DE2611506C2

DE2611506C2 - Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Magnetkerns mit einer Magnetspulenanordnung

Info

Publication number: DE2611506C2
Application number: DE2611506A
Authority: DE
Inventors: Susumu Yokohama Kanagawa Hoshimi; Keisuke Tachikawa Tokio/Tokyo Ikegami
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1975-03-19
Filing date: 1976-03-18
Publication date: 1985-04-18
Also published as: CA1052433A; FR2305001B1; NL7602943A; US4103197A; JPS51118007U; FR2305001A1; AT364027B; GB1534724A; DE2611506A1; ATA206776A

Description

einander versetzt im Ringabstand zwischen Stator 3 und Rotor 4 angeordnet sind. Jedes der Positions-Abtasteiemente 8a, 86 und 8c kann — wie bekannt — eine um einen sättigbaren Magnetkern, beispielsweise aus Weicheisen, gewickelte Spule umfassen, und die Spulen der Elemente 8a, Bb und 8c sind zueinander parallel geschaltet; ihnen wird eine Wechselspannung mit einer Frequenz von beispielsweise 8 kHz zugeführt.

Dreht sich der Rotor 4 in der durch den Pfeil in F i g. 2 angezeigten Richtung und erreicht die in der Zeichnung angegebene Position, in der der Abtastmagnet 7 auf dem Rotor 4 winkelmäßig auf das Positions-Abtastelement 8a ausgerichtet ist, so wird der Kern dieses Elementes 8a hinsichtlich des Magnetflusses gesättigt, so daß die Induktivität der zugeordneten Spule nahezu Null wird. Als Folge davon wird auch der Spannungsabfall über die Spule des Positions-Abtastelementes 8a zu nahezu Null, und als Folge davon wird ein nicht gezeigtes und mit dem Positions-Abtastelement Sa verbundenes Schaltelement eingeschaltet, so daß über die Wicklung 2a des Stators 3 über das Schaltelement ein Strom zufließt Steht der Rotor 4 in der in Fig.2 gezeigten Position, so werden die Kerne der Positions-Abtastelemente Sb und 8c nicht gesättigt, so daß ihre jeweiligen Wicklungen einen bestimmten Induktivitätswert beibehalten, so daß die diesen Elementen 8b und 8c zugeordneten und nicht gezeigten Schahelemente ausgeschaltet bleiben und mithin den zugeordneten Wicklungen 2b und 2cdes Stators 3 kein Strom zufließt

Bei der Rolorstellung nach Fig.2 fließt ein Strom durch die Wicklung 2a in der durch die Zeichen O und (^angegebenen Richtung. Aufgrund des Magneten 5 fließt ein Magnetfluß in zwei magnetischen Kreisen 9a und 9b. Durch das Zusammenwirken dieser Magnetflüsse mit dem durch die Wicklung 2a fließenden Strom wird eine Kraft 5 erzeugt, die sich nach folgender Gleichung bestimmen läßt:

F=IB-L-IN,

worin mit L die Stromstärke, mit N die Anzahl der Windungen für die Wicklungen 2a, 2b bzw. 2c und mit/? die Magnetflußdichte bezeichnet sind Diu Kraft F erzeugt ein Drehmoment zur Drehung des Rotors 4 in der durch den Pfeil in Fig.2 angegebenen Richtung. Im Verlauf dieser Drehung werden die Kerne der Positions-Abtastelemente 8a, Sb und 8c mit Magnetfluß gesättigt, und dadurch werden die Wicklungen 2a, 2b und 2c des Stators erregt, um das zur kontinuierlichen Drehung des Rotors 4 erforderliche Drehmoment zu erzeugen.

Bei dem Äquivalenzschaltbild für die Magnetflußkreise 9a und 9b gemäß F i g. 3 ist mit

F die elektromotorische Kraft des Magneten 5,

Φ der Magnetfluß,

R\ der magnetische Widerstand zwischen dem Nordpol des Magneten 5 und dem Stator 3,

Rt' der magnetische Widerstand zwischen dem Südpol des Magneten 5 und dem Stator 3,

/?2 der magnetische Widerstand des Stators 3 im Magnetflußkreis 9a,

R₂' der magnetische Widerstand des Stators 3 im anderen Magnetflußkreis 9b,

Ri der magnetische Widerstand des Jochs 6 im Magnetflußkreis 9a u:ri

Ri der magnetische Widerstand des Jochs 6 im anderen Magnetflußkreis 9b

bezeichnet

Die obigen Widerstände Ri, R₁', R* R₂', R₃ und A₃' lassen sich durch die folgenden Gleichungen bestimmen:

Ri

R₂' =

und

A3 = A₃' =

worin mit

g der Luftspalt zwischen Rotor 4 und Stator 3,
5b der Bereich des Nord- oder Südpols des Magneten 5, der dem Stator 3 gegenübersteht und über den der Magnetfluß fließt

51 der Querschnittsbereich des Stators 3 im Magnetflußkreis 9a,

5₂ der Querschnittsbereich des Jochs 6 in den Magnetflußkreisen 9a und 9b,

A cie mittlere Länge des magnetischen Pfads im Stator 3,
I₂ die mittlere Länge des magnetischen Pfads im Joch 6,

μο die magnetische Permeabilität von Luft
μι die magnetische Permeabilität des Statorkerns 1

und mit
μ₂ die magnetische Permeabilität des Jochs 6

bezeichnet sind.
In den obigen Gleichungen gilt normalerweise

μι >

woraus folgt, daß

> μο.

Rt = Rt' > R₂ = R₂'

gilt. Folglich hat weder A₂ noch R₂' eine wesentliche Wirkung auf die Drehmomentenkennlinie für den Rotor

4. Ein Teil des zylindrischen Statorkerns 1 kann also wegfallen, ohne daß die Drehmomentkennlinie des Motors wesentlich beeinflußt wird. Diese Überlegungen bilden die theoretische Grundlage der Erfindung.
Gemäß der Erfindung erfollgt der Aufbau der Magnetspulenanordnung dadurch, daß die auf den Magnetkern in bestimmten gegeneinander versetzten Winkelpositionen aufzubringenden Ringwicklungen getrennt als Einzelwicklungen auf Spulenkörpern hergestellt werden, d. h. die?*; Wicklungen lassen sich sehr v/irtschaftlich auf herkömmlichen Wickelmaschinen herstellen. Der zylindrische Kern wird mit einem Axialschlitz versehen, der so breit ist, daß die vorgefertigten Ringwicklungen nacheinander in den Schlitz eingeschoben und auf den Kern aufgeschoben werden können. Sodann werden die Wicklungen in Umfangsrichtang in die jeweils gewünschte Winkelposhion geschoben und auf dem Kern fixiert.

Die Ringwicklungen 15 werden unabhängig vom Kernelement gefertigt Wie besonders die Fig.4 zeigt, weist jede Wicklung 15 einen Spulenkörper 12, beispielsweise aus Kunstharz, auf, dessen rechteckfflrmiger lichter Innenraum 13 eine Höhe h' besitzt die etwa der axialen Lenge h des Kernelements entspricht, während

26 i 1

die schmale Querabmessung t' etwa der Dicke oder Stärke t (F i g. 4) des Kernelements entspricht, so daß das Kernelement durch den lichten Innen- oder Hohlraum 13 hindurchgreifen kann. Der Spulenkörper 12 weist weiterhin nach außen abstehende Flansche 12a und 126 an jeweils gegenüberliegenden Enden des Innenraums 13 auf. Jede Wicklung 15 besitzt weiterhin eine Wicklung 14 mit einer bestimmten Anzahl von Windungen aus leitendem Draht, der auf den Spulenkörper 12 zwischen den Flanschen 12a und 126 mittels einer herkömmlichen Wickelmaschine aufgewickelt ist. Die Breite oder Weite ddes Schlitzes im Kernelement ist so gewählt, daß jeweils einer der Spulenkörper 12 samt Wicklung 14 in Querrichtung durchgeschoben werden kann, d. h. die Breite ddes Schlitzes sollte etwa der Breite «/'jedes Spulenkörpers 12 entsprechen. Ist die erforderliche Anzahl von Wicklungen 15 unabhängig vom Kernelement hergestellt, so werden die Wicklungen 15 einzeln durch den Schlitz eingeschoben und auf das Kernelement aufgeschoben und bis in die gewünschte Position auf dem Kernelement so verschoben, daß ein gleichbleibender Winkelabstand zwischen den einzelnen Wicklungseinheiten gegeben ist. Schließlich werden die Spulenkörper 12 der Wicklungen 15 fixiert, beispielsweise mittels Klebstoff oder eines geeigneten Zementmaterials.

Ist der Stator für einen Elektromotor des oben anhand der F i g. 1 und 2 beschriebenen Typs bestimmt, der also eine Dreiphasenwicklung 2a, 2b und 2c aufweist, so sind jeweils zwei Wicklungen 15 für jede Phasenwicklung vorgesehen, d. h. für diesen Fall weisen die sechs Wicklungen 15 einen gegenseitigen Winkelabstand von 60° auf dem Kernelement auf. Statoren erfindungsgemäßer Bauart können selbstverständlich mit einer anderen Anzahl η von Phasenwicklungen versehen sein, wobei gilt, daß der Stator mit 2n Wicklungen 15 versehen ist, die einen gegenseitigen Winkelabstand von 360° /2n auf dem Kernelement aufweisen.

In jedem Fall ermöglicht der Schlitz im Kernelement ein bequemes Einsetzen und Aufbringen der Wicklungen 15, und der geschlitzte Kern hai — wie oben nachgewiesen — nur einen geringen Einfluß auf die Rotation oder die Drehmomentenkennlinie des Elektromotors, der mit einem solchen Stator versehen wird.

Bei der Ausführungsform nach den F i g. 5 und 6 ist ein dem zuvor beschriebenen Stator ähnlicher Stator 19 vorgesehen. Der zylindrische Statorkern 18 jedoch besteht aus drei ähnlichen ringförmigen Statorkernelementen 18a, 186 und 18c, deren Axialabmessung jeweils Λ/3 beträgt, d. h. -in Drittel der gewünschten Axiallänge des Kerns i8 und die erwähnten Kernelemente werden axial übereinander angeordnet. Alle drei ringförmigen Statorkernelemente 18a, 186 und 18c sind mit einem Axialschlitz 17a, 176 bzw. 17c versehen, der sich in Radialrichtung über die gesamte Wandstärke des jeweiligen Kernelements 18a, 186 bzw. 18c und über die gesamte axiale Länge Λ/3 eines solchen Kernelements erstreckt Die Ringwicklungen 15 (Fig.6) werden getrennt vom Kern 18 hergestellt und dann auf letzteren aufgeschoben, wie zuvor beschrieben. Während des ω Aufbringens der Wicklunger, auf den Kern 18 werden die Kernelemente 18a, 186 und 18c so aufeinander ausgerichtet, daß ihre jeweiligen Schlitze 17a, 176 und 17c in Axialrichtung aufeinander stehen, wie die F i g. 5 zeigt, so daß sich ein durchgehender Schlitz entlang der gesamten Axiallänge des Kems 18 ergibt, durch den die Wicklungen 15 aufeinanderfolgend auf den Kern 18 aufeeschoben werden können. Nach dem Aufschieben der Wicklungen 15 auf den Statorkern 18 werden die Kernelemente 18a, 186 und 18c relativ zueinander verdreht, so daß die jeweiligen Schlitze 17a, 176 und 17c in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt stehen, beispielsweise um jeweils 120°, wie die Fig.6 zeigt. Mit den relativ zueinander so versetzten Kernelementen 18a, 186 und 18c und den in gleichabständigen Winkelpositionen auf dem Kern 18 angeordneten Wicklungen 15 werden die einzelnen Kernelemente in geeigneter Weise gegeneinander gesichert, und auch die Wicklungen 15 werden in ihren jeweiligen Positionen auf dem so erhaltenen Kern 18 fixiert, so daß sich der fertige Stator 19 gemäß F i g. 6 ergibt.

Bei dem Stator 19 nach Fig.6 sind die Magnetflußstörungen aufgrund des Schlitzes, wie er beispielsweise bei einem einzelnen Kernelement eines Stators vorhanden ist, wesentlich dadurch reduziert, daß die Schlitze 17a \7h und 17r in I !mfancrsrirhtiinc cetrenein.inrlrr versetzt sind. Falls erforderlich, läßt sich die Magnetflußstörung bei der Ausführungsforrn nach den F i g. 4 bis 6 dadurch weiter reduzieren, daß die Schlitze 17a, 176 und 17c in den Statorkernelementen 18a. 186 und 18c mit einem Magnetmaterial ausgefüllt werden, das vorzugsweise das gleiche Material ist. aus dem das Statorkernelement oder die Statorkernelemente gefertigt sind. Diese Schlitzfüllung wird eingebracht, nachdem die Wickl^gen über den Schlitz oder die Schlitze auf den Statorkern aufgeschoben worden sind.

Obgleich der Statorkern 18 nach F i g. 5 aus drei Statorkernelementen aufgebaut ist, ist es für den Fachmann ersichtlich, daß jede beliebige Anzahl von Statorkernelementen größer als Eins vorgesehen werden kann, um die damit angestrebte Verminderung der Magnetflußstörung aufgrund der Schlitze in diesen Statorkernelementen zu bewirken. Diese Verminderung der Magnetflußstörung ist in gewissen Grenzen abhängig von der Anzahl der verwendeten Kernelemente.

Obgleich die Erfindung in der bisherigen Beschreibung unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 in Anwendung auf den Stator eines Elektromotors beschrieben wurde, ist ersichtlich, daß sie sich in ähnlicher Weise auch auf den Rotor eines Elektromotors oder irgendeine andere elektrische Vorrichtung dieser Art anwenden läßt, beispielsweise auf ein Strommeßgerät, bei dem ein zylindrischer Kern mit Toroidwicklungen vorhanden ist, die an bestimmten Winkelpositionen fixiert sind. Auch für solche anderen Anwendungsfälle läßt sich in den meisten Fällen ein Kern mit einem Axialschlitz verwenden, über den die Wicklungen aufgeschoben werden können, so daß letztere unabhängig vom Kern hergestellt »/erden können, und die Herstellungskosten für die Gesamtanordnung wesentlich niedriger werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Von besonderem Vorteil ist es, in die Axialschlitze Patentansprüche: nach dem Einsetzen der Ringwicklungen Magnetmaterial mit Magneteigenschaften ähnlich denen des Ma-

1. Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmi- gnetkernmaterials einzusetzen. Dadurch wird ein Streugen Magnetkerns mit einer Magnetspulenanord- 5 feld fast vollständig vermieden.

nung, wobei der Magnetkern einen durchgehenden Besonders vorteilhaft läßt sich das anmeldegemäße Axialschlitz aufweist, in den nacheinander mehrere Verfahren zum Herstellen eines Stators eines Elektroeinzelne, vorgefertigte Ringwicklungen eingeführt, motors anwenden. Bei kleinen bürsten- und rutlosen auf den Magnetkern aufgeschoben und dann um be- Gleichstrommotoren, wie sie beispielsweise für Plattenstimmte Winkel am Magnetkernumfang gegenein- 10 spieler, Magnetbandgeräte und dergleichen verwendet ander versetzt angeordnet werden, dadurch ge- werden, weist der Stator einen zylinderförmigen Statorkennzeichnet, daß der Magnetkern (18) aus kern aus Magnetmaterial auf, der an gleichabständigen mehreren axial hintereinander angeordneten Ring- Winkelpositionen seines Umfangs beispielsweise mit kernelementen (18a, b, c) besteht, deren jeweilige drei Toroidwicklungen versehen ist Um diese Toroid-Äxialschlitze (17a, b, c^zum Einsetzen der Ringwick- 15 wicklungen auf den Zylinderkern aufzubringen, wurde lungen (15) aufeinander ausgerichtet werden, wäh- bisher eine spezielle Wickelmaschine benötigt Derartirend nach dem Einsetzen der Ringwicklungen die ge Maschinen sind kompliziert und teuer, und sie weisen Ringkernelemente gegeneinander verdreht werden, nur niedrige Arbeitsgeschwindigkeiten auf. Diese Nachderart, daß 4ie einzelnen Axialschlitze nicht mehr teile sind mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahaufeinander ausgerichtet sind. 20 ren vermieden, das sich daher insbesondere zum Her-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- stellen von Statoren eignet.

zeichnet, daß in die Axialschlitze (17a, b, c) in den Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren

Ringkernelementen (18a, b, c) nach Einsetzen der näher erläutert Es zeigt

Ringwicklungen (15) ein Magnetmaterial mit Ma- F i g. 1 die Perspektivdarstellung eines Stators eines

gneteigenschaften ähnlich denen des Magnetkern- 25 herkömmlichen Gleichstrommotors,

materials eingesetzt wird. F i g. 2 die schema? sehe Querschnittansicht eines her-

3. Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß kömmlichen Gleichstrommotors,

Anspruch 1 oder 2 hergestellten Magnetkerns (18) F i g. 3 das elektrische Äquivalenzschaltbild des Ma-

als Stator eines Elektromotors. gnetkreises des Gleichstrommotors nach F i g. 2,

30 F i g. 4 die Perspektivansicht einer Ringwicklung, die

auf den Statorkern nach Fig.5 aufzuschieben und auf

diesem Kern festzulegen ist,

F i g. 5 die Perspektivansicht eines Statorkerns nach

Die Erfindung bezieht sich auf eir. Verfahren zur Her- einer Ausführungsform der Erfindung und

stellung eines zylinderförmigen Magnetkerns mit einer 35 Fig.6 die Perspektivansicht eines Stators mit einem

Magnetspulenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Statorkern nach F i g. 5 und einer Anzahl von Ringwick-

Anspruchs 1. lungen gemäß F i g. 4.

Eine Anordnung, mit der das gattungsgemäße Ver- Die F i g. 1 verdeutlicht einen Sts'or 3 für einen kleifahren durchgeführt werden kann, ist aus der US-PS nen bürsten- und nutlosen Gleichstrommotor, wie er 83 700 bekannt Die Anordnung hat den Vorteil, daß 40 beispielsweise üblicherweise als Antriebseinheit für Ringwicklungen vorgefertigt und dann sehr einfach Plattenspieler oder Magnetbandgeräte verwendet wird; durch Einführen durch den Schlitz hindurch auf den er weist einen zylindrischen Statorkern 1 aus Magnet-Magnetkern geschoben werden können. Es besteht je- material sowie drei Toroid- oder Ringwicklungen 2a, 2b doch das Problem, daß eine Magnetflußstörung auf- und 2c auf, die an gleichabständigen Winkelpositionen grund des Schlitzes im Kern besteht. 45 um den Kern 1 herumgewickelt sind. Die Herstellung Auch aus der US-PS 4 69 080 ist es bekannt, vorgefer- der Wicklungen 2a, 2b und 2c auf dem zylindrischen tigte Ringwicklungen zum Herstellen einer Magnetspu- Kern 1 erfordert — wie bereits erwähnt — die Verwenlenanordnung zu verwenden. Jedoch besteht dort der dung einer speziellen Wickelmaschine, die teuer und Kern aus mehreren Segmenten. Auf jedes Segment wird kompliziert aufgebaut ist und mit der sich die Wickluneine vorgefertigte Ringwicklung aufgeschoben. Danach 50 gen nur in vergleichsweise langsamer Herstellungsgewerden die Segmente untereinander verbunden. Bei schwindigkeit aufbringen lassen,
dieser Ausführungsform tritt keine Magnetflußstörung Wie die schematische Darstellung der F i g. 2 zeigt, ist aufgrund eines Schlitzes mehr auf, jedoch ist das Her- der Stator 3 nach F i g. 1 konzentrisch im Inneren eines stellverfahren aufwendig. zylindrischen Rotors 4 gelagert, der einen zylindrischen Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver- 55 Magnet 5 mit Nord- und Südpol N bzw. S umfaßt, die, fahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem einander gegenüberstehend, einen Umfangswinkelbesich eine Magnetspulenanordnung unter Verwendung reich von 120° einnehmen. Ein zylindrisches, feststehenvorgefertigter Ringwicklungen unter Vermeidung eines des Joch 6 umschließt den Magnet 5, und ein gekrümmdurchgehenden Schlitzes im Magnetkern herstellen ter Abtastmagnet 7, der einen Winkelbereich von 120 laßt. 60 bis 130° umfaßt, ist auf der Außenfläche des |ochs 6 Die Erfindung ist durch die Merkmale des Hauptan- befestigt und steht im wesentlichen in Radialausrichspruchs gegeben. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß ein tung auf den Nordpolabsehnitt des Magnets 5. Der gc-Magnetkern aus mehreren axial hintereinander ange- krümmte Abtastmagnet 7 ist so ausgebildet, daß ein ^jI ordneten Ringkernelementen verwendet wird, deren Südpol S an der Außenfläche und ein Nordpol N an £# Axialschlitze zum Einsetzen dar Ringwicklungen aufein- 65 seiner Innenfläche gegen das Joch 6 zu liegt. Der bell* ander ausgerichtet werden, die aber nach dem Einsetzen kannte Motor nach F i g. 2 umfaßt weiter drei die Win- '■\ der Wicklungen so gegeneinander verdreht werden, daß kelstellung abfragende Positions-Abtastelement 8a, Sb :·:'■ die Schlitze nicht mehr in einer Linie liegen. und 8c, die in Umfangsrichtung um jeweils 120" gegen-