DE8523361U1

DE8523361U1 - Synchronmotor

Info

Publication number: DE8523361U1
Application number: DE8523361U
Authority: DE
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1984-08-20
Filing date: 1985-08-14
Publication date: 1986-01-02
Also published as: ES8700811A1; EP0173388A1; ES546208A0; JPS6152489U; US4764697A; JPH0218696Y2; NL8402543A

Description

"Synchronmotor"

Die Neuerung betrifft einen Synchronmotor mit einem Ständer und einem Läufer, der zwei koaxiale Läuferteile enthält, die auf dem Aussenumfang mit kreisförmig angeordneten Läuferzähnen versehen und axial durch einen zwischen den beiden Teilen angeordneten, axial magnetisiert ten Dauermagneten voneinander getrennt sind, wobei der Ständer zwei gegenseitig magnetisch leitend verbundene koaxiale Ständerteile aufweist, die je zumindest eine ringförmige Koaxialspule enthalten, die von einer magnetisch leitenden Schaltung ums chi e's sen wird, die einerseits ein Läuferteil und andererseits der die betreffende Ringspule umgebende Ständerteil bilden, wob^i jeder Ständerteil in zwei koaxial angeordnete Ständerzahnsysteme mündet, die mit den Läuferzähnen über Luftspalte zusammenarbeiten und wobei, wenn eines dieser Ständerzahnsysteme auf die damit zusammenarbeitenden Läuferzahne ausgerichtet ist, die anderen Ständerzahnsysteme in bezug auf die damit zusammenarbeitenden Läuferzähne im wesentlichen über eine viertel, eine halbe und eine dreiviertel Zahnteilung verschoben sind, derart, dass diese Verschiebungen je Ständerteil um eine halbe Zahnteilung verschieden sind. Ein derartiger Motor ist unter der Bezeichnung "Hybridmotor" bekannt und kann als Schrittmotor ausgeführt sein. Ein derartiger Motor ist u.a. in der US-PS h 206 374 beschrieben.

Dabei sind die Ständerteile aus an beiden Seiten der Ringspulen liegenden Scheiben mit kreisförmig angeordneten, radial einwärts ragenden Zähnen aufgebaut, die je einzeln mit einer Läuferscheibe mit kreisförmig angeordneten und radial herausragenden Zähnen zusammenarbeiten und damit

³^ in bezug auf Motoren irit abgewinkelten interdigital angebrachten Klauenzähnen einen spitzeren Schrittwinkel insbesondere von 1,8° verwirklichen.

Für einige Anwendungen besitzt der bekannte Motor

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eine zu grosse Axiaihöhe. Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Motor derart abzuändern, dass die AxialhÖhe wesentlich verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindüngsgemäss dadurch, gelöst, dass je Lauferteil nur ein System kreisförmig angeordneter Zähne vorgesehen ißt und dass je Ständerzahnsystem die Zähne zumindest in zwei Sektoren angeordnet sind, die abwechselnd Zähne und keine Zähne enthalten, dass je Ständerteil diese Sektoren derart in bezug aufeinander positioniert sind, dass die Zähne des einen Systems seictorweise zwischen den Zähnen des anderen Systems dieses Ständerteils fallen, wobei die Zähne derart angeordnet sind, dass die Zähne beider Systeme je Ständerteil mit dem gleichen Zahnsystem des zugeordneten Läuferteils zusammenarbeiten.

Die neuerungsgemaßen Massnahmen ermöglichen die Verringerung der axialen Höhe je Ständerteil, weil ein ausreichender Axialabstand der Ständerzähne nicht berücksichtigt zu werden braucht und diese Anforderung in die Anforderung eines ausreichenden Abstands in der Umfangsrichtung zwischen den Zahnsystemen übergeht, weil nur ein Zahnrad je Läuferteil vorgesehen ist, und weil bei nur einem Zahnrad je Läuferteil genügend Raum für den Läufermagneten vorgesehen ist, so dass nicht wie beim bekannten Motor ein magnetisch leitender Teil zwischen den beiden Ständerteilen angebracht zu werden braucht.

Ein baulich besonders einfaches Ausführungsbeispiel des neuerungsgemaßen Motors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stäxder vier im wesentlichen gleiche Teile aus magnetisch leitendem Material enthält, die im wesentlichen scheibenförmig sind und eine Öffnung zum Aufnehmen des Läufers mit einem sektorweise um diese Öffnung angebrachten, im wesentlichen winkelgerade zu diesem scheibenförmigen Teil herausragenden und mit Zähnen versehenen Teil und mit einem in der gleichen Richtung wie dem mit Zähnen versehene Teil um die Aussenseite ausragenden und im wesentlichen kreisförmigen Teil mit einer axialen Höhe gleich der Hälfte der axialen Höhe der Ständer-

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teile haben, wobei die scheibenförmigen Teile reihum angebracht sind und so zwei Räume zum Aufnehmen der Ringspulen bi.]den, wobei diese Teile räumlich in bezug aufeinander verdreht sind, wodurch je Ständerteil die Zähne zwischen jene des anderen Teils fallen* derart, dass gegenseitig zwischen den verschiedenen Zahnsystemen die erwähnten Verschiebungen über eine viertel, eine halbe und eine dreiviertel Zahnteilung auftreten.

Beim neuerungsgemäßen Motor ist es weiter vortelihait, dass beide Läufsrteile axial lamelliert sind.

Bei dem aus der erwähnten US-Patentschrift bekannten Motor mit zwei Zahnrädern je Läuferteil verläuft der Fluss infolge der Erregung der Spule vom einen zum anderen Zahnrad des gleichen Läuferteils in axialer Richtung, wodurch Wirbelströme ausgelöst werden, die sich nicht durch axiale Lamellierung reduzieren lassen. Beim erfindungsgemässen Motor verläuft dieser Fluss in der Umfangsrichtung über 90° durch das Zahnrad. Die Wirbelströme lassen sich dabei tatsächlich durch axiale Lamellierung der Läufer-

zahnräder reduzieren.

Ausführungsbeispiele der Neuerung, werden nach-

stehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Mobors, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Motors nach Fig. 1 in ausgebautem Zustand,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Teil 4 des Motors

nach Fig. 1 und 2,

Fig. k einen Schnitt entlang der Linie IV-IV

des Teiles nach. Fig. 3,
. Fig. 5 eine Draufsicht des Teiles 1 (1O) des

Motors nach Fig. 1 und 2,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI

des Teiles nach Fig„ 5,

Fig. 7 in einem Diagramm die Ordnung der Ständerzähne auf den Teilen nach Fig. 4 und 5,

Fig. 8 in einem Diagramm die gegenseitige Ordnung der Ständer und Lauferzähne,

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Fig. 9 die Erregerströme in Seitlicher Abhängigkeit für den neüerungsgemäßeh Motor,

Fig. 10 eine !Draufsicht auf einen Teil 23 für ein zweites Ausführungsbeispiel eines rieuerungsgemäßen Motors Fig. 11 einen Schnitt entlang der Linie XI-XI des Teiles nach Fig. 10, und

Fig. 12 einen Axialschnitt durch dieses zweite Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist ein Axialschnitt durch ein Aus-

Iu fühi-üxigsueispisl sxr.es r.euerungs'jeniäßen Motors dargestellt, und in Fig* 2 ist eine perspektivische Darstellung dieses Motors in ausgebauter Form gezeigt (ohne Darstellung der Läuferlagerung). Der Motor enthält einen Ständer und einen Läufer. Der Ständer besteht aus einem Teil 1, der

IB im wesentlichen scheibenförmig ist und eine Öffnung für den Läufer hat, wobei um diese Öffnung zwei an einer zylindrischen Fläche liegenden Zahnsysteme 2 und 3 vorgesehen sind, die einander gegenüberliegen und je weniger als ein Viertel des Umfangs einnehmen. Auf diesen Teil passt ein Mittelteil k, der an der Aussenseite einen Zylinder 4a bildet, der auf halber Höhe einen scheibenförmigen Innenteil kh darstellt, in dem eine Öffnung für den Läufer angebracht ist und um diese Öffnung an einer zylindrischen Fläche vier Zahnsysteme 5> 6, 7 und 8 angebracht sind, wobei die Zahnsysteme 5 und 6 nach der einen axialen L5eite und die Zahnsysteme 7 und 8 nach der gegenüberliegenden Seite derart gerichtet sind, dass diese Systeme 7 und 8 zwischen die Systeme 2 und 3 des Teiles 1 fallen. Ein jedes dieser Systeme 5 bis 8 nimmt weniger als ein Viertel des Umfangs ein. Auf das Mittelteil k passt ein Oberteil 1Q, das grundsätzlich gleich dem Unterteil 1 ist, jedoch das unterste zu oberst angeordnet. Dieser Oberteil 10 weist Zahnsysteme 11 und 12 auf, die zwischen die Systeme 5 und des Mittelteils fallen. In die zwischen den Teilen 1 und bzw. k und 10 ausgebildeten ringförmigen Hohlräume aind Ringspulen 13 bzw. ΛΚ aufgenommen.

Der Läufer enthält eine Welle 15, die in Lager bzw. 17 aufgenommen ist, die über Teile 18 bzw. 19 bei-

»β κ»

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spielsweise aus Kunststoff in den Ständerteilen 1 bzw. 10 < z.B. im Spritzgussverfahren angebracht sind. Auf dieser Welle 15 sind zwei Räder 20 und 21 angebracht, die je auf ^; dem Umfang mit Zähnen mit einer Zahnteilung gleich der der «

Zähne der Ständerzahnsysteme versehen sind. Diese Räder ti

sind derart angebracht, dass die Zähne des Rades 20 mit ^

den Zahnsystemen 2, 3, 7 und 8 und die Zähne des Rades 21 g iri t den Zahnsystemen 5> 6, 11 und 12 zusammenarbeiten. Zwischen den beiden Läuferrädern ist ein axial magnetisierter Dauermagnet 22 angebracht.

In Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den Ständerteil h und in Fig. 4 ein Schnitt entlang der Linie IV-IV dargestellt, während Fig. 5 eine Draufsicht auf den Ständerteil 1 bzw. eine Unteransicht des Ständerteils 10 urad Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI zeigt, wobei Fig. 7 in einem Diagramm die Zahnteilung in den Zahnsystemen 2, 3, 5, 6, 7, 8, 11 und 12 darstellt. Jedes dieser Systeme nimmt weniger als 90° ein, so dass sie zwischeneinander passen. In diesem Ausführungsbeispiel zeigen sie je 10 Zähne mit einer Teilung von 7,2°. Zwischen den Zahnsystemen weicht der Innenrand des scheibenförmigen Teils der Ständerteile nach aussen zurück und lässt so genügend Raum für die Zahnsysteme des benachbarten Teils.

In Fig. 8 ist die gegenseitige Lage der verschiedenen Zähne dargestellt, indem die Hälfte einer abgewickelten Innenansicht des Standers mit einem Teil einer abgewickelten Aussenansicht des Läufers daneben gezeigt werden. Die Zahnteilung ist jetzt derart, dass zwischen den Systemen 2, 3 und 7» 8 sowie zwischen den Systemen 5» 6 und 11, 12 eine Verschiebung einer halben Zahnteilung ρ auftritt (abgesehen von einer Verdrehung über ein ganzzahliges Vielfaches der Zahnteilung p, insbesondere 90°), dass die Systeme 5» 6 mxt den Systew.rj 7» 8 und die Systeme 11, 12 mit den Systemen 3» 2 fluci? ΐοΐι. Zwischen des 1'UXtMg-. der

3S Läüferräder ist eine Verdrehung übel* eine viertel 2älinteiiung angebracht. Es gibt viele Abwandlungen dieser Zähnteilung, wie ζ·Β*

- die Systeme 7 und 8 verdrehen sich gegenüber den Systemen

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5 und 6 mit einer, abgesehen von möglichen einzelnen ganzen Zahnteilungen, gleich grossen Verdrehung zwischen den Systemen 11, 12 und 3, 2. Insbesondere sind es die erwähnte Verdrehung über eine halbe Zahnteilung über und über 90° .+ eine halbe Zahnteilung;

- die Läuferzähne fluchten und eine Verdrehung gibt sich mit einer viertel Zahnteilung zwischen den Systemen 5, und 7, 8 sowie zwischen den Systemen 3, 2 und 11, 12, ggf. in Kombination mit den bereits erwähnten Abwandlungen; - andere Zahnsystemzahlen je Umfang, beispielsweise eine Verteilung in 45°-Sektoren, also vier Zahnsysteme je

Umfang.

Im Prinzip sind alle Abwandlungen möglich, die eine Verdrehung über 180° zwischen den der gleichen Ringspule zugeordneten Zahnsystemen untereinander und eine Phasendrehung über 90° zwischen der einen Ringspule zugeordneten Zahnsystemen und der anderen Ringspule zugeordneten Zahnsystemen relativ in bezug auf die Zähne des zugeordneten Läuferrades elektrisch bewirken.

In Fig. 9 sind in einem Diagramm geeignete Erregerströme I₁ bzw. I₂ der Ringspulen 13 bzw. \k dargestellt, wobei ein derartiger Strom als positiv bestimmt ist, der das Feld in den Luftspalten zwischen den Zähnen der Systeme 2 und 3 und den Zähnen des Läuferrades 20 und das Feld in den Luftspalten zwischen den Zähnen der Systeme 11 und und den Zähnen des Läuferrades 21 das Feld infolge des Dauermagneten 22 verstärkt. Ist zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ der Strom I₁ positiv (I₂ = θ), so verstärkt das von diesem Strom erzeugte Feld das Dauermagnetfeld in den 3ü Luftspalten zwischen den Zähnen der Systeme 2 und 3 und des Läuferrades 20, so dass sich die Zähne des Läuferrades 20 nach den Zähnen der Zahnsysteme 2 und 3 richten. Wird anschliessend der Strom I₂ positiv (I₁ = θ), geschieht dasselbe zwischen den Zähnen des Läuferrads 21 und den Zahnsystemen 11 und 12, so dass sich der Läufer über einen Winkel gleich einer viertel Zahnteilung dreht. Anschliessend wird der Strom I₁ negativ, Wodurch sich die Zähne des Läuferrades 20 nach den Zähnen der Zähnsysteme 7 und 8

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richten, wodurch wiederum eine Verdrehung über eine viertel Zahnteilung ausgelöst wird. Danach wird der Strom I₂ negativ (I =0), wodurch die Zähne des Läuferrades 21 sich nach den Zähnen der Systeme 5 und 6 richten, und eine vollständige Periode mit einer Verdrehung um eine Zahnteilung ρ vollendet ist. Der Schrittwinkel beträgt also eine viertel Zahnteilung oder auch 1,8° irr dargestellten Beispiel.

Wird der Motor mit den gestrichelt dargestellten sinusförmigen Strömen I₁ ¹ und I₂' mit einem Phasenunter schied von 90° erregt, verhält sich der Motor als Synchronmotor.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 sind zwei verschiedene Standerteile erforderlich, und zwar der Teil k und die Teile 1 und 10, die einander gleich sein können. Werden jedoch Ständerteile 23 nach Fig. 10 (Draufsicht) und nach Fig. 11 (Schnitt entlang der Linie XI-Xl) verwendet, kann der Ständer (abgesehen von Spulen und Lagern) mit den gleichen Teilen 23 aufgebaut werden, wie sie in Fig. 12 im Schnitt dargestellt sind. Der Mittelteil h in Fig. 1 ist in Fig. 12 aus zwei gleichen Teilen 23b und 23c nach Fig. 10 und 11 in rücklings aneinander gestellter Befestigung gebildet. Gleiche Teile 23a und 23b arbeiten als Ober- und Unterteile (1, 10) durch Verdrehung in bezug auf den Mittelteil über den entsprechenden Winkel (90° -ip)· Eine Abwandlung des Motors nach Fig. 12 ergibt sich durch Erhöhung des hochstehenden Aussenrandes der äusseren Teile 23a und 23d und durch Verwendung der inneren Teile ohne hochstehenden Aussenrand (wie die Teile 1 und in Fig. 1 und 2.).

in Fig. 13 ist der Schnitt durch einen Ständerteil einer Abwandlung des Motors dargestellt, bei dem die Zähne nicht auf einem abgewinkelten Teil angeordnet sind, sondern sich im wesentlichen radial inwärts erstrecken. Hierbei hat sich die axiale Höhe der Ständerzahne verringert.

Damit die wirksame axiale Höhe der Zähne, d.h. die überlappenden Teile de*· Ständer- und der damit zusammenarbeitenden Läuferteile der Ständerzahnsysteme gleich bleibt, was bei den Motoren nach Fig. 1 und 10 durch eine axiale Höhe

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der Ständerzahne grosser als die axiale Höhe der Läuferzähne geschieht, werden bei dieser Abwandlung die Läuferzähne grosser gewählt, beispielsweise durch die Wahl tellerförmiger Läuferzahnräder nach Fig. ^k oder 15« Beim Läufer nach Fig. I^ sind die Läuferräder 20 und 21 tellerförmig mit nach aussen gerichteten Tellern 2k und 25 ausgeführt, was durch die Wahl eines kurzen Magneten 22 beispielsweise aus Sammarium-Kobalt möglich ist. Die beiden Teller 2k und 25 können dabei Teile der Läuferlager aufnehmeis, was eine Verringerung der Axiallänge toewirkt. Andere Magnetwerkstoffe wie Ticenal erfordern eine grössere Axiallänge, was mit dem Rotor nach Fig. 15 ermöglicht wird, wobei die Teller 2k und 25 in den Läuferzahnrädern 20 und 21 den Magneten aufnehmen.

Hinsichtlich der geringen axialen Höhe des Motors ist es für manche Anwendungen vorteilhaft, mehrere und z.B. zwei Motore nach der Nau3rung auf einer Welle axial hintereinander anzuordnen, beispielsweise zur Vergrösserung des Drehmoments oder zur Verringerung des Schrittwinkels, wobei in diesem letzten Fall eine Verdrehung über eine achtel Zahnteilung zwischen beiden Motoren angebracht werden nmss.

Beim bekannten Motor nach der erwähnten US-Patentschrift mit zwei Zahnrädern je Läuferteil verläuft der Fluss durch die Erregung der Spule in axialer Richtung vosn einen Zahnrad zum anderen, wodurch Wirbelströme ausgelöst werden, die sich nicht durch AxJallamellierung reduzieren lassen. Bei dem erfindungsgemässen Motor verläuft dieser Fluss in der Umi'angsrichtung über 90° durch das Zahnrad. Dabei lassen sich die Wirbelströme tatsächlich durch Axiallamellierung der Läuferzahnräder reduziere.*».

Eine derartige Lamellierung¹ ermöglicht auf einfache Weise eine tellerartige Struktur der Lauferzahnräder. Vergleiche dazu die Lamellierung der Zahnräder 20 und 21 in Fig. 1 ^f und 15,

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Claims

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SCHUTZANSPRÜCHE:

-,. Synchronmotor mit einem Ständer und einem Läufer, dir zwei koaxiale Läuferteile enthält, die auf dem Aussenumfang mit kreisförmig angeordneten Läuferzähnen versehen und axial durch einen zwischen den beiden Teilen angeordneten, axial magnetisieren Dauermagneten voneinander getrennt sind, wobei der Ständer zwei gegenseitig magnetisch leitend verbundene koaxiale Ständerteile aufweist, die je zumindest eine ringförmige Koaxialspule enthalten, die von einer magnetisch leitenden Schaltung umschlossen wird, die einerseits ein Läuferteil und andererseits der die betreffende Ringspule umgebende Ständerteil bilden, wobei jeder Sti.nderteil in zwei koaxial angeordnete Ständerzahnsysteme mündet, uie uit den Läuferzähnen über Luftspalte zusammenarbeiten und -obei, wenn eines dieser Ständersysteme auf die damit zusammenarbeitenden Läuferzähne ausgerichtet sind, die anderen Ständerzahnsysterne in bezug au± die damit zusammenarbeitenden Läuferzähne im wesentlichen über eine viertel, eine halbe und eine dreiviertel Teilung derart verschoben sind, dass diese Verschiebungen je Ständerteil um eine halbe Zahnteilung verschieden sind, dadurch gekennzeichnet, dass je Läuferteil nur ein System kreisförmig geordneter Zähne vorhanden ist und dass je Ständerzahnsystem die Zähne zumindest in zwei Sektoren angeordnet sind, die abwechselnd Zähne und keine Zähne enthalten, dass je ständerteil diese Sektoren derart in bezug aufeinander positioniert sind, dass die Zähne des einen Systems sektorweise zwischen den Zähnen des anderen Systems dieses Ständerteils fallen, wobei die Zähne derart angeordnet sind, dass die Zähne der beiden Systeme je Ständerteil mit einem und dem gleichen Zahnsystem des zugeordneten Läuferteils

zusammenarbeiten.

2. Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekenn·^

j zeichnet, dass der Ständer vier im wesentlichen identische

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Teile aus magnetisch, leitendem Material enthält, die im wesentlichen scheibenförmig sind und eine Öffnung zum Aufnehmen des Läufers mit einem sektorweise um die Öffnung angeordneten, im wesentlichen winkelrecht zu diesem scheibenförmigen Teil ausragenden und mit Zähnen versehenen Teil und mit einem in derselben Richtung wie der mit Zähnen versehene Teil um die Aussenseite ausragenden und im wesentlichen zylinderförmigen Teil mit der axialen Höhe gleich der Hälfte der axialen Höhe der Ständerteile haben, wobei die scheibenförmigen Teile reihun angebracht sind und so zwei Räume zum Aufnehmen der Ringspulen bilden, wobei diese Teile räumlich in bezug aufeinander verdreht sind und auf diese Weise je Ständerteil die Zähne zwischen die des anderen Teils eingreifen, derart, dass gegenseitig zwischen den verschiedenen Zahnsystemen die Verschiebungen Über eine viertel, eine halbe und eine dreiviertel Zahuteilung auftreten .

3. Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Läuferteile axial lamelliert

²⁰ sind.