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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrommotor mit einem Anker, einer Ankerwicklung mit mindestens zwei über eine Schalteinrichtung mit stets der gleichen Polarität abwechselnd erreg- baren Spulen und einer Feldpolanordnung mit mindestens einem Paar von Feldpolen, die um einen elektrischen Winkel von 1800 distanzierte Polaritätswechselbereiche aufweist.
Ein derartiger Motor ist z. B. durch die DE-OS 2611506 bekanntgeworden. Bei diesem Motor ist ein den Stator umschliessender mit einem Nord- und einem Südpol magnetisierter Rotor vorge- sehen, wobei der Stator mit mehreren Toroidspulen bestückt ist, von denen je zwei in Serie ge- schaltet gleichzeitig erregt sind. Dabei ist für jedes Spulenpaar eine eigene Fühleinrichtung zur
Abtastung der momentanen Lage des Rotors gegenüber dem Stator vorgesehen, welche die Erregung des Spulenpaares steuert. Bei diesem Motor werden die Spulenpaare nacheinander erregt, während der Rotor einen bestimmten Bereich seines Drehweges überstreicht.
Bei einem solchen Motor ergibt sich die Notwendigkeit, für jedes Spulenpaar eine eigene Fühl- einrichtung vorzusehen, die jede für sich exakt positioniert werden muss, woraus ein erheblicher
Aufwand beim Zusammenbau des Motors resultiert.
Ziel der Erfindung ist es, einen Gleichstrommotor der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, der sich durch einen einfachen Aufbau, sowie durch eine geringe Welligkeit seines Drehmomentes auszeichnet, wobei sichergestellt sein soll, dass das Drehmoment an keiner Stelle Null wird, so dass auf Hilfsanlaufeinrichtungen verzichtet werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Verlauf der Luftspaltinduktion in bezug auf den Drehwinkel in nur einem der beiden Polaritätswechselbereiche nach Art eines Flachpunktes verläuft und in diesem Bereich eine nahezu Null betragende Steilheit oder mehrere Nulldurchgänge aufweist, wobei die Amplituden in diesem Bereich nur einen Bruchteil der maximalen Luftspaltinduktion betragen, und dass die in bezug auf die Welle des Motors in unterschiedlicher Richtung vom Strom durchflossenen Leiterabschnitte einer jeden Spule der Ankerwicklung in an sich bekannter Weise voneinander um einen von 1800 elektrisch verschiedenen Winkel distanziert sind. Dabei können die in bezug auf die Welle des Motors vom Strom in unterschiedlichen Richtungen durchflossenen Leiterabschnitte einer jeden Spule parallel oder senkrecht zur Welle verlaufen.
Durch diese Massnahmen ergibt sich bei der Erregung einer Spule ein Drehmoment, das über einen Bereich von mehr als 1800 elektrisch positiv ist, wodurch ein Anlauf des Motors aus jeder beliebigen Lage sichergestellt ist. Bei entsprechender Auslegung des Verlaufs der Luftspaltinduktion lässt sich auch erreichen, dass das durch die in einer Richtung vom Strom durchflossenen und mit dem Magnetfluss im Luftspalt verketteten Leiterabschnitte einer Spule erzeugte Drehmoment und das durch die in der dazu entgegengesetzten Richtung vom Strom durchflossenen und ebenfalls mit dem Magnetfluss im Luftspalt verketteten Leiterabschnitte derselben Spule auf einen über zirka 1800 elektrisch konstant bleibenden Wert ergänzen.
Diese im Luftspalt liegenden Leiterabschnitte verlaufen bei Radial-Luftspaltmotoren parallel zur Drehachse und bei Axial-Luftspaltmotoren senkrecht zu dieser. Durch einen derartigen Aufbau ergibt sich auch die Möglichkeit, mit einer einzigen Fühleinrichtung das Auslangen zu finden, wodurch sich ein entsprechend geringer Montage- bzw.
Justieraufwand ergibt.
Besonders zweckmässig ist es, wenn die in unterschiedlichen Richtungen stromdurchflossenen Leiterabschnitte einer jeden Spule der Ankerwicklung voneinander um einen Winkel getrennt sind, der kleiner als 1800 elektrisch ist, und diese Leiterabschnitte auf derselben Fläche des Ankers liegen. Zur Erzielung eines im Bereich der Polaritätswechselbereiche unterschiedlichen Verlaufes der Luftspaltinduktion ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass ein jedes Feldpolpaar aus Polen gebildet ist, von denen sich jeder über einen Winkel von weniger als 180 elektrisch erstreckt, und zwischen ihren einander und der Mitte des Polpaares zugekehrten Stirnseiten ein grösserer Abstand vorgesehen ist als zwischen ihren andern Stirnseiten oder der Stirnseite des ungleichnamigen Poles des benachbarten Feldpolpaares.
Auf diese Weise wird im Bereich des grösseren Abstandes der ungleichnamigen Pole ein sehr flach verlaufender Übergang von der einen zur andern Polarität erreicht.
In diesem Zusammenhang ist es in manchen Fällen zur Erzielung eines besonders gleichmässigen Drehmomentes vorteilhaft, wenn in dem grösseren Spalt zwischen den Feldpolen Hilfsfeldpole eingesetzt sind und sich jeder Feldpol mit seinem bzw. seinen zugeordneten Hilfspol (en) über einen
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Winkel von 1800 elektrisch erstreckt, wobei die jeweils benachbarten Feldpole und Hilfsfeldpole unterschiedliche Polarität aufweisen und die Hilfsfeldpole kleinere Umfangsabmessungen aufweisen als die Feldpole, wodurch in dem einen Polaritätswechselbereich der Hauptpole ein mehrmaliger
Polaritätswechsel mit geringen Werten der Luftspaltinduktion auftritt.
Weiters ist es auch möglich, in dem grösseren Spalt zwischen den Feldpolen eine Brücke aus ferromagnetischem Material einzusetzen, wodurch die Luftspaltinduktion in diesem Bereich nahezu
Null beträgt und ein sehr sanfter und allmählicher Wechsel der Polarität erfolgt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass im Bereich der aneinander anliegenden Stirnseiten in der Mitte eines Feldpolpaares, dessen Pole sich über je 180 elektrisch erstrecken, eine den Luftspalt zum Anker vergrössernde Ausnehmung vorgesehen ist, die sich über
Teile beider ein Feldpolpaar bildenden Pole erstreckt und deren Erstreckung in Umfangsrichtung des Ankers kleiner als 1800 elektrisch ist, wodurch sich in konstruktiver Hinsicht sehr einfache
Verhältnisse ergeben und auch die Möglichkeit besteht, vorhandene Motore umzurüsten.
Letzteres ist auch in der Weise möglich, wenn die sich über je 1800 elektrisch erstreckenden
Feldpole mit einem Joch versehen sind, welches im Bereich der in der Mitte eines Feldpolpaares aneinanderliegenden Stirnflächen der Pole eine Aussparung aufweist, die sich über Teile beider ein Feldpolpaar bildenden Pole erstreckt und deren Erstreckung in Umfangsrichtung des Ankers kleiner als 1800 elektrisch ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein konzentrisch zur Drehachse des Motors angeordneter anisotroper Magnet vorgesehen ist, der mit mehreren Feldpolpaaren magnetisiert ist, wobei die Intensität der Magnetisierung im Grenzbereich zwischen benachbarten Paaren von Feldpolen verglichen mit jener in der Grenzzone zwischen den Polen eines Feldpolpaares kleiner ist. Bei dieser Variante lässt sich der Verlauf der Magnetisierung über einen Winkel von 3600 elektrisch besonders günstig gestalten und so ein besonders gleichmässiges Drehmoment erzielen.
Für die Erzielung eines sehr gleichmässigen Drehmomentes hat es sich als günstig erwiesen, wenn die in bezug auf die Achse des Motors in entgegengesetzten Richtungen vom Strom durchflossenen Leiterabschnitte einer jeden Spule der Ankerwicklung voneinander um den elektrischen Winkel von m. 3600+ a getrennt sind, wobei m eine positive ganze Zahl und a kleiner als 180 elektrisch ist.
Die Erfindung und deren Vorteile wird nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen : Fig. 1 und 2 einen Gleichstrommotor nach der Erfindung ; Fig. 3A bis 3E Diagramme, die zur Erläuterung der Arbeitsweise des Gleichstrommotors gemäss Fig. 1 und 2 dienen ; Fig. 4A und 4B eine Spulenerregerstufe und deren Diagramm für einen erfindungsgemässen Gleichstrommotor ; Fig. 5 ein Schwingungsdiagramm, das zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Abart dieser Ausführungsform des Gleichstrommotors dient und die Fig. 6A bis 14C verschiedene Abarten dieser Ausführungsform des Gleichstrommotors.
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Gleichstrommotors ist in Fig. 2 im Grundriss und in Fig. 1 im Schnitt dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der Rotoraufbau --101-- als Aussenrotor ausgebildet, der den Statoraufbau umschliesst und sich um diesen dreht. Der Rotoraufbau --101--, hier einfach als Rotor bezeichnet, besteht aus einem topfförmigen Joch, das am Ende einer drehbaren Welle -106-- befestigt ist. Die Welle -106-- ist in einem zylindrischen Tragteil --103-- drehbar gelagert, der mit einer mittigen, axialen Öffnung versehen ist. Das eine Ende dieser Öffnung ist mit einem Lager --104-- versehen, die andere gegenüberliegende Öffnung mit einem Lager --105--.
Der zylindrische Tragteil --103-- ist zusammen mit den Lagern --104 und 105-- sowie der Welle --106- auf einer Grundplatte --102-- befestigt. Wie man sieht, erstreckt sich das eine Ende der Welle --106-- von der Grundplatte --102-- nach aussen und kann einen an ihr befestigten Bauteil antreiben. Die Welle --106-- kann beispielsweise für den Antrieb der Rotationstrommel in einem Videobandgerät verwendet werden. Es sind noch verschiedene andere Geräte denkbar, für die der dargestellte Motor verwendet werden kann, und die bestimmte Vorrichtung, die auf der Welle --106-- befestigt ist, bildet für sich keinen Teil dieser Erfindung.
Das andere Ende der Welle --106-- ist mit einer Klemmschraube --106a-- am Rotor --101-befestigt. Der Rotor --101-- weist einen dauermagnetischen Nord-Feldpol --107a-- und einen dauer-
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magnetischen Süd-Feldpol --108a-- sowie dauermagnetische Hilfsfeldpole --107b, 108b-- auf. Die Polstücke --107a, 108a, 107b, 108b-- sind an den inneren zylindrischen Seitenwänden des topfförmigen Jochs befestigt und in Richtung ihrer Dicke magnetisiert, so dass die Nord- und Südpole nach innen, d. h. zur Welle-106--gerichtet sind. Dies ist aus Fig. l ersichtlich.
Die Feldpole - -107a, 108a-- erstrecken sich im Hinblick auf die Motorachse über einen Winkel von jeweils 140 , und die Hilfsfeldpole --107b, 108b-- über einen Winkel von jeweils 40 . Die aneinander anliegenden Polstücke --107a, 108a, 107b, 108b-- sind ungleichnamig polarisiert, wobei die beiden Hilfsfeld- poie -107b, 108b-- ebenso aneinander anliegen wie die beiden Feldpole --107a, 107b--.
Der Statoraufbau, hier einfach als Stator bezeichnet, ist auf dem zylindrischen Tragteil - befestigt. Der Stator wird von einem zur Motorachse konzentrischen Ringkern --109-- und von zwei Spulen --110 und 111-gebildet.
Die Spulen --110 und 111-- sind auf einer Zylinderfläche vorgesehen und auf einem Ring-
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-109-- befestigt.- und einen negativen Pfad bildende Leiterabschnitte --110b-- auf, über die in positiver bzw. negativer Richtung Strom fliesst und die axial ausgerichtet sind. Die in entgegengesetzten Richtungen vom Strom durchflossenen Leiterabschnitte der Spule-110-sind von den Magnetpolstücken gleich beabstandet. Die Spule-111-ist der Spule --110- gleich und weist in der einen
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Pfade in axialer Richtung erstrecken.
Die in positive und negative Richtung vom Strom durchflossenen Leiterabschnitte der Spule - sind voneinander um eine Umfangsabmessung von etwa 1200 getrennt, Auf die gleiche Weise sind die in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossenen Leiterabschnitte der Spule - voneinander um eine Umfangsabmessung von 120. getrennt. Das bedeutet, dass der von den positiven und negativen Pfaden einer entsprechenden Spule eingeschlossene Winkel gleich 1200 ist.
Die Spulen-110 und 111-liegen einander diametral gegenüber oder sind um 180. getrennt.
Der zylindrische Tragteil-103-ist mit einem Flansch versehen, mit dem er auf der Grundplatte --102- befestigt ist. Auf dem zylindrischen Tragteil -103-- ist eine ringförmige Befestigungsplatte --113-- vorgesehen, die die Schaltkreisplatte --112- trägt. Die ringförmige Befestigungsplatte --113-- kann beispielsweise aus Kunstharz bestehen. Auf der Schaltkreisplatte --112-- ist eine Treiberstufe --114-- befestigt, weiters sind mit der Schaltkreisplatte-112-Leitun- gen (nicht dargestellt) von den Spulen --110 und 111-verbunden. Die Erregerstufe --114-- kann die eine oder die andere Spule-110, 111-erregen, um ein Drehmoment zu erzeugen, durch das sich der Rotor -101-- dreht. Dazu ist ein Lageabtastelement --115-, z.
B. ein Hall-Effekt-Baustein vorgesehen.
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--115- aus- vorbei werden vom Hall-Effekt-Element --115- Lagesignale erzeugt, die der Winkelstellung des Rotors-101-entsprechen. Diese Winkelstellungssignale werden von der Stufe --114-- dazu verwendet, die Spulen-110 und 111-- selektiv so zu erregen, wie dies später beschrieben wird. Anderseits kann das Lageabtastelement --115-- auch einen optischen Fühler enthalten, der optische Kennungen abtasten kann, die an diskreten Stellen des Rotors --101- vorgesehen sind. Wie es für Fachleute sofort ersichtlich ist, können auch andere Ausführungsformen des Lageabtastelements - verwendet werden, falls dies erwünscht ist.
Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Motor ist in Fig. 3A abermals dargestellt, wobei die Spulen - 110 und 111-- als einzelne Windung gezeigt sind. Vom Nordpolstück --107a-- zum Kern --109-- und von dort zum Südpolstück --108a-- und zum topfförmigen Joch des Rotors --101-- wird ein magnetischer Kreis gebildet.
Ein anderer magnetischer Kreis oder Weg erstreckt sich vom Nordpol- stück --107a-- zum Kern --109-- und von dort zum Süd-Hilfsfeldpol --108b-- und zum topfförmigen
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--107b-- zumMotorachse zeigt Fig. 3B. Der von 0 bis 140 reichende Magnetfluss mit südlicher Polarität stammt vom Süd-Feldpol --108a--, der von 140 bis 1800 reichende Magnetfluss mit nördlicher Polarität vom Nord-Hilfsfeldpol --107b--, der von 180 bis 2200 reichende Magnetfluss mit südlicher Polarität vom Süd-Hilfsfeldpol --108b-- und der von 220 bis 3600 reichende Magnetfluss nördlicher Polarität vom Nord-Feldpol --107a--.
Der Magnetfluss weist somit von 0 bis 140 eine sinusförmige Verteilung auf, eine andere sinusförmige Verteilung von 140 bis 220 und die zuerst erwähnte sinusförmige Verteilung von 220 bis 3600. Im Bereich der Polaritätswechsel, bei 180 und 3600 elektrisch, herrschen somit unterschiedliche magnetische Verhältnisse.
Unter der Annahme, dass die Spule --110-- für einen vollständigen Umlauf von 3600 erregt wird, wird von der in Fig. 3B gezeigten, mit dem in positiver Richtung durchflossenen Leiterab- schnitt --110a-- verketteten Magnetflussverteilung ein Drehmoment erzeugt, das den in der Kurve a von Fig. 3C gezeigten Verlauf besitzt. Dieses Drehmoment besitzt im wesentlichen die gleiche Kurve wie die in Fig. 3B gezeigte Magnetflussverteilung. Wenn der in positiver Richtung fliessende
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Die in Fig. 3C gezeigte Kurve bl ist daher um 120 in ihrer Phase verschoben. Diese phasenverschobene Kurve ist als Kurve b dargestellt, die jenes Drehmoment zeigt, das von dem mit dem den negativen Pfad bildenden Leiterabschnitt --110b-- verketteten Magnetfluss erzeugt wird. Das gesamte erzeugte Drehmoment ist jedoch gleich der Summe der Kurven a und b. Das bedeutet, dass das gesamte Drehmoment gleich der Summe des Anteils, der durch die Verkettung des Magnetflusses
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ven a und b addiert, erhält man die durchgehend gezeichnete Kurve A von Fig. 3C für das resultierende Gesamtdrehmoment.
Wie man sieht, ist das in der Kurve A gezeigte Gesamtdrehmoment über einen Drehwinkel von mehr als 1800 positiv. Im besonderen erstreckt sich dieses positive Drehmoment über einen Winkel von etwa 220 von etwa 132 bis etwa 352 . Wenn die Spule --110-- innerhalb dieses 2200-Bereichs mit positivem Drehmoment erregt wird, erkennt man, dass sich der Rotor --101-- in die Richtung W (Fig. 3A) dreht. In Übereinstimmung mit der Erfindung wird innerhalb dieses 2200-Bereichs die Spule --110-- für eine Dauer von 180 elektrischen Graden und daraufhin die Spu- le --111-- für eine Dauer von 180 elektrischen Graden erregt.
Wenn beispielsweise die Spule --110-- von der Winkelstellung 01 bis zur Winkelstellung 02 erregt wird, erreicht der den positiven
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Beispiel entspricht die Winkelstellung E) einem Drehwinkel von 150 , der sich von Fig. 5A aus gesehen um 10 in jenen Magnetfluss mit nördlicher Polarität erstreckt, der vom Nord-Hilfsfeldpol --107b-- erzeugt wird. Die Erregungsdauer der Spule --110- und dann der Spule --111-- erstreckt sich von 150 bis 3300, wobei die Winkelstellung von 330 der Stellung e2 entspricht.
Wenn die Spule --110-- von jenem Zeitpunkt an erregt wird, an dem der positive Pfad --110a-- die Winkelstellung von 1500 erreicht, wobei die Winkelstellung von 00 an der Grenze zwischen dem Nord-Feldpol und dem Süd-Feldpol --107a, 108a-- liegen soll, wird die Spule --110-- dann abgeschaltet, wenn der positive Pfad --110a-- die Winkelstellung 3300 erreicht und der positive Pfad-lila- der Spule --111-- bei der Winkelstellung 1500 anlangt. Die Spule --111-- wird dann von jenem
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Zeitpunkt, an dem der positive Pfad-llla--die Winkelstellung 150'erreicht, bis zu jenem Zeitpunkt erregt, an dem der positive Pfad an der Winkelstellung 3300 anlangt.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Spule --111- abgeschaltet und die Spule --110-- wieder erregt, Das in Übereinstimmung mit dieser selektiven Erregung der Spulen --110 und 111-- erzeugte, resultierende Gesamtdrehmoment ist in Fig. 3D dargestellt. Die in Fig. 3D bezeichneten Winkelstellungen sind jene Winkelstellungen, die von der Spule --110-- eingenommen werden, Die Spule --111-- wird folglich für eine als "B-Phase" bezeichnete Dauer von 180 erregt, die von jenem Zeitpunkt, an dem sich der positive
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--110a-- der Spule --110-- bei 3300 befindet,regt. Dabei ist ersichtlich, dass das Gesamtdrehmoment an keinem Punkt des Umlaufs des Rotors - eine Nullstelle besitzt.
Die Treiberstufe --114-, die ähnlich wie die in Fig. 4A gezeigte Treiberstufe aufgebaut sein kann, erregt die Spulen --110 und 111-selektiv mit Erregerströmen, deren Kurven Fig. 3E zeigt.
Vorzugsweise wird jede Spule für eine Dauer von 1800 erregt. Ein zufriedenstellender Betrieb des beschriebenen Motors erfordert aber nicht, dass die Spulen lediglich für diese gleiche Winkeldauer erregt werden. Beispielsweise kann die Spule-110-, d. h. die A-Phase über einen Winkelbereich von 1900 und die Spule-111-, die B-Phase, über einen Winkelbereich von 1700 erregt werden.
Der ringförmige Magnet-118--, der in Zusammenhang mit dem Lageabtastelement --115-verwendet wird, um abzutasten, wann sich der Rotor in die Winkelstellung ei = 1500 dreht, ist in Fig. 2 strichliert eingezeichnet. Wie man aus Fig. 2 ersieht, ist eine Nord-Süd-Grenze des
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-118-- bei 1500schaltsignal für die Spulentreiberstufe geliefert, um die Erregung dieser Spulen umzuschalten oder zu schalten, wobei die Spule-111-abgeschaltet und die Spule --110- erregt wird. Der ringförmige Magnet --118-- ist mit einer weiteren Nord-Süd-Grenze versehen, die von der ersten Nord- - Süd-Grenze um 1800 versetzt ist. Diese weitere Nord-Süd-Grenze liegt in Hinblick auf den 0 -Be- zugspunkt der Feldpole bei 330 .
Sobald das Lageabtastelement --115-- diese weitere Nord-Süd-Grenze abtastet, wird ein weiteres Umschaltsignal erzeugt, um die Erregung der Spulen zu schalten, wobei die Spule --110-- jetzt abgeschaltet und die Spule --111- erregt wird. Das Zusammenwirken des ringförmigen Magneten --118- mit dem Lageabtastelement --115- liefert die in Fig. 3E gezeigten Stromumschaltsignale, durch die die Spulen-110 und 111-abwechselnd erregt werden.
Die Umfangsabmessung der Feldpole ist jeweils kleiner als 180 und wird in Fig. 1 bis 3 mit 1400 angegeben. Der Winkelabstand zwischen den die positiven und negativen Pfade bildenden Leiterabschnitteneiner jeden Spule-110, 111-ist kleiner als die Umfangsabmessung eines jeden Hauptpolstücks und ist hier mit etwa 1200 angegeben. Wie man aus den Drehmomentableitungskurven a und b erkennt, können die positiven und negativen Pfade einer jeden Spule auch voneinander um weniger als 1200 getrennt sein. Obwohl die von den Feldpolen und Hilfsfeldpolen erzeugte Magnetflussverteilung sinusförmige Kurvenanteile aufweist, wie dies Fig. 3B zeigt, kann die zum Nord-Feldpol-107a- (oder zum Süd-Feldpol -108a--) gehörende Flussverteilung auch trapezförmig sein.
Die durch die Hilfsfeldpole --107b und 108b-- hervorgerufene Magnetflussverteilung kann gleichfalls eine geringere Grösse besitzen. Wenn die Luftspaltinduktion über den Winkelbereich von 140 bis 220 verkleinert wird, wie dies die Kurve a in Fig. 5 zeigt, verläuft das resultierende Gesamtdrehmoment längs der Kurve A von Fig. 5. In dieser Figur erhält man die Kurve A dadurch, dass man die Drehmomentanteile addiert, die durch den mit dem positiven Pfad der erregten Spule verketteten Magnetfluss (Kurve a) und den mit dem negativen Pfad der Spule verketteten Magnetfluss (Kurve b) erzeugt werden. Die Kurve A von Fig. 5 ist der Kurve A von Fig, 3C gleich, nur dass die Welligkeit von Fig. 30 wesentlich herabgesetzt ist.
Auch hier werden die Spulen --110 und 111-- wieder abwechselnd erregt, so dass das durch die Erregung einer jeden Spule erzeugte Drehmoment im wesentlichen gleich ist. Dieses Drehmoment ist als Abschnitt S der Kurve A zwischen den Winkelstellungen 01 und 02 dargestellt. Wenn der positive Pfad --110a-- der Spule --110--
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die Winkelstellung 01 = 1500 erreicht, wird die Spule --110-- erregt und bleibt so lange erregt, bis der positive Pfad --110a-- die Winkelstellung = 330 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird
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Durch die Erregung der Spule --111-- wird ein Drehmoment erzeugt, das dem Abschnitt S der Kurve A von Fig. 5 im wesentlichen gleich ist.
Wenn man die Verteilung des von den Feld- und den Hilfs-Feldpolen erzeugten Magnetflusses betrachtet, wie Fig. 3B zeigt, erkennt man, dass die Hilfs-Feldpole bei der Abzählung der Anzahl von Polpaaren nicht berücksichtigt wurden. Obwohl bei der in Fig. 1 bis 3E gezeigten Ausführungsform vier getrennte Magnetpolstücke vorgesehen sind, ist der Motor ein Zweipolmotor, der lediglich zwei Feldpole enthält.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6A gezeigt, bei der der Nord-Feldpol --107-- und der Süd-Feldpol --108-- zwischen sich eine Grenze bilden und bei der zwischen den andern Enden dieser Polstücke ein Luftspalt --130-- vorgesehen ist. So wie vorher besitzt auch hier jeder der Feldpole eine Umfangsabmessung von 140 . Der Luftspalt --130-- ist daher mit einer Umfangsabmessung von 800 versehen. Die gesamte Umfangsabmessung des Nord-Feldpoles --107--, des Süd-Feldpoles --108-- und des Luftspaltes --130-- ist gleich 3600. Wie man sieht, können die Hilfs-Feldpole --107b und 108b-- der Fig. 2 und 3 weggelassen werden. Zusätzlich sind die positiven und negativen Pfade jeder Spule --110, 111-- voneinander um 1000 getrennt.
Dies stellt gegenüber der Ausführungsform der Fig. 2 und 3, bei denen die positiven und negativen Pfade der Spule um 1200 getrennt sind, einen Unterschied dar.
Aus Fig. 6B erkennt man, dass die mit den Spulen --110, 111-- verkettete Magnetflussdichte in der Nähe des Luftspaltes --130-- relativ zur übrigen Flussdichte wesentlich kleiner ist. Dies rührt daher, weil vom Luftspalt kein Fluss erzeugt wird. Der Anteil des Drehmoments, der von der in Fig. 6B gezeigten, mit dem Leiterabschnitt-HOa-der Spule --110-- verketteten Magnetflussverteilung stammt, ist in der Kurve a von Fig. 6C dargestellt. Der Anteil des Drehmoments, der von der mit dem Leiterabschnitt --110b-- verketteten Magnetflussverteilung stammt, und von dem des Leiterabschnittes --110a-- um 100 phasenverzögert ist, ist in Fig. 6C in der Kurve b dargestellt. Das resultierende Gesamtdrehmoment, das von dem mit der Spule --110-- verketteten Magnetfluss erzeugt wird, ist in der Kurve A gezeigt.
Dabei sei darauf hingewiesen, dass von der mit der Spule verketteten Magnetflussverteiluncr ein ähnliches Drehmoment geliefert wird.
Wie man sieht, ist jenes Drehmoment, das dann erzeugt wird, wenn man eine Spule für 360 erregt, in einem Winkelbereich positiv, der grösser als 180 ist. Wenn die Spulen --110 und 111-abwechselnd und jeweils für eine Dauer von etwa 1800 erregt werden, wird ein positives Drehmoment erzeugt, das für einen Drehwinkel von 3600 keine Nullstelle enthält. Fig. 6D zeigt die Kurvendarstellung dieses positiven Drehmoments. Der mit A bezeichnete Kurventeil stellt das Drehmoment dar, das durch die Erregung der Spule --110-- für eine Dauer von 180 erzeugt wird, der mit B bezeichnete Kurventeil jenes Drehmoment, das durch die Erregung der Spule --111-- für eine Dauer von 180 erzeugt wird.
Durch die Einführung des Luftspalts --130-- weist das in Fig. 6D gezeigte Gesamtdrehmoment eine geringere Welligkeit auf, wie das Gesamtdrehmoment, das die Fig. 3D und 5 zeigt.
Die Spulen --110 und 111-können von einem Schaltkreis erregt werden, wie ihn Fig. 4A zeigt, der ein Lageabtastelement und einen ringförmigen Magnet besitzt, z. B. das Element --115-- und den Magnet --118--, die in Fig. 1 und 2 dargestellt sind. In Fig. 6C kann die Spule --110-- von jenem Zeitpunkt, an dem ihr positiver Pfad die Winkelstellung von 1500 erreicht, bis zu jenem Zeitpunkt erregt werden, an dem ihr positiver Pfad die Winkelstellung von 3300 erreicht. Daraufhin erfolgt auf die gleiche Art eine wechselweise Erregung der Spule-111-.
Eine andere Abart dieser Erfindung ist in Fig. 7A gezeigt, bei der sowohl der Nord-Feldpol --107-- als auch der Süd-Feldpol-108-- eine Umfangsabmessung von 1800 aufweisen. In der den Spulen-110 und 111-- gegenüberliegenden Fläche der Feldpole ist jedoch eine Aussparung - vorgesehen. Diese Aussparung kann einen Bogen von etwa 800 besitzen und ist mit dem Luftspalt-130-- der Fig. 6A vergleichbar. Durch diese Aussparung ist die mit den Spulen --110, lull-verkettet Magnetflussdichte in der Nähe der Aussparung relativ klein. Die relative Magnetflussverteilung in einem Drehweg um die Motorachse ist in Fig. 7B dargestellt.
Wie man sieht, hat
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die Aussparung-131-auf die Magnetflussverteilung (Fig. 7B) die gleiche Wirkung wie der Luft- spalt-130-, der die in Fig. 6B gezeigte Magnetflussverteilung aufweist. Bei der in Fig. 7A gezeig- ten Ausführungsform ist das resultierende Gesamtdrehmoment über einen Bereich von mehr als 180 positiv, wie dies Fig. 6C zeigt. Durch eine abwechselnde Erregung der Spulen --110 und 111-- für eine Dauer von annähernd 180 wird auf den Rotor -101-- ein Drehmoment ausgeübt, dessen Kurve in Fig. 6D dargestellt ist. Das bedeutet, dass das von der in Fig. 7A gezeigten Ausführungsform erzeugte Drehmoment völlig jenem Drehmoment gleicht, das von der in Fig. 6A gezeigten Ausführungsform geliefert wird.
Bei der in Fig. 6A gezeigten Ausführungsform und bei der in Fig. 7A gezeigten Ausführungsform können der Luftspalt-130-bzw. die Aussparung --131- mit einem nichtmagnetischen Material ausgefüllt werden, das eine relativ niedrige magnetische Suszeptibilität aufweist. Dadurch wird die in Fig. 6B bzw. 7B gezeigte Magnetflussverteilung nicht wesentlich gestört.
Noch eine andere Abart dieser Erfindung ist in Fig. 8A dargestellt, die einen bürstenlosen Vierpol-Motor zeigt. Das eine Polstückpaar wird vom Nord-Feldpol --107a-- und dem Süd-Feld- pol -108a-- gebildet, die durch den dazwischenliegenden Luftspalt --130a-- getrennt sind. Das andere Polpaar wird vom Nord-Feldpol --107b-- und dem Südpolstück --108b-- gebildet, die durch den dazwischenliegenden Luftspalt-130b-getrennt sind. Die jeweiligen Polpaare liegen zueinander symmetrisch und erstrecken sich über Lagewinkel, die jeweils 1800 betragen. Die Spulen werden von den die eine Phase bildenden Spulen-110 A und 110 -und den Spulen --111 A und 111 B-begründet, die die andere Phase bilden.
Die Spulen --110 A und 110 B--sowie die Spulen --111 A und 111 B - liegen einander diametral gegenüber.
Die Umfangsabmessungen und die Winkelabstände der jeweiligen in Fig. 8A gezeigten Bauelemente können elektrisch den Umfangsabmessungen und Winkelabständen der Fig. 6A gleich sein.
Da bei der Ausführungsform von Fig. 8A zwei Polpaare vorgesehen sind, ist der elektrische Winkel gleich dem doppelten Lagewinkel. Durch die zwei symmetrischen Luftspalten-130a und 130b-- wird die Drehung des Rotors-101-bei der Ausführungsform der Fig. 8A gleichmässiger sein als bei der Ausführungsform der Fig. 6A.
Eine Abart der in Fig. 8A gezeigten Ausführungsform ist in Fig. 8B dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind drei Polpaare und zwei Spulenphasen vorgesehen. Ein Polpaar wird vom Nord-Feldpol-107a-und dem Süd-Feldpol-108a-gebildet, die vom Luftspalt -130a-- getrennt sind. Das andere Polpaar wird vom Nord-Feldpol --107b-- und dem Süd-Feldpol --108b-- gebildet,
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und eine Spule der einen Phase wechselt mit der gleichen Spule der andern Phase ab. Durch die von den drei Feldpolpaaren gelieferte Symmetrie, die entsprechende Luftspalte und die Spulenphasen ist die Drehung des Rotors-101-bei der in Fig. 8B gezeigten Ausführungsform gleichmässiger als bei der Ausführungsform von Fig. 6A.
In Fig. 9A ist noch eine andere Ausführungsform dieser Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform besitzen sowohl der Nord-Feldpol-107-als auch der Süd-Feldpol --108-- eine Umfangsabmessung von 180 . Es ist jedoch ein topfförmiges Joch des Rotors --101-- mit einer Aussparung-132-vorgesehen, die sich über einen Winkel von etwa 800 erstreckt. Während das topfförmige Joch einen Teil des magnetischen Kreises darstellt, durch den die Spulen --110 und 111-- mit dem Magnetfluss verkettet sind, entfernt die Aussparung --132- einen Teil dieses magnetischen Kreises. Dadurch wird der mit den Spulen verkettete Magnetfluss in der Nähe dieser Aussparung in seiner Dichte geschwächt.
Die Magnetflussverteilung in einem Drehweg um die Motorachse besitzt somit die in Fig. 9B gezeigte Kurvenform. Es ist ersichtlich, dass diese Kurve mit der Kurve von Fig. 6B völlig übereinstimmt. Das von dem mit den Spulen --110 und 111-- verketteten Magnetfluss erzeugte Gesamtdrehmoment ist das gleiche wie in Fig. 6C und 6D. Bei der Ausführungsform von Fig. 9A soll angenommen werden, dass die Spulen --110 und 111-abwechselnd für eine im wesentlichen gleiche Dauer von etwa 180 erregt werden. Falls es wünschenswert ist, kann die Ausspa-
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--132-- deszusätzliche Welligkeitsanteile auftreten, obwohl diese zusätzlichen Welligkeitsanteile eine verminderte
Grösse besitzen.
Bei der Ausführungsform der Fig. 12A können zwischen den Feldpolen noch zusätzliche Hilfs- feldpole vorgesehen sein. Weiters können die in der Mitte angeordneten Hilfsfeldpole --107c und 108c-- weggelassen werden, falls dies erwünscht ist. Der durch die Entfernung der Hilfsfeldpole gebildete resultierende Luftspalt liefert eine Magnetflussverteilung in der Nähe des Luftspaltes, deren Verlauf in Fig. 12B strichliert eingetragen ist. Die infolge der Hilfsfeldpole --107c und
108c-auftretende zusätzliche Welligkeit wird damit vermieden. Weiters kann der durch die Entfernung dieser Hilfspolstücke gebildete Luftspalt mit ferromagnetischem Material ausgefüllt werden.
Bei der in Fig. 12A gezeigten Ausführungsform und bei allen von dieser Ausführungsform beschriebenen Abarten bleibt das Gesamtdrehmoment über einen Winkel von 3600 positiv und fällt an keiner Stelle auf Null ab.
Fig. 13A zeigt noch eine andere Abart dieser Erfindung, bei der die im Rotor-101-befindli- chen Feldpole aus einem einzigen anisotropen Magnet --135-- gebildet werden. Dieser anisotrope Magnet wird von einem topfförmigen Joch umgeben und so magnetisiert, dass er vier Feldpole besitzt. Die magnetischen Bezirke werden beim 0 -Bezugspunkt und bei einem Lagewinkel von 180 vorgesehen. In den 00- und 1800-Magnetbezirken ist ein im wesentlichen kontinuierlicher Übergang des Magnetflusses von der nördlichen zur südlichen Polarität vorgesehen.
In den Bereichen-X und Y-, d. h. bei Lagewinkeln von 90 und 270 ist die Magnetflussdichte infolge des anisotropen Magneten -135-- geringer. Die resultierende Magnetflussverteilung in einem Drehweg um die Motorachse zeigt Fig. 13B, wobei die verringerte Magnetflussdichte in den Berei- chen-X und Y-- von Fig. 13A in Fig. 13B gekennzeichnet ist. Durch die vier Feldpole, die im anisotropen Magnet --135-- vorgesehen sind, erfolgt eine vollständige Periode der Magnetflussverteilung oder 3600 elektrische Grade in einem Drehwinkel von 1800.
Wenn der Rotor -101-- eine vollständige Umdrehung ausführt, zeigt der mit einem Bezugspunkt auf der Spule --110-- oder der Spule - verkettete Magnetfluss den in Fig. 13B gezeigten Verlauf.
Die in den Bereichen-X und Y-hervorgerufene geringere Flussdichte ist jener verminderten Flussdichte ähnlich, die Fig. 6B zeigt. Das auf den Rotor -101- ausgeübte Gesamtdrehmoment ist daher der in Fig. 6D gezeigten Kurve im wesentlichen gleich.
Es ist ersichtlich, dass man die in Fig. 13B gezeigte Magnetflussverteilung auch dadurch erhalten kann, dass man die Intensität der Magnetisierung des anisotropen Magneten --135-- in den Bereichen --X und Y-- ändert. Ein anisotroper Magnet ist besonders für einen Vierpol-Wechselphasen-Gleichstrommotor besonders vorteilhaft. Obwohl die Fig. 13B zwei getrennte Spulen --110 und 111-- zeigt, kann jede Spule auch aus zwei in Serie geschalteten Spulen bestehen, wie dies oben in Zusammenhang mit Fig. 8A beschrieben wurde.
Bei den in Fig. 1 bis 12 gezeigten Ausführungsformen ist die Winkelausdehnung oder die Umfangsabmessung der Hilfsfeldpole, der Luftspalte, der Aussparungen, der Schirmplatten und der Joche kleiner als 180 . Als Beispiel weisen diese Bauteile einen Winkel von etwa 80 elektrischen Graden auf, doch können auch andere Umfangsabmessungen oder Bogenlängen verwendet werden, falls dies erwünscht ist.
Der Winkelabstand oder der Abstand zwischen den die positiven und negativen Pfade jeder Spule bildenden Leiterabschnitte betrug bei den in Fig. 1 bis 12 gezeigten Ausführungsformen weniger als 180 . In numerischen Beispielen wurden diese Winkelabstände bei bestimmten Ausführungsformen mit 120 oder 1000 angegeben. Dieser Winkelabstand kann auch als der elektrische Winkel a dargestellt werden. Ein Lagewinkel a ' entspricht dem elektrischen Winkel CL. Es ist jedoch ersichtlich, dass der Lagewinkel, der die positiven und negativen Pfade einer Spule trennt, auch durch den Supplementwinkel ss ausgedrückt werden kann, wobei a'+ ss = 3600 ist.
Beispielsweise ist bei Fig. 14A der Winkelabstand a'zwischen den den positiven Pfad bildenden Leiterabschnitt
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-110a-- und demabschnitt -110a-- parallel zur Motorachse gebildet wird und den positiven Pfad darstellt, darauf ein anderer Leiterabschnitt in einem Bogen von 240 folgt, darauf ein anderer Leiterabschnitt --slob-- folgt, der parallel zur Motorachse liegt und den negativen Pfad enthält, und schliesslich
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einenschnitt --110b--, 240 . Der gleiche Aufbau der Spule er ist in Fig. 14A strichliert eingezeichnet, liefert einen positiven Pfad --111a--, der vom negativen Pfad --l11b-- um einen Winkelabstand von 2400 getrennt ist.
Fig. 14B zeigt den Schrägriss einer Windung der Spule --110--, wobei der den positiven Pfad bildende Leiterabschnitt --110a-- vom den negativen Pfad bildenden Leiterabschnitt --110b-- um einen Winkelabstand von 2400 getrennt ist. Es ist ersichtlich, dass sich Teile der beiden Spulen dann überlappen, wenn beide Spulen --110 und 111-- vorgesehen sind. Wenn die Spulen --110 und 111-- zueinander symmetrisch angeordnet sind, überlappen sich die einander diametral gegenüberliegenden Teile der Spule --110-- mit den diametral gegenüberliegenden Teilen der Spule --111-in einem Winkelabstand von 60 .
Weiters können die positiven und negativen Pfade bildenden Leiterabschnitte der Spule --110-- (oder der Spule voneinander um den elektrischen Winkel 3600 x m +α getrennt sein, wobei m eine positive ganze Zahl ist. Durch diese Winkeltrennung wird die graphische Darstellung des von der Spule-110- (oder der Spule erzeugten Drehmoments den Kurven a und b von Fig. 6C ähnlich, wobei diese Kurven nach rechts um 3600 x m verschoben werden. Das resultierende, zusammengesetzte Drehmoment, das von dem mit der Spule --110-- verketteten Magnetfluss erzeugt wird, ist daher der Kurve A von Fig. 6C ähnlich.
Allgemein kann für einen n-Pol-Motor der Lagewinkel a'um den die positiven und negativen Pfade der Spule-110- (oder der Spule getrennt sind als
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ausgedrückt werden.
Für einen Motor mit n-Polpaaren kann somit der Lagewinkelabstand zwischen den positiven und negativen Pfaden einer Spule als α1 oder durch den Supplementlagewinkel ss ausgedrückt werden, wobei
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ist.
Als Beispiel für die obige Gleichung zeigt Fig. 14C einen Vierpol-Motor. In diesem Beispiel soll der elektrische Winkel, um den der positive Pfad --110a-- vom negativen Pfad --110b-- getrennt ist, 100 betragen, wie dies auch bei der Ausführungsform von Fig. 6A der Fall ist. Weiters sind bei diesem Vierpol-Motor die Spulen in zwei Phasen gewickelt, wobei die eine Phase von den Spuen --110A und 110B -- gebildet wird (in Fig. 14C mit durchgehenden Linien eingezeichnet), die einander diametral gegenüberliegen, und die andere Phase von der Spule--111 A--und der Spule - -1118 - gebildet wird, die einander diametral gegenüberliegen.
Mit der obigen Gleichung für den Lagewinkel a'und unter der Annahme, dass m = 1 ist, wird der Lagewinkel a'zwischen den posiiven und negativen Pfaden der Spule -110A -- gleich
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Der gleiche Lagewinkel a'= 230 trennt die positiven und negativen Pfade der übrigen Spu- en-110 g, 111A und lllB--.
Der Lagewinkel, um den die positiven und negativen Pfade einer jeden Spule getrennt sind, : ann auch durch den Supplementwinkel ss ausgedrückt werden. Wenn der Lagewinkel CI'= 2300 ist,
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Lagewinkel von 1800 getrennt, der einem elektrischen Winkel von 3600 entspricht. Die Spule - 110A- ist von der Spule -l11A- gleichfalls um einen Lagewinkel von 900 beabstandet, der einem elektrischen Winkel von 1800 entspricht. Der gleiche Winkelabstand ist zwischen der Spule
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A--und der SpulePATENTANSPRÜCHE :
1.
Gleichstrommotor mit einem Anker, einer Ankerwicklung mit mindestens zwei über eine Schalteinrichtung mit stets der gleichen Polarität abwechselnd erregbaren Spulen und einer Feldpolanordnung mit mindestens einem Paar von Feldpolen, die um einen elektrischen Winkel von 1800 distanzierte Polaritätswechselbereiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Luftspaltinduktion in bezug auf den Drehwinkel in nur einem der beiden Polaritätswechselbereiche nach Art eines Flachpunktes verläuft und in diesem Bereich eine nahezu Null betragende Steilheit (Fig. 6B, 7B, 9B, lOB, 13B) oder mehrere Nulldurchgänge (Fig.
3B, 5, 11B, 12B) aufweist, wobei die Amplituden in diesem Bereich nur einen Bruchteil der maximalen Luftspaltinduktion betragen, und dass die in bezug auf die Welle (106) des Motors in unterschiedlicher Richtung vom Strom
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distanziert sind.