DE4402411C2

DE4402411C2 - Synchronmotor mit permanentmagneterregtem Rotor

Info

Publication number: DE4402411C2
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: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2014-01-28
Also published as: JPH06225507A; TW236046B; DE4402411A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Synchronmotor mit permanentmagneterregtem Rotor, der von einer PWM (pulse width modulated = impuls breitenmoduliert)-Stromquelle gesteuert wird und bei dem die polare Position des Rotors erfaßt wird.

Beispiele dieser Art von Synchronmotoren sind in der JP 58-119758 A und der JP 1-286758 A beschrieben, wobei jedes Beispiel davon einen Rotorkern mit einem daran montierten Permantmagnet und einen Stator kern mit einer Statorwicklung aufweist, 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.

In der JP 63-103646 A ist ein bürstenloser Gleichstrommotor beschrieben, dessen Rotor aus einem Rotorkern und einem Permanentmagneten besteht, welcher dem Statorkern unter Bildung eines Luftspaltes gegenübersteht. In diesem Synchronmotor ist eine Fliehkraftkupplung eingebaut, welche mit einer Ausnehmung im Bereich des Permanentmagneten des Rotors zusammenwirkt, so daß der Permanentmagnet bezüglich der axialen Länge kleiner als der Rotor und auch kleiner als der Stator ausgeführt ist. Vornehmlich bei hohen Drehzahlen führt dieser Aufbau wegen der über eine Feder mit dem Rotor zusammenwirkenden Kupplung zu zusätzlich mechanischen Geräuschen, welche den durch Stromwelligkeit erzeugten elektromagnetischen Geräuschen noch überlagert sind.

In der DE 89 13 328 U1 ist ein Generator beschrieben, bei dem ein durch ein zylindrisches Gehäuse und Permanentmagneten gebildeter Läufer außen liegt und um einen innenliegenden festen Stator umläuft. Dieser Generator ist somit als Synchronmaschine mit Permanenterregung ausgeführt, bei welchem die axiale Länge des Statorkerns im wesentlichen gleich der axialen Länge des Eisenrückschlusses des Rotors ist, wobei der Permanentmagnet des Rotors zwar eine demgegenüber geringere axiale Länge aufweist, jedoch in der beschriebenen Ausführungsform eine Reduzierung der elektromagnetischen Geräusche nicht erzielbar ist.

In der CH 670 017 A5 ist ein Elektrokleinstmotor beschrieben, bei welchem die an einem Rotor angeordneten Permanentmagneten eine axiale Länge aufweisen, die kleiner als die axiale Abmessung des Rotors ist, jedoch etwa die axiale Länge des den Permanentmagneten gegenüberliegenden Stators aufweist.

Schließlich ist in der DE 42 27 757 A1 ein synchroner Antriebsmotor für Spindeln beschrieben, bei welchem die Permanentmagnete auf einem Läufer sitzen, welcher ein mehrfaches der Länge des Permanentmagneten beträgt und bei welchem der Stator in der axialen Ausdehnung im wesentlichen der axialen Ausdehnung der Permanentmagneten entspricht bzw. geringfügig größer ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei einem permanenterregten Synchronmotor, dessen Statorwicklung mit einem pulsbreitenmodulierten Strom beaufschlagt wird, die durch den pulsbreitenmodulierten Strom bewirkte Stromwelligkeit und elektromagnetische Geräusche mit einfachen Mitteln zu verkleinern.

Diese Aufgabe wird mit einem Synchronmotor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.

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 zur Reduzierung der Stromwelligkeit bei PWM- Stromdurchgangssteuerung jeweils die axiale Länge l₂ des Rotorkerns und die axiale Länge l₁ des Statorkerns größer als die axiale Länge l₃ des Permanentmagneten ist, wobei l₁, l₂ jeweils mindestens der 1,5fachen axialen Länge l₃ des Permanentmagneten entspricht.

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 durch den pulsbreiten modulierten Strom bewirkte Stromwelligkeit auf. Der Mechanismus des Auftretens der Stromwelligkeit wird unter Bezug auf Fig. 2 erklärt.

Im Fall des Startens oder Abbremsens (was ein 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 Statorwicklung 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 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 Stromwelligkeit 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 Strom welligkeit, und die elektromagnetischen Vibrationsgeräusche werden größer.

Unter Berücksichtigung dessen 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 Strom welligkeit verkleinert wird als eine durch eine Einpunktlinie gezeigte Wellenform, wodurch die elektromagnetischen Vibrationsgeräusche redu ziert werden. Um die Induktanz L zu vergrößern, wie in Fig. 1 gezeigt, werden die axiale Länge l₂ des Rotorkerns 12 und die axiale Länge l₁ des Statorkerns 11 größer ausgeführt 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. Die Größe, um die der Spalt verkleinert wird, 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 der, 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 vergrößert werden, weshalb nur sowohl die axiale Länge l₂ des Rotorkerns 12 als auch die axiale Länge l₁ des Statorkerns 11 im Vergleich zu der axialen Länge l₃ des Permanentmagneten 13 größer ausgeführt sind.

Bei einem derartigen Aufbau wird ein ausreichendes Drehmoment sicher gestellt und die Induktanz L wird vergrößert. 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 verringert werden.

Obwohl durch Hinzufügen einer Reaktanzwicklung zu dem Statorkern auch erreicht werden kann, die Induktanz zu vergrößern, ist dieser Aufbau nicht praktikabel, weil deren Kosten stark angehoben werden und der Aufbau vergrößert 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 an die Antriebsschaltung 4 aus, die einen PWM-Strom an den Stator liefert, um eine PWM-Stromdurch gangssteuerung des Synchronmotors mit Permanentmagnet zu bewirken.

Die Polarität wird durch den Sensor 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, das 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 verkleinert, wodurch die elektromagnetischen Vibrationsgeräusche reduziert werden. Gemäß einer Messung der Geräusche wird ein gutes Ergebnis der Geräuschreduzierung erhalten, wenn ein Verhältnis l₁/l₃ und 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 einem Rotor (10, 12, 13) und einem Stator (11, 14), der dem äußeren Umfang des Rotors (10, 12, 13) unter Bildung eines Luftspaltes gegenüberliegt, wobei

- der Rotor aus einem Rotorkern (12) mit einer axialen Länge (l₂) und einem darauf montierten Permanentmagneten (13) mit einer axialen Länge (l₃) besteht,
- der Stator aus einem Statorkern (11) mit einer axialen Länge (l₁) und einer daran angebrachten Statorwicklung (14) besteht und die Statorwicklung (14) von einer Antriebsschaltung (4) mit einem pulsbreitenmodulierten Strom beaufschlagt wird,

und wobei die axiale Länge (l₂) des Rotorkerns (12) und die axiale Länge (l₁) des Statorkerns (11) jeweils mindestens der 1,5fachen axialen Länge (l₃) des Permanentmagneten (13) entspricht.

2. Synchronmotor nach Patentanspruch 1, wobei der Rotorkern (12) aus in axialer Richtung geschichteten Rotorkernelementen (12′) aus Eisen besteht.