DE4402411C2 - Synchronmotor mit permanentmagneterregtem Rotor - Google Patents
Synchronmotor mit permanentmagneterregtem RotorInfo
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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 (3)
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.
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D2 | Grant after examination | ||
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8365 | Fully valid after opposition proceedings | ||
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