DE4402411A1

DE4402411A1 - Synchronmotor mit Permanentmagnet

Info

Publication number: DE4402411A1
Application number: DE19944402411
Authority: DE
Inventors: Eiji Toyoda
Original assignee: Hitachi Taga Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Taga Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1993-01-27
Filing date: 1994-01-27
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2014-01-28
Also published as: DE4402411C2; TW236046B; JPH06225507A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Synchronmotor mit Permanentmagnet, der einen PWM (pulse width modulated = impuls breitenmoduliert)-Stromdurchgang steuert, während eine polare Position eines Rotors erfaßt wird.

Beispiele dieser Art von Synchronmotoren sind in der JP-A-58-119758 und der JP-A-1-286758 beschrieben, wobei jedes Beispiel davon einen Rotorkern mit einem daran montierten Permantmagnet und einen Stator kern mit einer Statorwicklung aufweist und die so angeordnet sind, daß sie der äußeren Peripherie des Rotors mit einem Spalt dazwischen gegenüberliegen, und wobei jedes Beispiel eine Servosteuerung bewirkt die den PWM-Strom steuert, der zu der Statorwicklung fließt, während eine polare Position des Rotors erfaßt wird.

Bezüglich der Konstruktion des Rotors und des Stators sind gewöhnlich die axiale Länge des Rotorkerns, die axiale Länge des Statorkerns und die axiale Länge des Permanentmagneten zueinander gleich ausgeführt, oder die axiale Länge von jeweils dem Rotorkern und dem Permanent magneten sind größer ausgeführt als die des Statorkerns. Wenn bei dem oben erwähnten konventionellen Synchronmotor mit Permanentmagnet eine Drehzahlsteuerung bewirkt wird, tritt Welligkeit im PWM-Strom auf, was elektromagnetische Vibrationsgeräusche im Stator verursacht. Ins besondere wenn Starten oder Abbremsen (tracking) durch die PWM- Stromdurchgangssteuerung bewirkt wird, wird die Stromwelligkeit groß, und im Ergebnis werden elektromagnetische Vibrationsgeräusche auch groß. Deshalb ist es erwünscht, die Geräusche zu reduzieren.

Ein Ziel der Erfindung ist es, einen Synchronmotor mit Permanentmag net bereitzustellen, bei dem eine zur Zeit eines PWM-Stromdurchganges bewirkte Stromwelligkeit klein ist und elektromagnetische Vibrations geräusche klein sind.

Die vorliegende Erfindung besteht aus einem Synchronmotor mit einem Permanentmagneten, der einen Rotorkern mit einem darauf montierten Permanentmagneten und einen Stator mit einer darauf montierten Stator wicklung aufweist, die so angeordnet sind, daß sie der äußeren Peripherie des Rotors mit einem Spalt dazwischen gegenüberliegen und durch Steuern eines PWM-Stromes gesteuert werden, der durch die Statorwick lung fließt, während die polare Position des Rotors erfaßt wird, wobei der Motor gekennzeichnet ist durch einen Mechanismus einer PWM- Stromdurchgangssteuerung zur Reduzierung einer Stromwelligkeit, indem jeweils die axiale Länge l₂ des Rotorkerns und die axiale Länge l₁ des Statorkerns größer als die axiale Länge l₃ des Permanentmagneten ist.

In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die axiale Länge l₁ des Statorkerns im wesentlichen gleich der axialen Länge l₂ des Rotorkerns, und jeweils die axiale Länge l₂ des Rotorkerns und die axiale Länge l₁ des Statorkerns ist größer als die axiale Länge l₃ des Permanentmagne ten.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegen den Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungsseiten.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Synchronmotors mit Permanentmagnet, wobei die Ansicht zur Erklärung des Prinzips eines Mechanismus eines Synchronmotors mit Permanentmagnet zur Reduzierung einer Stromwel ligkeit ist;

Fig. 2 ist eine Ansicht von Wellenformen des PWM-Stromes in einer PWM-Stromdurchgangssteuerung des Synchron motors mit Permanentmagnet;

Fig. 3a ist eine Schnittansicht eines Teils des Synchronmotors mit Permanentmagnet, die deren Induktanzkomponenten zeigt;

Fig. 3b ist ein Diagramm, das die Beziehungen jeweils zwi schen Induktanz und Kernlaminationsdicke zeigt;

Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm eines Motorsteuersy stems, das sich auf ein Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung bezieht;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Synchronmotors mit Perma nentmagneten, der in dem Motorsteuersystem in Fig. 4 verwendet wird; und

Fig. 6 ist eine Ansicht eines Materialzustandes im Fall des Herstellens eines Statorkerns und Rotorkerns, die in dem Synchronmotor mit Permanentmagnet verwendet werden.

Zuerst wird ein Prinzip der vorliegenden Erfindung hier nachfolgend unter Bezug auf die Fig. 1-3 beschrieben.

In Fig. 1 weist ein Synchronmotor mit Permanentmagnet einen Rotorkern 12 mit einem darauf montierten Permanentmagneten 13 und einen Statorkern 11 mit einer Statorwicklung 14 auf, und ist so angeordnet, daß er der äußeren Peripherie des Rotors mit einem Spalt gegenüber liegt. Der Synchronmotor wird durch ein Steuern des PWM-Stromdurch gangs zu der Statorwicklung 14 gesteuert, während die Position der magnetischen Polarität des Rotors erfaßt wird. In dem Synchronmotor ist ein Mechanismus zur Reduzierung der Stromwelligkeit in einer PWM- Stromdurchgangssteuerung so aufgebaut, daß jeweils die axiale Länge l₂ des Rotorkerns 12 und die axiale Länge l₁ des Statorkerns 11 größer ist als die axiale Länge l₃ des Permanentmagneten 13.

Es wird bevorzugt, daß die axiale Länge l₁ des Statorkerns 11 im we sentlichen gleich der axialen Länge l₂ des Rotorkerns 12 ist und jeweils die axiale Länge l₂ des Rotorkerns 12 und die axiale Länge l₁ des Statorkerns 11 größer ist als die axiale Länge l₃ des Permanentmagneten 13.

Wenn bei dem Synchronmotor mit Permanentmagnet der PWM-Strom zu der Statorwicklung 14 gesteuert wird, tritt eine Welligkeit in dem PWM- Strom auf. Ein Mechanismus des Auftretens der Stromwelligkeit wird unter Bezug auf Fig. 2 erklärt.

Im Fall des Startens oder Abbremsens (was Bremsen ist, das durch Schalten der magnetischen Polarität ausgeführt wird, um so in eine umgekehrte Richtung zu drehen) durch Steuerung des PWM-Stromes des Synchronmotors mit Permanentmagnet wird z. B. eine PWM-Stromsteue rung bei einem mit A bezeichneten Teil des Motorstromes bewirkt. Wenn die Induktanz 0 ist, nimmt der Strom an diesem Teil eine theore tische Wellenform ein, die durch eine Zweipunktlinie gezeichnet ist, in Wirklichkeit jedoch steigt der Strom gemäß der elektrischen Zeitkon stante τE weil eine Induktanz der Spule 14 existiert. Die elektrische Zeitkonstante wird wie folgt ausgedrückt:

τE = L/R,

wobei R der Wicklungswiderstand ist und die Induktanz L aus einer Wicklungskomponente Le und einer senkrechten Komponente Ld besteht, die senkrecht zu der wie in Fig. 3 gezeigten Achse ist und wie folgt ausgedrückt wird:

L = Le + Ld.

Wie oben erwähnt, wird der PWM-Strom wegen der elektrischen Zeit konstante τE wellig, und die Welligkeit bewirkt elektromagnetische Vibrationsgeräusche. Bezüglich des Einflusses, daß die Induktanz die Stromwelligkeit liefert, gilt, daß je kleiner die Induktanz L (in anderen Worten die elektrische Zeitkonstante = L/R) wird, umso größer wird die Welligkeit, und die elektromagnetischen Vibrationsgeräusche werden größer.

Indem man bei der vorliegenden Erfindung das beachtet, wird die Induk tanz L (d. h. die elektrische Zeitkonstante L/R) in dem Maße groß ausgeführt, daß keinerlei Probleme beim Betrieb auftreten und die Welligkeit klein gemacht wird als eine durch eine Einpunktlinie gezeigte Wellenform, wodurch die elektromagnetischen Vibrationsgeräusche redu ziert werden. Um die Induktanz L größer zu machen, wie in Fig. 1 gezeigt, werden die axiale Länge l₂ des Rotorkerns 12 und die axiale Länge l₁ des Statorkerns 11 größer gemacht als die axiale Länge l₃ des Permanentmagneten 13 (l₁, l₂ < l₃).

Die Induktanz L des Synchronmotors mit Permanentmagneten besteht nämlich, wie zuvor beschrieben, aus der Wicklungskomponente Le und der senkrechten Komponente Ld (ein Verhältnis von Le und Ld ist etwa 1 : 5). Die senkrechte Komponente Ld wird in Abhängigkeit von der axialen Länge des Statorkerns 11 und des Rotorkerns 12 und einem Spalt zwischen dem Statorkern 11 und dem Rotorkern 12 bestimmt. Je größer die axiale Länge sowohl des Statorkerns 11 als auch des Rotor kerns 12 ist, umso mehr steigt die Induktanz, und je kleiner der oben erwähnte Spalt wird, umso mehr steigt die Induktanz. Das Maß, den Spalt klein zu machen, ist im Hinblick auf den Entwurf begrenzt, wes halb bei der vorliegenden Erfindung die axiale Länge l₂ des Rotorkerns 12 und die axiale Länge l₁ des Statorkerns 11 größer ausgeführt sind als die axiale Länge l₃ des Permanentmagneten 13. Die axiale Länge l₃ des Permanentmagneten 13 ist bezüglich der Länge ausreichend, um ein gewünschtes Drehmoment des Synchronmotors sicherzustellen. Der Grund zum Definieren, daß die axiale Länge l₂ des Rotorkerns 12 und die axiale Länge l₁ des Statorkerns 11 größer als die axiale Länge l₃ des Permanentmagneten 13 (l₁, l₂ < l₃) ist, daß, wenn die axiale Länge des Permanentmagneten 13 sowie die axiale Länge l₁ des Statorkerns 11 und die axiale Länge l₂ des Rotorkerns 12 verlängert sind, der Statorstrom und die Stromwelligkeit in der PWM-Stromsteuerung als Ganzes groß gemacht werden, weshalb nur sowohl die axiale Länge l₂ des Rotorkerns 12 als auch die axiale Länge l₁ des Statorkerns 11 größer ausgeführt sind im Vergleich zu der axialen Länge l₃ des Permanentmagneten 13.

Bei einem derartigen Aufbau wird ein ausreichendes Drehmoment sicher gestellt und die Induktanz L wird groß gemacht. Die Vergrößerung der Induktanz L vergrößert die elektrische Zeitkonstante τE, die proportional der Induktanz L (τE = L/R) ist, wodurch die beim Durchgang eines PWM-Stromes verursachte Stromwelligkeit reduziert wird und die elek tromagnetischen Vibrationsgeräusche klein gemacht werden.

Obwohl durch Hinzufügen einer Reaktanzwicklung zu dem Statorkern auch erreicht werden kann, die Induktanz größer zu machen, ist dieser Aufbau nicht praktikabel, weil deren Kosten stark angehoben werden und der Aufbau groß wird.

Unter Bezug auf die Fig. 4-6 wird als nächstes ein praktischer Aufbau des Synchronmotors mit Permanentmagnet beschrieben.

In Fig. 4, die ein gesamtes Motorsteuersystem einschließlich eines Syn chronmotors mit Permanentmagneten zeigt, weist das System den Syn chronmotor 1 mit Permanentmagnet, der auf der Basis des zuvor erwähn ten Prinzips der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, einen Sensor 2 für die magnetische Polarität, der direkt mit einer Motorwelle des Synchron motors 1 verbunden ist, einen Codierer 3, der auch direkt mit der Motorwelle verbunden ist, eine Antriebsschaltung 4 und eine Drehzahl- Positionssteuerschaltung 5 auf. Die Drehzahl-Positionssteuerschaltung 5 erzeugt einen Befehl und gibt ihn aus an die Antriebsschaltung 4, die einen PWM-Strom an den Statorkern liefert, um eine PWM-Stromdurch gangssteuerung des Synchronmotors mit Permanentmagnet zu bewirken.

Die Polarität wird durch den Polaritätssensor 2 erfaßt, und das Ergebnis wird an die Drehzahl-Positionssteuerschaltung 5 übertragen, um das Polaritätsschalten dort zu überwachen. Die Drehzahl wird durch den Codierer 3 erfaßt, und das Ergebnis wird zu der Drehzahl-Positions steuerschaltung 5 als Realdrehzahl rückübertragen, um einen Betrieb des Synchronmotors zu steuern.

Fig. 5 zeigt den inneren Aufbau des Synchronmotors mit Permanentma gneten der als ein Servomotor z. B. in einer Sägemaschine verwendet wird.

In Fig. 5 ist der Synchronmotor 1 mit Permanentmagnet mit einem Gehäuse 1A versehen. Eine Rotorwelle 10 ist durch das Gehäuse 10A durch Lager getragen und weist einen daran befestigten Rotorkern 12 auf. Ein ringförmiger Permanentmagnet 13 ist auf der äußeren Peripherie des Rotorkerns 12 montiert. Ein Statorkern 11 mit einer Statorwicklung 14 ist an der inneren Peripherie des Gehäuses 10A befestigt. Der Stator kern 11 ist so angeordnet, daß er der äußeren Peripherie eines Rotors gegenüberliegt, der aus dem Rotorkern 12 und dem Permanentmagnet 13 mit einem Spalt besteht.

Ein Magnet 15, der die magnetische Polarität erfaßt, ist an der Rotor welle 10 befestigt und mit einem die magnetische Polarität erfassenden Substrat 16 gepaart, das fest montiert ist, um den Sensor 2 der magneti schen Polarität zu bilden. Ein Codierermagnet 17 ist an der Rotorwelle 10 befestigt und mit einem Codiersensorsubstrat 18 gepaart, das fest auf einem Rahmen montiert ist, um den Codierer 3 zu bilden. Ein Ventila tor 19 ist auch an der Rotorwelle 10 befestigt und mit einer Ventilator abdeckung 20 abgedeckt, die an dem Gehäuse 10A befestigt ist.

Der Statorkern 11 und der Rotorkern 12 sind in einer derartigen Art und Weise ausgebildet, daß die Statorkernelemente 11′ und die Rotor kernelemente 12′ aus Eisenplatten 30 wie in Fig. 6 gezeigt durch eine Stanze ausgestanzt werden, wobei viele der Elemente 11′ bzw. viele der Elemente 12′ laminiert sind. Die axiale Länge l₁ (Laminierungsdicke) des Statorkerns 11 und die axiale Länge l₂ (Laminierungsdicke) des Rotor kerns 12 sind gleich zueinander ausgeführt, und die axiale Länge l₂ des Rotorkerns 12 und die axiale Länge l₁ des Statorkerns 11 sind größer als die axiale Länge l₃ des Permanentmagneten 13 (l₁, l₂ < l₃) ausge führt.

In dem Fall, daß Starten und Abbremsen durch Ändern der Polarität durch Steuern des der Statorwicklung 14 zugeführten PWM-Stromes ausgeführt wird, tritt eine relativ große Welligkeit in dem PWM-Strom auf, und die Stromwelligkeit bewirkt elektromagnetische Vibrationsgeräu sche. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Induktanz L in dem Maße vergrößert, daß die Vergrößerung der Induktanz L dem Betrieb des Synchronmotors 1 mit Permanentmagnet nicht im Wege steht, d. h., daß die axiale Länge von sowohl dem Statorkern als auch dem Rotorkern größer ausgeführt wird als die axiale Länge des Permanentmagneten und eine senkrechte Komponente der Induktanz L größer um ein Maß ausgeführt wird, daß einer Erhöhung der axialen Länge des Statorkerns und des Rotorkerns entspricht. Die Erhöhung der Induktanz vergrößert die Strom-Zeitkonstante, und die Welligkeit in dem PWM-Strom wird klein gemacht, wodurch die elektromagnetischen Vibrationsgeräusche reduziert werden. Gemäß einer Messung der Geräusche wird ein gutes Ergebnis der Geräuschreduzierung erhalten, wenn ein Verhältnis l₁/l₃, ein Verhältnis l₂/l₃ jeweils mindestens 1,5 ist (l₁/l₃, l₂/l₃ 1,5).

Des weiteren können bei diesem Ausführungsbeispiel die Stromwelligkeit bei ausgelegter Drehzahlsteuerung infolge der PWM-Stromsteuerung sowie beim Starten und Abbremsen reduziert werden, wodurch beim gesamten Betrieb des Synchronmotors mit Permanentmagnet elektromagnetische Vibrationsgeräusche reduziert werden können.

In Fig. 3 drückt die Induktanz L Werte (L, Le) aus bei einer Kernlami nationsdicke von 30/30 (Statorkernlänge/Rotorkernlänge; Luftspalt (G) zwischen der inneren Peripherie des Statorkerns und der äußeren Peri pherie des Rotorkerns: 3,6 mm; Durchmesser (D) der inneren Peripherie des Statorkerns: 67 mm), von 55/55 (G: 3,6 mm; D: 67 mm), von 80/80 (G: 13 mm; D: 67 mm) und von 105/105 (G: 13 mm; D: 67 mm).

Claims

1. Synchronmotor mit Permanentmagnet, der einen Rotorkern mit einem darauf montierten Permanentmagnet und einen Stator mit einer darauf montierten Statorwicklung aufweist, und der so angeord net ist, daß er der äußeren Peripherie des Rotors mit einem Spalt dazwischen gegenüberliegt und der durch Steuern eines PWM (pulse width modulation = Impulsbreitenmodulation)-Stromes gesteuert wird, der zu der Statorwicklung fließt, während die polare Position des Rotors erfaßt wird, gekennzeichnet durch einen Mechanismus einer PWM-Stromdurchgangssteuerung zur Redu zierung der Stromwelligkeit, bei der jeweils die axiale Länge l₂ des Rotorkerns und die axiale Länge l₁ des Statorkerns größer als die axiale Länge l₃ des Permanentmagneten ist.

2. Synchronmotor mit Permanentmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge l₂ des Rotorkerns und die axiale Länge l₁ des Statorkerns im wesentlichen einander gleich sind.

3. Synchronmotor mit Permanentmagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge l₂ des Rotorkerns und die axiale Länge l₁ des Statorkerns jeweils mindestens 1,5mal der axialen Länge l₃ des Permanentmagneten ist.

4. Synchronmotor mit Permanentmagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von laminierten Rotorkernelemen ten, die den Rotorkern bilden, und eine Vielzahl von laminierten Statorkernteilen, die den Statorkern bilden, aus einer Vielzahl von Paaren von Rotorkernteilen und Statorkernteilen besteht, wobei jedes Paar von Rotorkernteilen und Statorkernteilen aus einer Metallplatte gebildet ist.