DE69113934T2

DE69113934T2 - Dauermagnetrotor und Motor.

Info

Publication number: DE69113934T2
Application number: DE69113934T
Authority: DE
Inventors: Scott Edward Eckles; Keith Ivo Hoemann
Original assignee: Emerson Electric Co
Current assignee: Emerson Electric Co
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1991-08-13
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2011-08-14
Also published as: KR100256989B1; EP0473534B1; JPH05176486A; DE69113934D1; JP3526879B2; KR920005426A; EP0473534A2; BR9103527A; ES2078491T3; US5034642A; EP0473534A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Permanentmagnetmotoren und insbesondere auf Motoren, die die Versetzung minimieren und das Messen der Rotorposition vereinfachen.
Elektrische Motoren mit Permanentmagnetrotoren leiden unter einem Zustand, der "Rucken" genannt wird. Beim Rucken handelt es sich um Änderungen des Motordrehmoments, die von Änderungen des magnetischen Flusses herrühren, verursacht durch ein Fluchten der Rotor- und Statorzähne in verschiedenen Positionen des Rotors. Dieser Effekt kann den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Motors vermindern.
Es wurden in der Vergangenheit verschiedene Verfahren zur Überwindung des Ruckproblems ausprobiert. Unter diesen befand sich ein Verfahren, bei denen die Magnete auf dem Rotor entweder in einem geraden Muster oder in einem Fischgrätmuster schräg angeordnet wurden. Eine derartige Schrägung der Magnete schafft aber zusätzliche Schwierigkeiten. Die Drehposition des Rotors wird typischerweise durch einen getrennten Sensor gemessen, wie beispielsweise einen Halleffektsensor. Um die Komplexität des Steuerungssystems des Motors zu reduzieren, ist es wünschenswert, daß der Rotor in einer speziellen Position zum Stator angeordnet ist. Diese Position ist jedoch nicht notwendigerweise die beste, wenn man die Schrägung der Rotormagnete in Betracht zieht.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Rotor und Motor bereitzustellen, die das Rucken minimieren und von relativ einfacher Bauweise sind, d.h. bei denen ein üblicher Sensor benutzt wird, ohne daß ein physisches Justieren des Sensors erforderlich ist. Rotor und Motor sollten eine Betriebsweise haben, die gleichwertig ist derjenigen von Rotoren mit üblichen Schrägungen, es aber dennoch gestattet, das Sensorfeld irgendwo im Schrägungswinkel anzuordnen.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch einen Rotor nach Anspruch 1 erreicht. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Andere Ziele sind teils offensichtlich, teils werden sie nachfolgend dargestellt.
Kurz gesagt, umfaßt ein Permanentmagnetrotor gemäß der Erfindung einen Abschnitt eines Hauptrotorfeldes und einen Abschnitt eines Sensorfeldes, wobei sich jeder Abschnitt längs entlang des Rotors erstreckt. Der Sensorfeldabschnitt ist kürzer als der Hauptrotorfeldabschnitt und ist an einem Ende des Hauptrotorfeldabschnitts angeordnet. Der Sensorfeldabschnitt ist in kreisförmig angeordneten parallelen Streifen von wechselnder magnetischer Polarität, die sich um den Rotor herum erstrecken, magnetisiert. Der Hauptrotorfeldabschnitt weist sich längs erstreckende Streifen wechselnder magnetischer Polarität auf, die in einem vorgegebenen Muster schräg angeordnet sind, wobei alle diese sich längs erstreckenden Streifen im gleichen vorgegebenen Muster schräg angeordnet sind. Das vorgegebene Muster umfaßt einen ersten Teil, in welchem jeder sich längs erstrekkende Streifen im allgemeinen unter einem ersten vorbestimmten, von Null verschiedenen Winkel gegenüber der Längsachse des Rotors verläuft, einen zweiten Teil, in welchem jeder sich längs erstreckende Streifen unter einem zweiten vorbestimmten, von Null verschiedenen Winkel gegenüber der Längsachse des Rotors verläuft, und einen dritten Teil, in welchem jeder sich längs erstreckende Streifen unter dem ersten vorbestimmten, von Null verschiedenen Winkel gegenüber der Längsachse des Rotors verläuft. Der erste und zweite vorbestimmte, von Null verschiedene Winkel haben ein entgegengesetztes Vorzeichen.
Die Erfindung wird nun beispielshalber mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht mit aus Gründen der Klarheit weggebrochenen Teilen eines Permanentmagnetrotors und -motors nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 1A eine Querschnittansicht des Rotors nach Fig. 1 in einem anderen Maßstab darstellt;
Fig. 2 eine vereinfachte Seitenansicht eines Rotors ohne Schräganordnung gemäß dem Stand der Technik darstellt;
Fig. 3 eine vereinfachte Seitenansicht eines Rotors mit gerader Schrägung gemäß dem Stand der Technik darstellt;
Fig. 4 eine vereinfachte Seitenansicht eines Rotors mit einer Schrägung im Fischgrätmuster gemäß dem Stand der Technik darstellt;
Fig. 5 eine vereinfachte Seitenansicht eines Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei der Sensor sich in der neutralen Position befindet;
Fig. 6 eine vereinfachte Seitenansicht eines Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei der Sensor der neutralen Position nacheilt;
Fig 7 eine vereinfachte Seitenansicht eines Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei der Sensor gegenüber der neutralen Position voreilt;
Fig. 8 eine graphische Darstellung der Schrägung des Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, die eine neuträle Sensorposition zeigt;
Fig. 9 eine graphische Darstellung der Schrägung des Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, die eine voreilende/nacheilende Sensorposition zeigt; und
Fig. 10 eine vereinfachte Seitenansicht darstellt, die die bei dem Rotor nach Fig. 1 verwendeten Winkel zeigt.
Ähnliche Bezugszeichen bezeichnen ähnliche Teile in den verschiedenen Zeichnungsansichten.
Wendet man sich nun den Zeichnungen zu, insbesondere den Figuren 1 und 1A, so ist in diesen ein Permamentmagnetmotor 11 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Motor 11 umfaßt einen Stator 13, der eine zentrale Bohrung hat, in welcher ein Permanentmagnetrotor 15 drehbar gelagert ist. Ein Halleffektsensor 17 ist an einem Ende des Rotors angeordnet, um die relative Drehposition des Rotors 15 zu erfassen. Der Stator und der Halleffektsensor sind von üblicher Bauart.
Der Rotor 15 ist jedoch nicht von üblicher Bauart. Er ist in zwei Teile geteilt: einen Hauptrotorfeldabschnitt 19 und einen Sensorfeldabschnitt 21, die sich beide longitudinal längs des Rotors erstrecken. Der Sensorfeldabschnitt 21 ist erheblich kürzer als der Hauptrotorfeldabschnitt und er ist an einem Ende des Hauptrotorfeldabschnittes 19 angeordnet. In Fig. 1 ist auch eine mit dem Rotor 15 verbundene Motorwelle 23 gezeigt.
Der Sensorfeldabschnitt ist magnetisiert in am Umfang angeordneten parallelen Streifen wechselnder magnetischer Polarität, zu denen die Streifen 21A, 21B, 21C und 21D gehören, die insgesamt parallel zur Längsachse des Rotors verlaufen. Es sei angemerkt, daß die Grenzen zwischen nebeneinanderliegenden Streifen des Sensorfeldabschnitts durch den Halleffektsensor ermittelt werden, so daß die Drehposition des Rotors 15 bestimmt werden kann.
Der Hauptrotorfeldabschnitt 19 besitzt ebenfalls sich längs erstreckende Streifen wechselnder magnetischer Polarität, die mit 19A, 19B, 19C und 19D bezeichnet sind. Die sich längs erstrekkenden Streifen des Hauptfeldabschnittes sind, wie man am besten in Fig. 1 sieht, einstückig mit den Streifen des Sensorfeldabschnittes ausgebildet. Jeder Streifen des Hauptfeldabschnitts ist nach einem vorgegebenen Mustern schräg angeordnet, bei dem ein erster Teil 25 insgesamt unter einem ersten vorgegebenen, von Null verschiedenen Winkel bezüglich der Längsachse des Rotors verläuft, ein zweiter Teil 27 insgesamt unter einem zweiten vorgegebenen, von Null verschiedenen Winkel bezüglich der Längsachse des Rotors verläuft, und ein dritter Teil 29 insgesamt unter dem ersten vorgegebenen, von Null verschiedenen Winkel bezüglich der Längsachse des Rotors verläuft. Der erste und zweite vorgegebene, von Null verschiedene Winkel sind von entgegengesetzem Vorzeichen und im allgemeinen gleich groß.
Diese besondere Schrägungsanordnung hat mehrere Vorteile gegenüber konventionellen Schrägungsmustern und gegenüber einem Rotor ohne Schrägung. Der Rotor ohne Schrägung, mit 31 bezeichnet (Fig. 2), hat beispielsweise den Vorteil, daß die neutralen Positionen für den Rotor den Grenzen zwischen nebeneinanderliegenden Magnetisierungsstreifen entsprechen. Diese Gestaltungsform führt jedoch zum Rucken. Es ist auch nicht einfach, vorauseilendes oder nacheilendes Schalten durchzuführen, sofern dies gewünscht wird.
Der Rotor mit gerader Schrägung, mit 33 bezeichnet (Fig. 3), löst das Problem des Ruckens, aber auf Kosten der Tatsache, daß die neutrale Position nicht länger der Position entspricht, in der der Sensor eine Grenze ermittelt. Das in Fig. 3 gezeigte System besitzt inhärent ein nacheileilendes Reagieren, wobei die Rotationsrichtung durch den Pfeil angegeben ist. Wenn dieses Ausmaß an Nacheilung nicht dem gewünschten entspricht, kann es jedoch ziemlich kompliziert sein, die erforderliche Nacheilung (oder Voreilung) bereitzustellen.
Der Rotor mit Fischgrätmusterschrägung, mit 35 bezeichnet (Fig. 4), besitzt die gleichen Vor- und Nachteile, die oben schon beim Rotor mit gerader Schrägung angesprochen wurden.
Der Rotor 15 (Fig. 5) nach der vorliegenden Erfindung löst das Problem des Ruckens und die Schwierigkeiten, die mit den Rotoren nach den Figuren 3 und 4 verbunden sind. Durch die einzigartige Struktur der Rotorschrägung fallen die neutralen Positionen des Rotors präzise auf die Grenzen zwischen den Streifen des Sensorfeldabschnitts. Daher muß keine Kompensation für die Sensorposition durchgeführt werden.
Die spezielle Struktur erlaubt auch, ein Vor- oder Nacheilen in den Rotor einzubauen, ohne eine Änderung der Sensorposition oder eine andere Kompensation vornehmen zu müssen. Beispielsweise zeigt Fig. 6, wie das Schrägungsmuster nach der vorliegenden Erfindung geändert werden kann, um ein Nacheilen zu erreichen, während Fig. 7 das gleiche für das Voreilen zeigt.
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, die diese Vielseitigkeit bieten, sind genauer in den Figuren 8 und 9 gezeigt. Fig. 8 zeigt die Grenze zwischen nebeneinanderliegenden Streifen für einen Rotor ohne Voreilen oder Nacheilen. In dieser Ausführungsform liegt die mit 41 bezeichnete Grenze zwischen Streifen des Sensorfeldes in der neutralen Position 43. Wie man am besten aus Fig. 8 sieht, ist die neutrale Position eine Linie, entlang der die über die Länge des Hauptrotorfeldes gemessene mittlere Magnetisierung Null ist.
Für ein Voreilen oder Nacheilen der Größe Null sind die größten Entfernungen auf dem Umfang zwischen der Grenze 41 des Sensorfeldes und der Grenze des Hauptrotorfeldes, die mit H1 und H2 bezeichnet sind, gleich. Da die Hauptrotorfeldgrenze bezüglich der neutralen Position symmetrisch ist, wird diese Bedingung dadurch erfüllt, daß die Sensorfeldgrenze 41 entlang der neutralen Position 43 verläuft.
Gemäß Fig. 9 kann ein Voreilen oder Nacheilen leicht dadurch in den Rotor 15 eingebaut werden, daß die Position der Sensorfeldgrenze wunschgemäß bewegt wird und die Kurve, die die Hauptrotorfeldgrenze darstellt, in die gezeigte Richtung verschoben wird, bis sie der neuen Position der Sensorfeldgrenze entspricht. Beispielsweise hat, wenn man annimmt, daß die Rotation in Richtung des in Fig. 9 gezeigten Pfeiles erfolgt, der Rotor 15 ein vorauseilendes Ansprechverhalten. Die Kurve nach Fig. 8 wird nach links verschoben, bis sie mit dieser neuen Position der Sensorfeldgrenze übereinstimmt. Es ist zu beachten, daß dieses Verschieben die neutrale Position und den Grenzteil 27 unverändert beläßt. Es nimmt nur den Teil 25 und fügt ihn an das Ende des Teils 29 an.
Auf diese Weise wird die Grenze zwischen den beiden Streifen des Sensorfeldabschnitts, die einem vorgegebenen Paar von sich längs erstreckenden Streifen des Hauptrotorfeldabschnitts entsprechen, am Umfang von der neutralen Linie aus, die dem vorgegebenen Paar von sich längs erstreckenden Steifen zugeordnet ist, verschoben, um das gewünschte Vor- oder Nacheilen zu bewerkstelligen. Es kann daher jedes gewünschte Vor- oder Nacheilen leicht in den Rotor eingebaut werden, ohne die Position des Sensors selbst zu ändern.
Einige der geometrischen Beziehungen zwischen den verschiedenen Teilen des Schrägungsmusters nach der vorliegenden Erfindung können leicht den Figuren 8 und 9 entnommen werden. Der zweite Teil 27 ist immer zwischen dem ersten Teil 25 und dem dritten Teil 29 angeordnet, wobei der zweite Teil an einem Ende des ersten Teils beginnt und an einem Ende des dritten Teils endet.
Der zweite Teil 27 bildet die Hälfte der Länge des Hauptrotorfeldes, während die Teile 25 und 29 die andere Hälfte bilden.
Daher ist der zweite Teil 27 länger als jeweils der erste und dritte Teil und ist im wesentlichen gleich ihrer Summe. Darüber hinaus ist die umfangsmäßige Ausdehnung des zweiten Teils 27, die H1 plus H2 beträgt, insgesamt gleich dem Schrägungswinkel des Rotors.
Die Berechnung der Dimensionen der Schrägung des Rotors 15 erfolgt folgendermaßen (siehe Fig. 10):
1) Bestimme den gewünschten Sektorschrägungswinkel (mit dem griechischen Büchstaben "Beta" in Fig. 10 bezeichnet). Eine Nutteilung ist zur Reduzierung des Ruckens notwendig. Daher ist, wenn zum Beispiel der Stator 36 Nuten hat, der Sektorschrägungswinkel gleich 360 Grad geteilt durch die Anzahl der Nuten, so daß der Sektorschrägungswinkel 10 Grad beträgt.
2) Bestimme den Schrägungswinkel (mit dem griechischen Buchstaben "Alpha" in Fig. 10 bezeichnet). Der Schrägungswinkel Alpha ist gleich dem inversen Tangens von (OD&sub2; * PI * BETA) /(180 * L&sub2;), ,wobei OD&sub2; der Durchmessers des Rotors 15 ist, BETA der Sektorschrägungswinkel (in Grad) ist, der im Schritt 1 bestimmt wurde, und L&sub2; die Länge des Hauptrotorfeldes 19 ist.
3) Für die neutrale Position des Sensorfeldes ist H&sub1; gleich H&sub2; (siehe Fig. 8) und jeweils gleich (OD&sub2; * PI * BETA) / 720.
4) Für ein Voreilen oder Nacheilen gelten die folgenden Ungleichungen: H&sub1; größer als H&sub2; für Voreilen und H&sub2; größer als H&sub1; für Nacheilen. Für eine gegebene Verschiebung ED in elektrischen Graden beträgt der Offset (2 * PI * OD&sub2; * ED / P-* 360, wobei P gleich der Zahl der Pole ist. H&sub1; und H&sub2; werden aus dem Offset wie folgt berechnet:
Voreilen: H&sub1; = ((OD&sub2; * BETA) / 4) + Offset
H&sub2; = ((OD&sub2; * BETA) / 4) - Offset
Nacheilen: H&sub1; = ((OD&sub2; * BETA) / 4) - Offset
H&sub2; = ((OD&sub2; * BETA) / 4) + Offset,
wobei BETA im Bogenmaß angegeben ist.

Claims

1. Permanentmagnetrotor für eine dynamoelektrische Maschine, gekennzeichnet durch:

einen Hauptrotorfeldabschnitt (19) und einen Sensorfeldabschnitt (21), die sich longitudinal längs des Rotors erstrecken, wobei der Sensorfeldabschnitt (21) kürzer als der Hauptrotorfeldabschnitt (19) ist und an einem Ende des Hauptrotorfeldabschnitts (19) angeordnet ist;

wobei der Sensorfeldabschnitt (21) in am Umfang angeordneten parallelen Streifen (21A, 21B, 21C, 21D) wechselnder magnetischer Polarität magnetisiert ist;

wobei der Hauptrotorfeldabschnitt (19) sich längs erstreckende Streifen (19A, 19B, 19C, 19D) wechselnder magnetischer Polarität hat, die in einem vorgegebenen Muster schräg angeordnet sind, wobei alle diese sich längs erstreckenden Streifen im gleichen vorgegebenen Muster schräg angeordnet sind, wobei das vorgegebene Muster einen ersten Teil (25) umfaßt, in welchem jeder sich längs erstreckende Streifen unter einem ersten vorbestimmten, von Null verschiedenen Winkel bezüglich der Längsachse des Rotors verläuft, einen zweiten Teil (27), in welchem jeder sich längs erstreckende Streifen unter einem zweiten vorbestimmten, von Null verschiedenen Winkel bezüglich der Längsachse des Rotors verläuft, wobei der erste und zweite vorgegebene, von Null verschiedene Winkel von entgegengesetztem Vorzeichen sind, und einen dritten Teil (29) in welchem jeder sich längs erstreckende Streifen (19A, 19B, 19C, 19D) unter dem ersten vorbestimmten, von Null verschiedenen Winkel bezüglich der Längsachse des Rotors verläuft.

2. Rotor nach Anspruch 1, bei dem der zweite Teil (27) zwischen dem ersten (25) und dritten (29) Teil angeordnet ist, wobei der zweite Teil (27) an einem Ende des ersten Teils (25) beginnt und an einem Ende des dritten Teils (29) endet.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der zweite Teil (27) jeweils länger als der erste und dritte Teil (25, 29) ist.

4. Rotor nach Anspruch 3, bei dem die Länge des zweiten Teils (27) gleich der Summe der Längen des ersten und dritten Teils (25, 29) ist.

5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Länge des zweiten Teils (27) jedes sich längs erstreckenden Streifens (21A, 21B, 21C, 21D) ungefähr gleich der Hälfte der Länge des Hauptrotorfeldabschnitts (19) ist.

6. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der erste und zweite vorbestimmte Winkel von gleicher Größe sind.

7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem jeder Streifen des Sensorfeldabschnitts (21) einem sich längs erstrekkenden Streifen des Hauptrotorfeldabschnitts (19) zugeordnet ist und jeder Streifen des Sensorfeldabschnitts parallel zur Längsachse des Rotors ist.

8. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die mittlere Magnetisierung jedes Paares sich längs erstreckender Streifen wechselnder magnetischer Polarität eine zugeordnete neutrale Linie ergibt, wobei die neutrale Linie parallel zu der Längsachse des Rotors ist und eine mittlere Magnetisierung längs derselben hat, die Null ist.

9. Rotor nach Anspruch 8, bei dem eine Grenze zwischen nebeneinanderliegenden Streifen des Sensorfeldabschnitts (21) längs einer der neutralen Linien liegt.

10. Rotor nach Anspruch 8, soweit er sich auf Anspruch 7 rückbezieht, bei dem die Grenze zwischen den beiden Streifen des Sensorfeldabschnitts (21), die einem vorgegebenen Paar von sich längs erstreckenden Streifen des Hauptrotorfeldabschnitts (19) entsprechen, am Umfang gegenüber der neutralen Linie versetzt ist, die dem vorgegebenen Paar von sich längs erstreckenden Streifen zugeordnet ist.

11. Rotor nach Anspruch 1, wobei der zweite Teil (27) jedes sich längs erstreckenden Streifens (21A, 21B, 21C, 21D) sich am Umfang zumindest zum Teil um den Rotor (15) erstreckt, so daß er eine Umfangserstreckung hat, wobei der Rotor (15) einen Schrägungswinkel aufweist und wobei die umfangsmäßige Ausdehnung des zweiten Teils (27) jedes sich längs erstreckenden Streifens (21A, 21B, 21C, 21D) allgemein gleich dem Schrägungswinkel des Rotors (15) ist.

12. Bürstenloser Permanentmagnetmotor mit:

einem Rotor (15);

einem Stator (13), der eine zentrale Bohrung hat, in welcher der Rotor (15) drehbar angeordnet ist; und

einer Halleffektsensoreinrichtung (17) zum Erfassen der Drehposition des Rotors (15), wobei die Halleffektsensoreinrichtung (17) bezüglich des Stators (13) an einem Ende des Rotors (15) fixiert ist, so daß sich der Rotor unter der Halleffektsensoreinrichtung dreht;

dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) ein Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ist und daß der Sensorfeldabschnitt (21), der an einem Ende des Hauptrotorfeldabschnitts (19) angeordnet ist, gegenüber der Halleffektsensoreinrichtung (17) angeordnet ist.