. Solcher Stand der Technik ist beispielsweise in der JP-AS 49-85 68 beschrieben.

Diese Erfindung gibt eine umlaufende elektrische Maschine an, enthaltend einen Anker mit einem Ankerkern und Ankerwicklungen, wobei der Ankerkern erste ausgeprägte Pole und eine Mehrzahl von zweiten ausgeprägten Polen aufweist, die mit darin ausgebildeten Schlitzen versehen sind, die auf einer Umfangsflache verteilt sind, wobei die ersten ausgeprägten Pole der Zahl nach der Anzahl der Phasen der Ankerwicklungen entspricht und äquidistant um den Umfang verteilt sind, die zweiten ausgeprägten Pole in gleichem Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten ersten ausgeprägten Polen angeordnet sind, die Schlitze auf den gegenüberliegenden Seiten eines jeden ersten ausgeprägten Poles einen unterschiedlichen Teilungswinkel gegenüber den Schlitzen auf den gegenüberliegenden Seiten eines jeden zweiten ausgeprägten Poles aufweisen, die Ankerwicklungen um die ersten und zweiten ausgeprägten Pole oder nur um die zweiten ausgeprägten Pole ausgebildet sind. Die Maschine enthält ferner einen Feldmagneten mit unterschiedlichen Magnetpolen, die alternierend in gleichmäßigem Abstand um einen Umfang angeordnet sind und den Enden der ersten und zweiten ausgeprägten Pole gegenüberstehen, und eine Welle, die den Anker oder den Feldmagneten drehbar in Bezug auf den Feldmagneten bzw. den Anker abstützt und die ausgeprägten Pole des Ankers dem Feldmagneten mit einem vorbestimmten Spalt dazwischen gegenüberhält.

Die Erfindung gibt auch eine umlaufende elektrische Maschine an, bestehend aus einem Feldmagneten mit unterschiedlichen Magnetpolen, die alternierend in ungleichen Abständen auf einer Umfangsflache angeordnet sind, einen

Anker mit einem Ankerkern mit darin ausgebildeten Schlitzen, die in gleichmäßigen Abständen auf einer Unfangsflache verteilt sind, die der Umfangsflache gegenübersteht, um ausgeprägte Pole zwischen den Schlitzen auszubilden, wobei jeder der ausgeprägten Pole eine darumgewickelte Wicklung aufweist, und mit einer Welle, die den Anker oder den Feldmagneten drehbar gegenüber dem anderen Teil hält und die ausgeprägten Pole des Ankers dem Feldmagneten mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen gegenüberstellt.

Die Ankerwicklungen des Ankerkerns oder die Magnetpole des Feldmagneten, die dem Ankerkern gegenüberstehen, sind daher über einen Umfang so verteilt, daß die Magnetpole des Feldmagneten während der Drehung des Feldmagneten gegenüber dem Anker nicht gleichzeitig den Schlitzen des Ankers gegenüberstehen, mit der Folge, daß die Verkettungskräfte, die von den Magnetpolen erfahren werden, sich nicht zueinander addieren. Die kombinierte Verkettungskraft des Feldmagneten, die aus der Relativdrehung resultiert, ist daher der Größe nach klein, während die Verkettungsperiode verkürzt ist. Die Maschine dreht daher glatter, gleichförmiger als die bekannte Maschine.

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine umlaufende elektrische Maschine anzugeben, die eine verringerte Verkettungskraft, eine verkürzte Verkettungsperiode und eine verbesserte Wirkung des magnetischen Verkettungsflusses und einen gleichförmig drehenden Rotor aufweist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

^rin ungleichen Abständen

Fig, 1 eine schematische Vorderansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Darstellung der Anordnung eines Feldmagneten und eines Ankerkerns;

Fig. 2 ein Diagramm des Verlaufs der Verkettungskräfte der Magnetpole des Feldmagneten in Fig. 1 und des Verlaufs der kombinierten Verkettungskraft;

Fig. 3 eine schematische Frontansicht einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Darstellung der Anordnung eines Feldmagneten und eines Ankerkerns;

Fig. 4 eine schematische Frontansicht einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Darstellung der Anordnung eines Feldmagneten und eines Ankers;

Fig. 5 ein Diagramm des Verlaufs der Verkettungskräfte der Magnetpole des Feldmagneten nach Fig. 4 und der kombinierten Verkettungskraft;

Fig. 6(a) bis (c)Vektordiagramme, die jeweils die Größe des magnetischen Verkettungsflusses der Ankerwicklung einer Phase multipliziert mit der Anzahl der Windungen der Wicklung zeigen, (a) zeigt die Vektoren für konventionelle ausgeprägte Pole gleicher Teilung, (b) zeigt die Vektoren für ausgeprägte Pole erster und zweiter Teilungswinkel nach der vorliegenden Erfindung, wobei die Wicklungen mit gleicher Schlitzteilung vorgesehen sind, (c) zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem nur ausge-

prägte Pole eines zweiten Teilungwinkels Windungen tragen, die die gleiche Gesamtzahl an Leitern aufweisen, wie zuvor;

Fig. 7 einen Schnitt durch einen bürstenlosen Motor nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 eine schematische Frontansicht der Anordnung von Ankerkern und mehrpoligem Magnet von Fig.7;

Fig. 9 eine Teilabwicklung der Art der Magnetisierung des Mehrpolmagneten nach Fig. 7;

Fig. 10 ein Diagramm der Verkettungscharakteristik des bürstenlosen Motors nach Fig. 7;

Fig. 11 eine schematische Frontansicht entsprechend Fig. t einer konventionellen Maschine, und

Fig. 12 ein Diagramm entsprechend Fig. 2 der Charakteristik der konventionellen Maschine.

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf einige der Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung von Feldmagnet und Ankerkern einer umlaufenden elektrischen Maschine, die hier ein bürstenloser Außenläufer-Elektromotor ist. Diese Zeichnung entspricht Fig. 11, die eine bekannte Maschine zeigt, sodaß gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen oder Symbolen in diesen Zeichnungen versehen sind. Ein Feldmagnet 1 dient als Außenläufer und hat acht Pole. Der Kern 3 eines Ankers 2 dient als Stator und hat zwölf Schlitze 4 und ausgeprägte Pole 6. Der

Anker 2 trägt dreiphasige Ankerwicklungen, die zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt sind. Die dreiphasigen Wicklungen enthalten vier geteilte Wicklungen für jede Phase. Jede der geteilten Wicklungen ist um einen ausgeprägten Pol 6 angeordnet. In diesem Falle sind die geteilten Wicklungen derselben Phase in gleicher Richtung um die ausgeprägten Pole mit einer Teilung von drei Schlitzen gewickelt und sind miteinander in Serie geschaltet.

Die ausgeprägten Pole 6 sind in zwei Arten unterteilt: ausgeprägte Pole 6A, die mit Schlitzen mit einem ersten Teilungwinkel von 18,75° (Θ1) auf den gegenüberliegenden Seiten versehen sind, und ausgeprägte Pole 6B mit einem zweiten Teilungswinkel von 33,75° (Θ2). Die ersten ausgeprägten Pole 6A, deren Zahl der Anzahl der Phasen entspricht, sind in gleichmäßigen Abständen um den Umfang des Ankerkerns 3 angeordnet. Drei zweite ausgeprägte Pole 6B sind zwischen jeweils zwei benachbarten ersten ausgeprägten Polen 6A angeordnet.

Wenn der Feldmagnet 1 entgegen dem Uhrzeigersinn aus der Position in Fig. 1 gegenüber dem Anker rotiert, dann erzeugen die magnetischen Pole N1 bis N4 und S1 bis S4 des Feldmagneten 1 dementsprechend Verkettungen (cogging) in den in Tabelle 1 aufgeführten Drehwinkelstellungen.

In Bezug auf den Drehwinkel, bei welchem der Magnetpol N1 Verkettung erzeugt, wird ein entsprechender Winkel des Poles S1 benachbart dem Pol N2, d.h. der Drehwinkel 7,5° desselben in Tabelle 1, Zeile 1 aus
Θ1 + Θ2 - 360 χ 1/8 = 18,75 + 33,75 - 45 berechnet, da die zwei Pole um 45° (= 360 χ 1/8) gegeneinander versetzt sind. In gleicher Weise können die Drehwinkel, die in Zeile 2 und folgenden angegeben sind, bestimmt werden.

At

Die auftretenden Verkettungsdrehwinkel können in gleicher Weise für die anderen Pole N2 bis N4 und S2 bis S4 bestimmt werden. Tabelle 1 zeigt die so bestimmten Verkettungsdrehwinkel .

Die Tabelle zeigt, daß Verkettung in Drehwinkeln auftritt, die auf 96 Positionen pro Umdrehung verteilt sind. Fig. 2 zeigt den Verlauf der Verkettungskräfte der Magnetpole und den Verlauf der kombinierten Verkettungskraft davon über eine Drittelumdrehung. Der Drehwinkel ist die Abszisse über der Stärke der Verkettungskraft als Ordinate. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, sind die Drehwinkel, wo Verkettung auftritt (nachfolgend mitunter als "Verkettungswinkel" bezeichnet) über die Drehung der Pole so verteilt, daß die kombinierte Verkettungskraft ein Viertel des in Fig. 12 für die konventionelle Maschine gezeigten Wertes ist, wobei die Verkettungsperiode auf ein Viertel der konventionellen Periode reduziert ist. Die benachbarten Verkettungskräfte sind daher gegeneinander versetzt, um eine verringerte Kraft zu ergeben.

Während die obenbeschriebene Ausführungsform einen Ankerkern enthält, der zwölf ausgeprägte Pole und dreiphasige Ankerwicklungen aufweist und einen achtpoligen Feldmagneten enthält, wird nun eine umlaufende elektrische Maschine betrachtet, die einen Ankerkern mit Z ausgeprägten Polen und N-phasige Ankerwicklungen und einen Feldmagneten 2P-Polen enthält, wobei Z/N £ einem ganzzahlen Vielfachen von N ist. Bei dieser Maschine sind der Teilungswinkel der Schlitze auf gegenüberliegenden Seiten des ersten ausgeprägten Poles, d.h. Θ1, und der Teilungswinkel der Schlitze auf gegenüberliegenden Seiten des zweiten ausgeprägten Poles, d.h. Θ2, durch folgende Gleichungen gegeben:

Al ■ ' ■'■■ ·""

01 = 360

°^xf! ±

Θ2 = 360°x (1 + *Lf) (2)

Wenn " + " als " + " der Gleichung (1) verwendet wird, dann wird in der Gleichung (2) "-" als " + " verwendet. Wenn "-" in Gleichung (1) verwendet wird, dann wird " + " in Gleichung (2) verwendet.

In diesem Falle können die Positionen, wo Verkettung auftritt, auf 2Ρ·Ζ Positionen pro Umdrehung des Feldmagneten gegenüber dem Anker verteilt werden.

Tabelle 2 zeigt die Verkettungspositionen als Drehwinkel in einer zweiten Ausführungsform aufgetragen, wobei N, P und Z der Gleichungen (1) und (2) in einer anderer Kombination vorliegen. In diesem Falle ist N = 3, 2P = 10, Z = 15, Θ1 = 33,6° und Θ2 = 21,6°. Verkettung an 150 verteilten Positionen ist die Folge.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit einem Feldmagneten und einem Ankerkern. Diese Zeichnung entspricht Fig. 1, sodaß einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen oder Symbolen versehen sind, wie zuvor.

Der Feldmagnet 1 hat acht Pole und der Kern 3 des Ankers 2 hat zwölf Schlitze 4 und ausgeprägte Pole 6. Der Anker 2 hat dreiphasige Ankerwicklungen, die aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt sind. Die Wicklungen enthalten vier geteilte Wicklungen für jede Phase. Jede der geteilten Wicklungen ist um einen ausgeprägten Pol 6 angeordnet. In diesem Falle sind die geteilten Wicklungen

der gleichen Phase in gleicher Richtung um die ausgeprägten Pole angeordnet mit einer Teilung von drei Schlitzen und sind miteinander in Serie geschaltet.

Die ausgeprägten Pole 11 sind in zwei Arten unterteilt: erste ausgeprägte Pole 6A sind durch gegenüberliegende Schlitze mit einem Teilungswinkel von 41,25° (Θ1) ausgebildet und zweite ausgeprägte Pole 6B sind mit einem Teilungswinkel von 26.25° (Θ2) ausgebildet. Drei erste ausgeprägte Pole 6A sind in gleichmäßigen Abständen auf dem Umfang des Ankerkerns 3 angeordnet. Drei zweite ausgeprägte Pole 6B sind zwischen jeweils 2 benachbarten ersten ausgeprägten Polen 6A angeordnet.

Bezüglich des Verkettungswinkels des Magnetpols N1, wie der Winkel des Magnetpols S1 benachbart dem Pol N1 als Beispiel, wird der Drehwinkel 22,5° desselben in Tabelle 3 Zeile 1 berechnet aus

Θ1 + Θ2 - 360 χ g = 41,25 +26,25 - 45, da die zwei Pole gegeneinander um 45° (= 360 χ *) gegeneinander versetzt sind. In ähnlicher Weise können die Drehwinkel, die in Zeile 2 und folgenden angegeben sind, bestimmt werden. Die Verkettungswinkel können in gleicher Weise für die anderen Pole N2 bis N4 und S2 bis S4 bestimmt werden. Tabelle 3 zeigt die Verkettungswinkel, die man auf diese Weise erhält.

Die Tabelle zeigt, daß die Verkettungswinkel auf 96 Positionen pro Umdrehung verteilt sind.

Während die obige Ausführungform eine dreiphasige Ankerwicklung und einen achtpoligen Feldmagneten aufweist,

e
wird nun eine umlaufende elktrische Maschine betrachtet, die N-phasige (N ist eine ungerade Zahl von wenigstens 3) Ankerwicklungen und einen Feldmagneten mit 2P-Polen

aufweist (P ist eine ganze Zahl nicht kiein-r aiö ΝΛ.). Bei dieser Maschine sind der Teilungswinkel Θ1 der Schlitze auf gegenüberliegenden Seiten des ersten ausgeprägten Poles und der Teilungswinkel Θ2 der Schlitze auf gegenüberliegenden Seiten des zweiten ausgeprägten Poles durch folgende Gleichungen gegeben:

Θ1 = 360°x(|^lp) (3)

02 - 2S0°rJ (2P.-N).P+1 \° _m

O^ - cSbU X(_2P.N.P.(P-1) J ^[*>

In diesem Falle können die Positionen, wo Verkettung auftritt, auf 2Ρ'Ν·Ρ Positionen pro Umdrehung des Feldmagneten gegenüber dem Anker verteilt sein.

Nachfolgend wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert

Fig. 4 zeigt eine schematische Frontansicht der Anordnung von Feldmagnet und Anker einer umlaufenden elektrischen Maschine, die vorliegend ein bürstenloser Außenläufermotor ist. Die Zeichnung entspricht Fig.1, sod-aß in dieser Zeichnung entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen oder Symbolen, wie zuvor verwendet, versehen sind.

Der Feldmagnet 1 dient als Außenläufer und hat 16 Pole, während der Kern 3 des Ankers 2 als Stator dient und zwölf Schlitze 4 und ausgeprägte Pole 6 aufweist.

Die ausgeprägten Pole 6 sind in zwei Arten unterteilt: ausgeprägte Pole 6A, die durch gegenüberliegende Schlitze mit einem ersten Teilungswinkel von 35,625° (Θ1) ausgebildet sind, und ausgeprägte Pole 6B mit einem zweiten Teilungswinkel von 28,125° (Θ2). Drei erste ausgeprägte

Pole 6A sind in gleichmäßigem Abstand um den Umfang des Ankerkerns 3 angeordnet. Drei zweite ausgeprägte Pole 6B sind zwischen jeweils zwei benachbarten ausgeprägten Polen 6A angeordnet.

Der Anker 2 hat dreiphasige Ankerwicklungen U, V und W, die dreigeteilte Wicklungen U2, U3, U4 oder V1, V3, V4 oder W1 , W2, W4 für jede Phase enthalten. Jede geteilte Wicklung ist um einen ausgeprägten Pol 6B angeordnet. In diesem Falle sind die geteilten Wicklungen der gleichen Phase um ausgeprägte Pole 6B mit dem zweiten Teilungswinkel ausgebildet, die in einer Teilung von drei Schlitzen angeordnet sind, wie in Fig. 4 dargestellt ist und die miteinander in Serie geschaltet sind. Wenn daher die ausgeprägten Pole, die in der Drei-Schlitz-Teilung angeordnet sind, einen ausgeprägten Pol 6A mit dem ersten Teilungswinkel einschließen, dann ist die entsprechende Wicklung U2, V2 oder W2 nicht auf den Pol 6A gewickelt. Wenn daher die Ankerwicklungen, wie üblich, die gleiche Anzahl Leiter (im Ankerwiderstand) aufweisen, dann kann jede geteilte Wicklung 12/9-mal die übliche einer Wicklung in bzw. bezüglich der Zahl von Windungen sein.

Wenn der Feldmagnet 1 entgegen dem Uhrzeigersinn aus der Position von Fig. 4 sich gegenüber dem Anker dreht, dann erzeugen die Manfeetpole N1 bis N8 und S1 bis S8 des Feldmagneten 1 Verkettung*an den in Tabelle 4 angegebenen Drehwinkeln.

In Bezug auf den Verkettungswinkel des Magnetpols N1, wie der Winkel des Magnetpols S1 benachbart dem Pol N1 als Beispiel, wird der Drehwinkel 13,125° desselben in Tabelle 4 ZeiIeI berechnet aus Θ1 - 360 χ 1/16 = 35,625 - 22,5, da die zwei Pole gegeneinander um 22,5
(= 360 χ 1/16) versetzt sind. In gleicher Weise können

^:d.h. ein "cogging-Phänomen"

die Drehwinkel in Zeile 2 und folgenden bestimmt werden. Die Drehwinkel, bei denen Verkettung auftritt, können für die anderen Pole N2 bis N8 und S2 bis S8 in gleicher Weise bestimmt werden. Tabelle 4 zeigt diese so bestimmten Winkel.

Tabelle 4 zeigt, daß die Verkettungswinkel auf 192 Positionen pro Umdrehung verteilt sind. Fig. 5 zeigt den Verlauf der Verkettungskräfte der Magnetpole und der kombinierten Verkettungskraft derselben während einer Drittel-Umdrehung. In dem Diagramm ist der Drehwinkel als Abszisse über der Stärke der Verkettungskraft als Ordinate aufgetragen. Wie man erkennt, sind die Drehwinkel, wo Verkettung während der Drehung der Pole auftritt, so verteilt, daß die kombinierte Verkettungskraft ein Viertel des Wertes für eine konventionelle Maschine (mit 16 Polen und 12 Schlitzen) ist, wobei die Periode der Verkettung auf ein Viertel der üblichen Periode reduziert ist. Die benachbarten Verkettungskräfte sind daher gegeneinander versetzt, um eine verminderte Kraft zu ergeben.

Die Figuren 6 (a) bis (c) sind Vektordiagramme. Der Vektor repräsentiert die Größe des magnetischen Flusses des Feldmagneten 1 verkettet mit der Ankerwicklung einer jeden Phase multipliziert mit der Anzahl der Wicklungswindungen. Fig.6 (a) stellt den konventionellen Fall nach Fig. 11 dar. Fig. 6 (b) stellt den Fall dar, bei dem vier geteilte Wicklungen als Wicklungen für jede Phase dienen und auf den ausgeprägten Polen der Ankerkerne nach Fig. 4 in konventioneller Art ausgebildet sind. Fig. 6 (c) stellt die Ausführungsform nach Fig. 4 dar. In diesen Zeichnungen repräsentiert ein Pfeil das Produkt der Windungsanzahl einer geteilten Wicklung multipliziert mit der Größe des magnetischen Flusses des

*f ft · β ·

- χ - 3546228

mit der Wicklung verketteten Feldmagneten 1 . Oede der Figuren 6 (a) und (b) zeigt die Summe von vier Vektoren, da die Ankerwicklungen für jede Phase viergeteilte Wicklungen sind. Fig. 6 (c) zeigt die Summe von drei Vektoren, da die Ankerwicklungen für jede Phase dreigeteilte Wicklungen sind. Wenn viergeteilte Wicklungen als Ankerwicklungen jeder Phase dienen, dann wird das Produkt der Windungsanzahl der geteilten Wicklung multipliziert mit der Größe des magnetischen Flusses eines jeden Poles des Feldmagneten 1 als 1 angenommen und die Größe des Pfeiles repräsentiert ein Verhältnis gegenüber 1. Der numerische Wert unter jedem Pfeil zeigt das Verhältnis der effektiven Größe. Die Richtung des Pfeiles gibt eine Phasendifferenz an.

Die Zeichnungen zeigen im Falle von Fig. 6 (a), bei welchem die ausgeprägten Pole des Ankerkerns gleiche Teilung aufweisen, daß die Summe der Vektoren 3,464 ist, daß aber im Falle von Fig. 6 (b), in welchem die ausgeprägten Pole unterschiedliche Teilung aufweisen, wie in Fig. 1 dargestellt ist, und viergeteilte Wicklungen als Ankerwicklungen für eine Phase dienen und in gleicher Richtung um die betreffenden Pole gewickelt sind, die eine Drei-Schlitz-Teilung aufweisen, die Summe der Vektoren 3,318 ist und kleiner ist, als jene in Fig. 6 (a), um einen verringerten Wirkungsgrad anzuzeigen, während die Verkettungscharakteristika jene sind, die in Fig. 5 gezeigt sind.

Im Fall der vorliegenden Erfindung, der in Fig. 6 (c) dargestellt ist, ist, wenn die Ankerwicklungen der Zahl der Leiter nach mit der konventionellen Maschine übereinstimmen, die Zahl der geteilten Wicklungen kleiner, sodaß die Windungsanzahl einer jeden geteilten Wicklung 12/9 der konventionellen ist. Die Summe der Vektoren ist

daher 3,632 und ist um 4,8% größer als jene in Fig. 6 (a), es ergibt sich daher ein höherer Wirkungsgrad.

In diesem Falle sind die Teilungswinkel Θ1 der gegenüberliegenden Schlitze, die den ersten ausgeprägten Pol ausbilden, und der Teilungswinkel Θ2 der gegenüberliegenden Schlitze, die den zweiten ausgeprägten Pol ausbilden, im allgemeinen aus den Gleichungen (1) und (2) berechnet.

Fig. 7 zeigt eine Darstellung im senkrechten Schnitt eines bürstenlosen Motors gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.

Ein Stator 15 hat ein Tragteil 16, das einen Ankermagnetkern 11 trägt. Der Kern 11 besteht aus einem hochmagnetischen Material. Wie aus Fig. 8 zu erkennen ist, sind längs des Umfangs des Kerns 11 ausgeprägte Pole 12 gleicher Breite ausgebildet. Ein Schlitz 13 ist zwischen jeweils benachbarten ausgeprägten Polen 12 vorhanden.

Der Ankerkern 11 hat dreiphasige Ankerwicklungen 17 (in Fig. 8 nicht dargestellt), die zwei geteilte Wicklungen für jede Phase enthalten. Jede geteilte Wicklung ist auf einem ausgeprägten Pol angeordnet. Die geteilten Wicklungen der gleichen Phase sind auf dem gegenüberliegenden Paar ausgeprägter Pole vorgesehen, die in einer Drei-Schlitz-Teilung angeordnet sind, um die gleiche Polarität zu ergeben, und sind miteinander in Serie geschaltet.

Ein Rotor 18 hat einen ringförmigen mehrpoligen Magnet H, der die ausgeprägten Pole 12 unter Einhaltung eines Abstandes zwischen dem Magnet und den äußeren Enden des ausgeprägten Poles 12 umgibt. Der Rotor hat eine Rotorwelle 19, die von dem Tragteil 16 drehbar gelagert wird.

• *

Der Stator 15 weist drei Positionssensoren 20, beispielsweise Hall-Effekt-Sonden, auf, die in gleichmäßigem Winkelabstand dem Magneten 14 gegenüberstehend angeordnet sind.

Der mehrpolige Magnet 14 enthält zwei Schichten, d.h. einen ersten und einen zweiten Polabschnitt 21 bzw. 22. Der erste Polabschnitt 21 ist über unterschiedliche Längen L1, L2, L3 .... magnetisiert und steht den Polen 12 gegenüber. Der zweite Polabschnitt 22, der den Positionssensoren 20 gegenübersteht, ist über gleiche Länge
(Winkel) LO magnetisiert.

Wenn der bürstenlose Motor drei Phasen, sechs Schlitze und vier Pole hat, dann enthält der erste Polabschnitt 21 einen ersten Magnetpol N1, der sich über einen Winkel von 90° erstreckt, einen zweiten Magnetpol S2, der sich über 105° erstreckt, einen dritten Magnetpol N2, der sich über 90° erstreckt und einen vierten Magnetpol S2, der sich über 75° erstreckt.

Der zweite Polabschnitt 22 hat Magnetpole, die sich über gleiche Winkel von 90° erstrecken.

Wenn der Rotor 18 rotiert, indem die Ankerwicklungen 17 umgeschaltet werden, dann sind die Positionen, an denen Verkettung auftritt sämtlich unterschiedlich, wie in Tabelle 5 aufgelistet. Die Ankerwicklungen werden auf der Grundlage von Detektorsignalen von den Positionssensoren 20 umgeschaltet. Ein solcher Drehantriebsmechanismus ist bereits bekannt und braucht hier nicht weiter beschrieben oder dargestellt zu werden.

Tabelle 5 zeigt, daß, wenn die Winkel, über die sich die ersten bis vierten Magnetpole N1 bis S2 erstrecken, in

geeigneter Weise bestimmt sind, zwei oder mehr Verkettungsphänomene nicht gleichzeitig auftreten, sondern zeitversetzt sind, wenn der mehrpolige Magnet 14 rotiert.

Dies ist in Fig. 10 dargestellt, die die Verkettungscharakteristika zeigt. Obigeich die Magnetpole N1, S1, N2 und S2 die in den Fig. 10 (a) bis (d) dargestellten Verkettungen wie bei der bekannten Maschine erzeugen, Verkettungsphänomene nicht gleichzeitig auftreten, sodaß die kombinierte Verkettung einen geringeren Pegel und eine kürzere Periode aufweist, wie aus Fig. 10 (e) zu erkennen ist.

Darüberhinaus, wenn der mehrpolige Magnet 14 rotiert, wobei der zweite Polabschnitt 22 über gleiche Winkel magnetisiert ist, erzeugen die Positionssensoren 20 regelmäßige Detektorsignale, um die Rotation in geeigneter Weise zu steuern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung in das gleichzeitige Auftreten von Verkettungsphänomena durch ungleichmäßige Magnetisierung des ersten Polabschnitts 21 des Magneten 14 in der folgenden Weise vermeidbar.

Es sei angenommen, der bürstenlose Motor habe sechs Schlitze 4 und einen vierpoligen Magnet 14. Der erste Magnetpol N1 erstrecke sich über einen Winkel von Θ1, die ersten und zweiten Pole N1 und S2 über einen Winkel von Θ2, die ersten bis dritten Pole N1, S2 und N2 über einen Winkel von 03. Die Winkel T1, bei welchen Verkettung zwischen dem ersten Magnetpol N1 und den Schlitzen 13 bei Drehung des Magneten 14 auftreten, sind gegeben durch:

9 * tv*·- V » 1

Τ1 = (360°/6) χ Kn,

wobei die Zahlen von Ö bis 5 für Kn nacheinander in entsprechender Beziehung zu den Schlitzzahlen eingesetzt werden.

Die Winkel T2, bei welchen Verkettung zwischen dem zweiten Pol S1 und den Schlitzen 13 auftreten, sind gegeben durch:

T2 = (360°/6) χ Kn + Θ1

wobei die Zahlen von 0 bis 5 für Kn nacheinander eingesetzt werden.

Die Winkel T3, bei denen Verkettung zwischen dem dritten Pol N2 und den Schlitzen 13 auftreten, sind gegeben durch:

T3 = (360°/6) χ Kn + 92

Die Winkel T4, bei denen Verkettung zwischen dem vierten Pol S2 und den Schlitzen auftreten, sind in gleicher Weise gegeben durch:

T4 = (360°/6) χ Kn + Θ3.

9m ist so bestimmt, daß die Winkel T1 bis T4, die man aus dem obigen Gleichungen durch aufeinanderfolgendes Einsetzen der Schlitzanzahlen oder vorbestimmten Winkelwerte für Kn oder 9m erhält, unterschiedlich sind.

Die Werte in Tabelle 5 erhält man, wenn man die folgende Werte für Θ1 bis Θ3 verwendet:

Θ1 = 90°
Θ2 = 195°
93 = 285°

Man kann auf diese Weise erreichen, daß Verkettung mit gleichmäßiger Verteilung auftritt.

Wenn die Anzahl der Magnetpole des Feldmagneten 2P und die Anzahl der ausgeprägten Pole des Ankers Q ist, dann kann man eine gleichmäßige Verteilung der Verkettungsphänomena durch Veränderung jedes Magnetpoles des Feldmagneten um einen Winkel von 360/(2P'Q) multipliziert mit einem ganzzahligen von einem Winkel 360/2P erhalten.

Bei der Ausführungsform, bei der die Anzahl der Magnetpole gleich vier und die Anzahl der ausgeprägten Pole gleich sechs ist, sind die zweiten und vierten Magnetpole Si und S2 so ausgebildet, daß sie sich um 15 voneinander unterscheiden.

Wenn die Anzahl der Magnetpole des Feldmagneten gleich sechs und die Anzahl der ausgeprägten Pole des Ankers gleich neun ist, dann sind die Magnetpole des Feldmagneten so dimensioniert, daß sie sich über Winkel von 60°, 53,3°, 73,4°, 60°, 46,6° und 66,7° in der angegebenen Folge erstrecken, wodurch die Verkettungsphänomena verteilt werden können, wenn sie kombiniert sind.

Wenn es jedoch lediglich gewünscht wird, die kombinierte Verkettungskraft zu verkleinern, dann braucht eine Verkettung nicht in gleichem Zeitintervall aufzutreten, sofern die Verkettungsphänomena nicht gleichzeitig auftreten.

Bei dem bürstenlosen Motor nach der vorliegenden Erfin-

dung brauchen die ersten und zweiten Polabschnitte 21 und 22 nicht ein integrales Teil zu sein, sondern können als getrennte Teile hergestellt werden, die man aneinander befestigt.

Obgleich jede der zuvor erläuterten Ausführungsformen ein bürstenloser Motor ist, bei dem der Feldmagnet als Rotor dient, kann die Erfindung auch als Maschine verwirklicht werden, bei der der Feldmagnet als Stator dient und der Anker ein Rotor ist. Die Lage des Feldmagneten ist nicht darauf beschränkt, außerhalb des Ankers zu liegen, sondern kann auch innerhalb des inneren Umfangs des Ankers liegen.

Weiterhin kann die vorliegende Erfindung auch als Maschine ausgeführt sein, bei der der Anker und der Feldmagnet axial einander unter Ausbildung eines Spaltes gegenüberstehen.

Tabelle 1

Drehwinkel (°)

1 Ni	S,	N₂	3.75	N₃	S-j	N^	S - S
O	7.5	30	37.5	26.25	15	22.5	11.25
IS. 75	41.25	48.75	71.25	60	33. 75	55.25	45
52.5	75	82.5	105	78.75	67.5	.90	63.75
86.25	93. 75	116. 25	123. 75	112.5	101.25	108.75	97.5
120	127.5	150	157.5	146.25	135	142.5	131.25
138.75	161. 25	168.75	191.25	180	153. 75	176. 25	165
172.5	195	202. 5	225	198. 75	187.5	210	183.75
206.25	213. 75	236.25	243. 75	232. 5	221.25	228.75	217. 5
240	247.5	270	277.5	266.25	255	252.5	251.25
258.75	281.25	288.75	311.25	300	273.75	296.25	285
292. 5	315	322.5	345	318.75	307.5	330	303.75
326. 25	333.75	355. 25	352. 5	341.25	348.75	rt ο — r* I

Tabelle 2

Drehwinkel (°)

.Ni	19.2	N₂	S-	N₃	Si	Nu	21.6	Ns	Si
O	40.ε	4.8	12	9.6	16.8	2.4	43.2	7.2	14 .4
33.6	62.4	26.4	45.6	31.2	38.4	24	64.8	28.8	36
55.2	84	48	.67.2	52.8	60	57.6	86.4	50.4	69.6
76.8	117.6	81.6	88.8	74.4	93.6	79.2	108	72	91.2
98.4	139.2	103.2	110.4	96	115.2	100.8	141.6	105.6	112.8
120	160.8	124.8	132	129.6	136.8	122.4	163.2	127.2	134.4
15 3.6	182.4	146.4	165.6	151.2	15 8.4	144	184.8	148.8	156
175.2	204	168	187.2	172.8	18Q	177.6	206.4	170.4	189.6
196.8	237.6	201.6	208.8	194.4	213.6	199.2	228	192	211.2
218.4	259.2	223.2	230.4	216	235.2	220.8	261.6	225.6	232.8
240	280.8	244.8	252	249.6	256.8	242.4	283.2	247.2	254.4
273.6	302.4	266.4	285.6	271.2	278.4.:	264	304.8	268.8	276
295.2	324	288	307.2	292.8	300	297.6	326.4	290.4	309.6
316.8	357.6	321.6	328.8	314.4	333.6	319.2	348	312	331.2
338.4	343.2	350.4.	336.. .	355.2	340.8	345.6	352.8

Tabelle 3

Drehwinkel (°)

Ni	Si	Nz	S₂	No	S₃	N-i.	S-
O	22.5	3.75	26.25	7.5	15	11.25	18.75
41.25	48.75	30	52.5	33.75	56.25	37.5	45
67.5	75	71.25	78.75	60	82.5	63.75	86.25
93. 75	116.25	97.5	105	101.25	108.75	90	112.5
120	142.5	123. 75	146. 25	127.5	135	131.25	138.75
161. 25	168.75	150	172.5	153.75	176.25	157. 5	165
187. 5	195	191. 25	198. 75	180	202.5	183.75	206. 25
213. 75	236. 25	217.5	225	221.25	228.75	210	232. 5
240	262.5	243.75	266. 25	247. 5	255	251. 25	258. 75
281. 25	288.75	270	292. 5	273.75	296. 25	277.5	285
307.5	Ü JL W	311.25	318.75	300	322.5	303. 75	326. 25
333.75	356. 25	WW i , W	345	341. 25	348.75	330	352.5

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BAD ORIGINAL

Tabelle 5

Drehwinkel (°)

	Kn = O	i\ η = 1	Kn = 2	Kn=3	Kn = 4	K η = 5
Ti	0	6 0	12 0	18 0	2 4 0	3 0 0
T₂	9 0	1 5 O	2 10	2 7 0	3 3 0	3 9 0
T3	195	2 5 5	3 1 5	3 7 5 ( 1 5)	4 3 5 ( 75)	4 9 5 (13 5)
T4	2 8 5	3 4 5	4 0 5 ( 4 5)	4 6 5 (10 5)	5 2 5 (16 5)	5 8 5 (2 2 5)

Leerseite -

Claims

Sanyo Electric Co., Ltd., Osaka/Japan £>f Patentansprüche

1. Umlaufende elektrische Maschine, enthaltend einen Anker mit einem Ankerkern und Ankerwicklungen, wobei der Ankerkern erste ausgeprägte Pole und eine Mehrzahl von zweiten ausgeprägten Polen aufweist, die durch auf einer Umfangsflache darin angeordnete Schlitze ausgebildet werden, die ersten ausgeprägten Pole der Anzahl gleich der Zahl der Phasen der Ankerwicklungen sind und äquidistant um den Umfang verteilt sind, die zweiten ausgeprägten Pole in gleichmäßigem Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten ersten ausgeprägten Polen angeordnet sind, die Schlitze auf gegenüberliegenden Seiten eines jeden ersten ausgeprägten Poles im Teilungswinkel verschieden von den Schlitzen an den gegenüberliegenden Seiten eines jeden zweiten ausgeprägten Poles sind, die Ankerwicklungen um die ersten und zweiten ausgeprägten Pole oder nur um die zweiten ausgeprägten Pole gewickelt sind, und weiterhin enthaltend einen Feldmagneten mit unterschiedlichen Magnetpolen, die alternierend in gleichmäßigem Abstand und auf einem Umfang angeordnet

sind, um den Enden der ersten und zweiten ausgeprägten Pole gegenüber zu stehen, und ferner enthaltend eine Welle, die den Anker oder den Feldmagneten drehbar gegenüber dem Feldmagneten bzw. dem Anker lagert und die ausgeprägten Pole des Ankers dem Feldmagneten mit vorbestimmten Abstand dazwischen gegenüberhält.

2. Maschine nach Anspruch 1, bei der Teilungswinkel Θ1 der Schlitze auf gegenüberliegenden Seiten des ersten ausgeprägten Poles beträgt:

Θ1 = 360° χ 1 + (

und der Teilungswinkel Θ2 der Schlitze auf gegenüberliegenden Seiten des zweiten ausgeprägten Poles beträgt:

Θ2 = 360° χ {\ + ^₁) °

wobei Z die kombinierte Anzahl der ersten ausgeprägten Pole und der zweiten ausgeprägten Pole ist, N die Anzahl der Phasen der Ankerwicklungen ist und 2P die Anzahl der Magnetpole des Feldmagneten ist.

3. Maschine Nach Anspruch 1, bei der der Teilungswinkel Θ1 der Schlitze auf gegenüberliegenden Seiten des ersten ausgeprägten Poles beträgt:

Θ1 = 360°

und der Teilungswinkel Θ2 der Schlitze auf den gegenüberliegenden Seiten des zweiten ausgeprägten Poles beträgt:

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wobei 2P die Anzahl der Magnetpole des Feldmagneten ist und N die Anzahl der Phasen der Ankerwicklungen ist.

4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein bürstenloser Motor ist.

5. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Phasen der Ankerwicklung drei ist, die Anzahl der Magnetpole des Feldmagneten acht ist, die kombinierte Anzahl der ersten und zweiten ausgeprägten Pole zwölf ist, der Teilungswinkel der Schlitze auf den gegenüberliegenden Seiten des ersten ausgeprägten Poles 41,25° ist und der Teilungswinkel der Schliltze auf den gegenüberliegenden Seiten des zweiten ausgeprägten Poles 26,25° ist.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Phasen der Ankerwicklungen drei ist, die Anzahl der Magnetpole des Feldmagneten zehn ist, die kombinierte Anzahl der ersten und zweiten ausgeprägten Pole 15 ist, der Teilungswinkel der Schlitze auf den gegenüberliegenden Seiten des ersten ausgeprägten Poles 33,6° ist und der Teilungswinkel der Schlitze auf den gegenüberliegenden Seiten des zweiten ausgeprägten Poles 21,6° ist.

7. Umlaufende elektrische Maschine mit einem Feldmagneten mit unterschiedlichen Magnetpolen, die alternierend in ungleichmäßigen Abständen auf einer Umfangsfläche ausgebildet sind, einem Anker mit einem Ankerkern mit darin ausgebildeten Schlitzen, die in gleichen Abständen auf einem Umfang der Umfangsflache gegenüberstehend ausgebildet sind, um ausgeprägte Pole zwischen den Schlitzen anzugeben, wobei jeder der ausgeprägten

354622&

Pole eine Ankerwicklung darum trägt, und einer Welle, die den Anker oder den Feldmagneten drehbar in Bezug auf den Feldmagneten bzw. den Anker trägt und die ausgeprägten Pole des Ankers dem Feldmagneten mit einem vorbestimmten Spalt dazwischen gegenüberstellt.

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenn sich ein Magnetpol des Feldmagneten von einer vorbestimmten Position zu jedem der Schlitze um einen Winkel T dreht, der Winkel Qm von der vcrbastimmtenPosition zu einem Magnetpol gerade vor dem genannten einen Magnetpol in Drehrichtung so gewählt ist, daß die Winkel T gegeben sind durch:

T = (360°/n) χ Kn + 9m

wobei η die Anzahl der Schlitze ist, m die Anzahl der

Magnetpole des Feldmagneten ist und Kn eine Zahl ist,

die jeder Schlitzzahl entspricht, und alle Winkel T voneinander verschieden sind.

9. Maschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein bürstenloser Motor ist, bei dem der Feldmagnet der Rotor ist.

10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldmagnet unterschiedliche Magnetpole aufweist, die alternierend in gleichmäßiger Verteilung angeordnet und an einem Feldmagnetteil ausgebildet sind, und daß Sensoren vorgesehen sind, die die Position des Feldmagnetteils durch Ermittlung des Magnetfeldes eines jeden Poles an dem magnetischen Teil ermitteln.