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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 erregbaren Spulen einer Feldpolanordnung mit mindestens einem Paar von Feldpolen, die um einen
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ist ein den Stator umschliessender, mit einem Nord- und einem Südpol magnetisierter Rotor vorgesehen, wobei der Stator mit mehreren Toroidspulen bestückt ist, von denen je zwei in Serie geschaltet 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 Fühleinrichtung 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 Drehmoments 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 jeder der Feldpole eine sich in Drehrichtung des Ankers in ihrer Stärke ändernde Magnetisierung aufweist, wobei der Magnetfluss im Luftspalt einen sägezahnförmigen Verlauf hat und in zwei aufeinanderfolgenden Polaritätswechselbereichen Nulldurchgänge mit unterschiedlicher Steilheit aufweist, und dass die in unterschiedlicher Richtung vom Strom durchflossenen, mit dem Magnetfluss im Luftspalt verketteten Leiterabschnitte einer jeden Spule der Ankerwicklung in an sich bekannter Weise voneinander um einen von 180 elektrisch verschiedenen Winkel distanziert sind.
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, mit dem Magnetfluss im Luftspalt verketteten Leiterabschnitte einer Spule erzeugte Drehmoment und das durch die in der dazu entgegengesetzten Richtung vom Strom durchflossenen Leiterabschnitte derselben Spule auf einen über zirka 180 elektrisch konstant bleibenden Wert zu 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.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder der Feldpole aus mehreren Magnetelementen mit unterschiedlich starker Magnetisierung aufgebaut ist und innerhalb eines jeden Feldpolpaares jeweils zwei gleichstark, jedoch mit unterschiedlicher Polarität magnetisierte Magnetelemente aneinander liegen, wodurch sich auf sehr einfache Weise ein sägezahnförmiger Verlauf der Luftspaltinduktion ergibt.
Auf Grund der gegenseitigen Beeinflussung der Magnetelemente ergibt sich trotz der stufenweisen Änderung der Magnetflussdichte der einzelnen Elemente eine im wesentlichen lineare Änderung der Magnetflussverteilung im Luftspalt. Ähnlich verhält es sich auch, wenn jeder Feldpol aus mehreren Magnetelementen gebildet ist, deren dem Anker zugekehrte Flächen von diesem unterschiedlich weit beabstandet sind und innerhalb eines jeden Feldpolpaares jeweils zwei den gleichen Abstand vom Anker aufweisende, jedoch mit unterschiedlicher Polarität magnetisierte Magnetelemente aneinander liegen, wodurch sich ebenfalls ein sehr einfacher Aufbau des Motors ergibt.
Werden besonders hohe Ansprüche an die Linearität der einzelnen Abschnitte des sägezahnförmigen Verlaufs der Luftspaltinduktion gestellt, die zur Erreichung eines weitgehend konstanten Drehmoments des Motors beiträgt, ist es vorteilhaft, wenn die dem Anker zugekehrte Fläche eines jeden Feldpoles einen sich in Umfangsrichtung des Ankers fortlaufend vergrössernden oder vermindernden Abstand von diesem aufweist und die Feldpole stets mit ihren den gleichen Abstand
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vom Anker aufweisenden Bereichen einander zugekehrt sind.
Ein ähnliches Ergebnis lässt sich dadurch erreichen, dass jedes Feldpolpaar durch Feldpole gebildet ist, deren dem Anker zugekehrten Flächen Trapeze sind, wobei die Feldpole einander mit den gleich langen der parallelen Seiten der dem Anker zugekehrten Flächen zugekehrt sind, wobei zur weiteren Erhöhung der Linearität vorgesehen sein kann, dass an den gegenüber der Drehachse des Motors schräg verlaufenden Seiten der dem Anker zugekehrten Flächen der Feldpole zu diesen ungleichnamige Hilfspole anliegen, deren dem Anker zugekehrte Flächen dreieckig ausgebildet sind.
Ein besonders hohes Mass an Linearität wird erreicht, wenn jedes Feldpolpaar durch ungleichnamige Polstücke mit einer dem Anker zugekehrten dreieckigen Fläche gebildet ist, wobei die Hypotenusen dieser Flächen der Polstücke einander zugekehrt sind. In diesem Falle erstreckt sich jedes Polstück über 3600 elektrisch.
Um bei Motoren mit axialem Luftspalt einen sägezahnförmigen Verlauf der Luftspaltinduktion mit einer geringen Anzahl an Polstücken zu erzielen, kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen sein, dass die dem Anker zugekehrte Fläche des einen Feldpoles eines Polpaares von einem Kreisbogen und einer im wesentlichen radialen Linie sowie von einer gekrümmten Linie begrenzt ist, an welcher der zweite Feldpol des Polpaares anliegt, wobei der radiale Abstand der Punkte dieser Linie vom radial inneren Schnittpunkt mit der den einen Feldpol begrenzenden radialen Linie linear mit dem Drehwinkel über einen Bereich von 3600 elektrisch auf den Radius des den einen Feldpol begrenzenden Kreisbogens ansteigt und der zweite Pol des Polpaares den ersten auf einen Kreissektor ergänzt.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die Fig. lA bis 1C einen Zweipol-Dreiphasen-Gleichstrommotor bekannter Bauart, die Fig. 2A bis 2C einen bisherigen Zweipol-Zweiphasen-Gleichstrommotor, die Fig. 3 und 4 einen Gleichstrommotor nach der Erfindung, die Fig. 5 und 6 eine Spulenerregerstufe und deren Diagramm für einen erfindungsgemässen Gleichstrommotor, Fig. 7 ein Diagramm der Feldstärken der einzelnen Magnetelemente des Motors gemäss den Fig. 3 und 4, die Fig. 8A bis 8D Diagramme, die zur Erläuterung der Arbeitsweise des Gleichstrommotors gemäss den Fig. 3 und 4 dienen, Fig. 9 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Gleichstrommotors, die Fig.
10A bis 10C schematisch eine Abwicklung der Feldpole eines weiteren erfindungsgemässen Gleichstrommotors, samt Diagramm zur Erläuterung seiner Wirkungsweise, die Fig. llA und 11B Abwicklungen von weiteren Feldpolanordnungen und die Fig. 12A und 12B Feldpolanordnungen von erfindungsgemässen Axial-Luftspaltmotoren.
Bevor mit der Erörterung der Ausführungsformen dieser Erfindung begonnen wird, sollen verschiedene Probleme beschrieben werden, die mit den bisherigen Gleichstrommotoren zusammenhängen. Fig. 1A zeigt die schematisierte Darstellung eines Zweipol-Dreiphasen-Motors. Für diese Erläuterung soll angenommen werden, dass der Rotoraufbau aus unterschiedlich magnetisierten
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die magnetische Polarität in Form einer Sinuslinie, wenn man ihn längs eines Drehweges um die Motorachse betrachtet. Wenn sich also ein Bezugspunkt in bezug auf die Nord- und Südpolstücke dreht, erscheint der mit diesem Bezugspunkt verkettete Magnetfluss als Sinuslinie, wie es in Fig. 1A dargestellt ist.
Da die Nord- und Südpolstücke den Rotoraufbau --101a-- bilden, steht der Bezugspunkt tatsächlich fest und die Nord- und Südpolstücke drehen sich gegenüber dem Bezugspunkt. Der Magnetfluss erscheint aber trotzdem so wie oben beschrieben.
Der zu diesem Zweipol-Dreiphasen-Motor gehörende Statoraufbau wird aus den drei Spulen
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das Strom in einer Richtung führt, und ein anderes Leitersegment besitzt, das Strom in der Gegenrichtung führt. Beispielsweise können beide Leiterabschnitte parallel zur Motorachse liegen, wodurch sich jede Spule--L 11 L 2 und L 3--über einen Bogen von 180 erstreckt. Wie man aus Fig. lA erkennt, sind die aus der Zeichenebene austretenden Ströme als Punkte dargestellt und die in die Zeichenebene fliessenden Ströme mit einem"X".
Für diese Erörterung soll angenom-
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men werden, dass der aus der Zeichenebene herausfliessende Strom in positiver Richtung und somit durch einen positiven Pfad der Spule fliessen soll, während der in die Zeichenebene hineinfliessende Strom in negativer Richtung und somit durch einen negativen Pfad der Spule fliessen soll.
Der positive Pfad der Spule --L1 -- ist vom positiven Pfad der Spule --L2-- um 120 phasenverschoben. Der positive Pfad der Spule --L2 -- ist vom positiven Pfad der Spule --L 3 -- um 1200 phasenverschoben und dieser wieder um 120 vom positiven Pfad der Spule --L 1--'Diese drei Phasen oder Spulen-L., L. und L.-sind einander überlappend gewickelt und die positiven und negativen Pfade einer jeden Spule sind voneinander um 1800 getrennt.
Wenn im Betrieb der positive Pfad der Spule --L 1 -- zu einem Punkt in den Bereich des Nordpolstückes vorrückt, wird die Spule --LI-- erregt. In Übereinstimmung mit der Dreifingerregel wird ein Drehmoment erzeugt, um zwischen dem Rotor und dem Statoraufbau eine Drehung hervorzurufen. Diese Drehung dauert an, bis der positive Pfad der Spule-L ,-am Punkt e.
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der nächsten Spule --L3-- den Punkt e1 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Spule-L2--, deren positiver Pfad den Punkt e erreicht hat, abgeschaltet und die Spule --L3 -- erregt. Als
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--L3-- fliessendenFig. lB zeigt die zu den Spulen-L , L2 bzw. L 3--gehörenden Stromerregungen.
Da jede Spule nur solange erregt wird als sich ihr positiver Pfad innerhalb des Bereiches eines Nordpolstückes befindet, erkennt man, dass das in Abhängigkeit von der Erregung der jeweiligen Spulen erzeugte Drehmoment grösser als Null ist. Fig.1C zeigt die Kurve des erzeugten Drehmoments. Man sieht, dass das positive Drehmoment, das von der Erregung durch die Spule --LI-- stammt, von t1 bis t erzeugt wird. Das von der Erregung der Spule --L2-- stammende positive Drehmoment wird von t2 bis t3 und das von der Erregung der Spule-L--stammende positive Drehmoment von t3 bis t4 erzeugt. Die aufeinanderfolgende Erregung der Spulen und das entstehende Drehmoment wiederholen sich.
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abtastelement erforderlich, um abzutasten, wann die Spule den Punkt e erreicht.
Diese drei Lageabtastelemente können für die Erzeugung der Erregerströme zu den geeigneten Zeitpunkten verwendet werden, wie sie Fig. lB zeigt. Weiters benötigt man drei getrennte Spulenerregerstufen oder Schaltstufen, um die Spulen --L1, L2 bzw. L3-- zu erregen. Wie oben erwähnt, muss die Anordnung eines jeden Lageabtastelements in Hinblick auf die übrigen Lageabtastelemente und in Hinblick auf die Nord- und Südpolstücke sorgfältig erfolgen. Dies bedeutet, dass das Winkelverhältnis eines jeden Lageabtastelements während des Motorzusammenbaues individuell eingestellt werden muss. Wenn alle drei Lageabtastelemente in einem einzigen Kompaktmodul vorgesehen sind, so kann weiters dieser Modul nur für Motoren mit gleichem Durchmesser verwendet werden. Diese Probleme bringen bei der Konstruktion und beim Zusammenbau eines Gleichstrommotors Nachteile mit sich.
Fig. 2A zeigt ein Beispiel eines Zweipol-Zweiphasen-Motors, bei dem der Rotoraufbau --101b-- aus nebeneinanderliegenden Nord- und Süd-Magnetpolstücken besteht, von denen jedes einen Bogen von 1800 bildet. Der Statoraufbau enthält zwei Spulen --L 1 und L 2--'wobei jede dieser Spulen positive und negative Pfade aufweist, wie dies oben in Zusammenhang mit Fig. 1A erörtert wurde. Die positiven und negativen Pfade einer jeden Spule sind dabei voneinander um 1800 getrennt. Hier überlappen die Spulen --L1 und L2-- einander nicht, sondern jede Spule
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dehnt sich über ein Magnetpolstück aus. Jede Spule kann daher auf die gleiche Zylinderfläche gewickelt werden, die konzentrisch zur Motorachse liegt.
So wie vorher können die positiven und negativen Wege aus Leitersegmenten bestehen, die parallel zur Motorachse liegen, um Strom in entgegengesetzten Richtungen zu führen.
Sobald sich der Rotoraufbau --101b-- dreht, weist der mit einem Bezugspunkt verkettete Magnetfluss sinusförmigen Verlauf auf, wie dies Fig. 2A zeigt. Wenn der positive Pfad der Spule - -- den Punkt 81 erreicht, das ist dann, wenn der positive Pfad der Spule den Übergang zwischen Nord- und Südmagnet erreicht, an dem der effektive Fluss gleich Null ist, wird die Spule erregt. Die Dauer der Erregung der Spule-L-beträgt 180 , d. h. solange, bis der positive Pfad dieser Spule den Punkt 82 am nächsten Übergang zwischen Nord-und Südmagnet erreicht.
Zu diesem Zeitpunkt hat der positive Pfad der Spule--L 2--den Punkt 81 erreicht und die Spu-
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und die Spule --Ll -- erregt.
Fig. 2B zeigt die Schwingungsform des Erregerstromes, der durch die Spulen --L 1 und L 2-fliesst. Die Spule --L1 -- wird zur Zeit t1 erregt, d. h. zu jenem Zeitpunkt, zu dem der positive Pfad dieser Spule den Punkt 81 erreicht. Die Spule --L2-- wird zur Zeit t2 erregt, d. h. zu jenem Zeitpunkt, zu dem der positive Pfad dieser Spule den Punkt 81 erreicht. Durch den im
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und den Magnetfluss im Bereich eines Nordpols sowie durch den im negativen Pfad der Spule --L 2-fliessenden negativen Strom und den Magnetfluss im Bereich eines Südpols, der mit dem negativen Pfad verkettet ist, erzeugt. Die Kurve dieses Drehmoments ist in Fig. 2C dargestellt.
Wie man sieht, fällt das erzeugte Drehmoment zu den Zeiten t, 2't t,,.... auf Null. Dies rührt daher, dass zu diesen Zeitpunkten die positiven und negativen Pfade einer erregten Spule mit einem Magnetfluss verkettet sind, der im wesentlichen gleich Null ist. Durch diese Nullstelle des Drehmoments besteht die Möglichkeit, dass der Rotor an einer Stelle anhält, an der sich der positive (oder negative) Pfad einer Spule am Punkt 81 (oder ) befindet, wodurch die darauffolgende Erregung der Spule ein Nulldrehmoment hervorruft. Das bedeutet, dass für das Anlaufen des Rotors ein Hilfsanlasser erforderlich ist.
Obwohl der Zweipol-Zweiphasen-Motor an sich nur ein einziges Lageabtastelement benötigt, um die Rotationsstellung des Rotors in Hinblick auf die Erregerspulen abzutasten, und nur zwei Schaltstufen erforderlich sind, um die entsprechenden Spulen zu erregen, ist das Problem des Nulldrehmoments bei den genannten Winkelstellungen des Rotors von Nachteil. Weiters weist das erzeugte Drehmoment eine starke Welligkeit auf, wie dies Fig. 2C zeigt.
Die oben erwähnten Probleme, die bei den Motoren der Fig. 1 und 2 auftreten, werden von dieser Erfindung vermieden, von der eine Ausführungsform in Fig. 4 im Grundriss und in Fig. 3 im Schnitt dargestellt ist. In dieser Ausführungsform ist der Rotoraufbau --101-- als Aussenläufer 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 Vorrichtung, die auf der Welle --106-- befestigt ist, bildet für sich keinen Teil dieser Erfindung.
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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-- Leitungen (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.
Bei einer Ausführungsform besteht das Lageabtastelement aus einem Hall-Effekt-Element --115-- und am rotor --101-- ist ein ringförmiger Magnetteil --118-- vorgesehen, der dem Hall- -Effekt-Element --115-- gegenüberliegt. Der ringförmige Magnet --118-- ist vorzugsweise in Richtung seiner Stärke magnetisiert, um Nord- und Südpole zu liefern, von denen sich jeder über einen Lagewinkel von 180 erstreckt. Durch die Drehung des ringförmigen Magneten --118-- am Hall-Effekt-Element --115-- 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 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 Rotor --101-- wird von einem topfförmigen Joch gebildet, das Dauermagnetpolstücke
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miwerkstoff und weisen die niedrigste Magnetisierung auf. Jedes Segmentpolstück erstreckt sich über einen Bogen von 30 . Beginnend mit dem Polstück--107 Ax--liegen die Polstücke gegen den Uhrzeigersinn gesehen wie folgt : Das Nordpolstück aus einem Seltenerdmetall-, einem Ferrit- und einem magnetischen Gummisegment, das Südpolstück aus einem magnetischen Gummi-, einem Ferritund einem Seltenerdmetallsegment, das Nordpolstück aus einem Seltenerdmetall-, einem Ferritund einem magnetischen Gummisegment sowie das Südpolstück aus einem magnetischen Gummi-, einem Ferrit- und einem Seltenerdmetallsegment.
Der Statoraufbau, hier einfach als Stator bezeichnet, ist auf dem zylindrischen Tragteil - 103-- 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 Ringkern --109-- befestigt. Diese Spulen sind so gewickelt, dass sich zwei Phasen bilden, wobei die eine Phase aus den Spulen --110A und 110B-- und die andere Phase aus den Spulen --11lA und 111B -- besteht. Die positiven und negativen Pfade jener Spule sind voneinander um 120 elektrisch getrennt. Weiters sind diese Phasen voneinander um 1800 elektrisch beabstandet. Das bedeutet, dass die Spule --110 A -- von der Spule --11lA -- um einen Lagewinkel von 90 beab-
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gleichfalls in Serie geschaltet und voneinander um 3600 elektrisch getrennt.
Für die wechselweise Erregung der Spulen --110, 111-- kann eine Treiberstufe --114-- gemäss Fig. 5 vorgesehen sein, welche die Spulen --110, 111-- selektiv mit Erregerströmen versorgt, deren Kurven Fig. 8C zeigt. Dieser Verlauf der Erregerströme wird durch das Zusammenwirken des eine entsprechende Anzahl von Nord- und Südpolen aufweisenden Ringmagneten-118- (Fig. 3) und dem Lageabtastelement --115--, welches die in Fig. 6 dargestellten Signale eingeliefert erreicht,
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der 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 190 und die Spule die B-Phase, über einen Winkelbereich von 1700 elektrisch erregt werden.
Wie bereits oben erwähnt, unterscheidet sich die Magnetisierung der jeweiligen magnetischen Werkstoffe, d. h. des Seltenerdmetalls, des Ferrits und des magnetischen Gummis. Fig. 7 zeigt die graphische Darstellung der Entmagnetisierungskurven für jeden dieser magnetischen Werkstoffe.
Jede Entmagnetisierungskurve liegt im zweiten Quadranten der entsprechenden Magnetisierungskurve. Auf der Abszisse ist die magnetische Feldstärke (H) und auf der Ordinate der magnetische Fluss (B) aufgetragen. Der Schnittpunkt einer jeden Kurve mit der Abszisse (Hc) zeigt die Koerzitivkraft des entsprechenden magnetischen Werkstoffes und der Schnittpunkt der Entmagnetisierungskurve mit der Ordinate (Br) die Remanenzmagnetflussdichte dieses magnetischen Werkstoffes. Die Kurven X, Y und Z sind die Entmagnetisierungskurven für das Seltenerdmetall, den Ferrit bzw. den magnetischen Gummi. Wie man sieht, ist die Koerzitivkraft Hc (X) des Seltenerdmetalls grösser als die Koerzitivkraft Hc(y) des Ferrits, die wieder grösser als die Koerzitivkraft Hc (Z) des magnetischen Gummis ist.
Auf die gleiche Weise ist die Remanenzmagnetflussdichte Br (X) des Seltenerdmetalls grösser als die Remanenzmagnetflussdichte Br (Y) des Ferrits, die
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des Ferrits, die wieder grösser als die Energie des magnetischen Gummis ist.
Der Magnetfluss im Luftspalt zwischen den Polstücken und dem Kern --109-- wird durch die Arbeitskurve Pm im Diagramm der Fig. 7 dargestellt. Die Magnetflussdichten in diesem Luftspalt erhält man im Schnittpunkt der Arbeitskurve Pm mit den Entmagnetisierungskurven X, Y und Z. Die infolge der Segmentpolstücke auftretenden verkettenden Magnetflussdichten sind mit
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Der in Fig. 4 gezeigte Rotor ist in Fig. 8A abgewickelt dargestellt. Der in einem Drehweg um die Motorachse von den Segmentpolstücken erzeugte Magnetfluss hat einen sägezahnförmigen Verlauf. Dieser Fluss fällt von einem Maximum im Bereich des Südpols bei einem elektrischen Win-
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Änderung der Magnetflussverteilung zwischen einem Maximum im Bereich der Südpolstücke und einem Maximum im Bereich der Nordpolstücke im wesentlichen linear.
Im Gegensatz zur stufenweisen Änderung erfolgt die lineare Änderung durch die gegenseitige Beeinflussung des von jedem Segmentpolstück erzeugten Feldes. Die stufenweisen Änderungen im Fluss werden über den Drehweg um die Motorachse gemittelt.
Es ist ersichtlich, dass die sägezahnförmige Flussverteilung der Fig. 8A durch die Änderung der Magnetflussintensität hervorgerufen wird, die jedes Segmentpolstück erzeugt. Anstatt die
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jeweiligen Polstücke aus verschiedenen magnetischen Werkstoffen herzustellen, kann jedes Segmentstück auch aus dem gleichen magnetischen Werkstoff bestehen, nur dass sich die Intensität jenes Flusses ändert, der von jedem dieser Elementstücke erzeugt wird. Die verschiedenartigen, oben beschriebenen Vorrichtungen zum Ändern der Intensität des Magnetflusses können auch mit diesen Segmentpolstücken Verwendung finden.
Der Anteil des Drehmoments T al der dann von dem mit dem positiven Pfad --110a-- der Spule --110A-- verketteten Magnetfluss erzeugt wird, wenn man die Spule --110A-- erregt, ist in Fig. 8B dargestellt. Sobald die Spule --110 A -- erregt wird, fliesst durch den negativen Pfad -- 110b-- dieser Spule negativer Strom. Der Anteil des Drehmoments T., der von dem mit dem negativen Pfad verketteten Fluss erzeugt wird, ist in Fig. 8B strichliert eingezeichnet. Das zusammengesetzte Gesamtdrehmoment, das dann erzeugt wird, wenn man die Spule --110 A -- für eine 360 -Drehung erregt, ist als Kurve TA dargestellt. Wie man sieht, ist das Drehmoment TA über einen Bereich von mehr als 1800 elektrisch positiv.
Ein gleiches, um 1800 elektrisch verschobenes Drehmoment wird dann erzeugt, wenn man beispielsweise die Spule --11lA -- erregt. Dieses von der Spule --11lA -- erzeugte Drehmoment kann als T B dargestellt werden. Da die Spule --110B-um 3600 elektrisch von der Spule --110A -- versetzt ist, wird durch die Erregung der Spule - llB--das gleiche Drehmoment TA erzeugt. Auf die gleiche Art ist die Spule--1n--um 360 elektrisch von der Spule --11lA -- getrennt und durch die Erregung der Spule--ll--wird ein Drehmoment TB erzeugt.
Ein Lageabtastelement, beispielsweise das oben beschriebene Hall-Effekt-Element --115--, kann vorgesehen sein, um abzutasten, wann die Spule --110A-- und dann die Spule--111,- eine vorgegebene Winkelstellung erreichen. Zu diesem Zeitpunkt triggert das Lageabtastelement eine Stromumschaltstufe, um die Spulen-110 , 110B--und dann die Spulen-111., 111B--zu erregen. Die durch die Spulen --110 A und 110B -- fliessenden Erregerströme sind in Fig. 8C als A-Phasen-Ströme und die Erregerströme durch die Spulen-111, und 111B--als B-Phasen-Ströme bezeichnet. Die Spulen --110A und 110B-- werden somit für eine Dauer von 1800 erregt, während der das Drehmoment TA positiv ist.
Daraufhin werden die Spulen --111A, 111B-- für eine Dauer von 1800 erregt, während der das Drehmoment TB positiv ist. Dadurch wird auf den Rotor --101-- über eine 360 -Drehung des Rotors ein im wesentlichen konstantes, zusammengesetztes Drehmoment ausgeübt, wie dies Fig. 8D zeigt. Es ist ersichtlich, dass das zusammengesetzte Drehmoment eine vernachlässigbare Welligkeit aufweist.
Fig. 9 zeigt eine Abart der Magnetpolstücke, die aus den Segmentpolstücken von Fig. 4 bestehen. Jedes Polstück --107A, 108B, 107B und 108B-- der Fig.9 besitzt eine allmählich zunehmende Dicke. Das bedeutet, dass der Luftspalt zwischen einem Polstück und dem Kern --109-- allmäh- lich zunimmt (oder abnimmt). Durch diese Luftspaltänderung besitzt die mit den Spulen --110 A' 110B, 111A und 111B-- verkettete Flussdichte den in Fig. 8A gezeigten Verlauf. Das bedeutet, dass sich durch die Dickenänderung der jeweiligen Polstücke die Intensität des von ihnen erzeugten Magnetflusses entsprechend ändert. Das von der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform erzeugte zusammengesetzte Drehmoment ist dem zusammengesetzten Drehmoment von Fig. 8D gleich.
Obwohl jedes Polstück der Fig. 9 eine sich allmählich ändernde Dicke besitzt, kann die Dicke eines Polstückes, z. B. des Südpolstückes, auch aus Segmenten aufgebaut sein, die sich in ihrer Dicke stufenweise unterscheiden. Jedes dieser Segmentpolstücke von verschiedener Dicke kann sich über einen Bogen von 300 erstrecken. Es können auch andere Massnahmen, von denen einige oben beschrieben wurden, für die Änderung der von den jeweiligen Polstücken erzeugten Flussintensität vorgesehen werden, um eine sägezahnförmige Magnetflussverteilung zu erreichen, wie sie Fig. 8A zeigt.
Fig. 10A zeigt die Abwicklung einer noch andern Ausführungsform für den Aufbau der Magnetpolstücke, die an Stelle der Segmentpolstücke von Fig. 4 verwendet werden kann. Danach kann jedes der Magnetpolstücke-107., 108,, 107B und 108B-- eine trapezförmige Gestalt besitzen.
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flussverteilung längs verschiedener Wege. Beispielsweise besitzt die Magnetflussverteilung längs des Weges c von Fig. 10A den in Figea in der strichlierten Kurve c gezeigten Verlauf. Die Magnetflussverteilung längs des Weges d von Fig. 10A besitzt den in Fig. 10B in der durchgehenden Kurve d gezeigten Verlauf.
Wenn die Achse jenes Motors, in dem die in Fig.10A gezeigten Magnetpolstücke den Rotor bilden, senkrecht auf die Wege c und d steht, ist der mit den Statorspulen verkettete zusammengesetzte Magnetfluss gleich der Summe der in den Kurven c und d von Fig. 10B gezeigten Flussverteilung. Die zusammengesetzte Magnetflussverteilung besitzt somit die in Fig. 10C dargestellte Sägezahnform. Das zusammengesetzte Drehmoment, das auf den Rotor --101-- der Fig. 10A ausgeübt wird, besitzt daher den in Fig. 8D gezeigten Verlauf.
Fig. 11A zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Dauermagnetpolstücke, die die in Fig. 4 gezeigten Polstücke ersetzen können. Dementsprechend ist jedes der Nord- und Südpolstücke
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107., 107g, 108. und 108n-trapezförmig108B,'-sind dreieckig. Die längere senkrechte Seite eines jeden trapezförmigen Polstückes ist doppelt so lang wie die andere senkrechte Seite. Wie Fig. 11A zeigt, ändert sich die Polarität des Magnetfeldes an der kürzeren Grenze, beispielsweise des Nordpolstückes --107A-- und des Südpolstückes --108A--. Mit dieser Grenze ist jene Grenze ausgerichtet, die zwischen den drei-
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die durch den in Fig. 11A gezeigten Polaufbau auftritt, hat folglich einen sägezahnförmigen Verlauf, wie ihn Fig. 8A zeigt.
Das auf den Rotor --101-- ausgeübte zusammengesetzte Drehmoment zeigt daher die Kurve von Fig. 8A.
Am oberen und unteren Rand des in Fig. 11A gezeigten Rotors --101-- ändert sich die Polarität des Magnetfeldes in Intervallen von 1800 elektrisch. Dadurch kann als Lageabtastelement ein Hall-Effekt-Element verwendet werden, um diese Polaritätsänderungen abzutasten und den Umschaltbetrieb des Erregerstromes für die Statorspulen zu steuern.
Fig.11B zeigt noch eine andere Ausführungsform der Magnetpolstücke, die für die Erzeugung einer sägezahnförmigen Magnetflussverteilung verwendet werden können. Jedes Polstück ist drei-
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licher Polarität an. Der erzeugte Magnetfluss besitzt somit einen sägezahnförmigen Verlauf und das auf den Rotor --101-- ausgeübte Drehmoment zeigt die Kurve von Fig. 8D.
Der in den Fig. 4 und 8A gezeigte Rotoraufbau ist in einem Radial-Luftspaltmotor eingebaut.
Eine ähnliche Anordnung für einen Axial-Luftspaltmotor ist in Fig. 12 dargestellt. Das Nordpol- stück --107 A -- besteht aus segment- oder tortenförmigen Polstücken-107 Ax'107 Ay und 107.--, die beispielsweise aus einem Seltenerdmetall, einem Ferrit- bzw. aus magnetischem Gummi bestehen.
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die aus einem Seltenerdmetall, einem Ferrit bzw. aus magnetischem Gummi bestehen. Die übrigen Polstücke --107B und 108B-- sind auf die gleiche Art aufgebaut. Dadurch erhält die Magnetflussverteilung in einem Drehweg um die Motorachse einen sägezahnförmigen Verlauf.
Eine andere Ausführungsform eines Rotoraufbaus für einen Axial-Luftspaltmotor ist in Fig. 12B dargestellt. Die jeweiligen Nord-und Südpolstücke-107., 107g und 108., 108g-sind so geformt, dass sich die Breite eines jeden Polstückes an jeder Winkelstellung eines Drehweges um die Motorachse ändert. Jedes Polstück ist also etwa kommaförmig ausgebildet. Dieser Aufbau erzeugt eine sägezahnförmige Magnetflussverteilung.
Obwohl diese Erfindung an Hand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist ersichtlich, dass von Fachleuten verschiedene Änderungen und Abarten in Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Bereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise wurde der Rotoraufbau des Gleichstrommotors als Aussenläufer beschrieben. Es ist jedoch ersichtlich, dass die Lehre dieser Erfindung auch für Motoren mit innenliegendem Rotor angewendet werden kann. Bei einem andern Beispiel können die Dauermagnetpolstücke, falls es erwünscht ist, auch den Statoraufbau bilden und der Rotoraufbau des Gleichstrommotors aus erregbaren Spulen bestehen. Bei dieser alternativen Ausführungsform kann der Gleichstrommotor mit Bürsten versehen sein.
PATENTANSPRÜCHE :
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 180 distanzierte Polaritätswechselbereiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Feldpole (107,108) eine sich in Drehrichtung des Ankers in ihrer Stärke ändernde Magnetisierung aufweist, wobei der Magnetfluss im Luftspalt einen sägezahnförmigen Verlauf hat und in zwei aufeinanderfolgenden Polaritätswechselbereichen Nulldurchgänge mit unterschiedlicher Steilheit aufweist, und dass die in unterschiedlicher Richtung vom Strom durchflossenen, mit dem Magnetfluss im Luftspalt verketteten Leiterabschnitte (110a, 110b, lila,
lllb) einer jeden Spule (110,111) der Ankerwicklung in an sich bekannter Weise voneinander um einen von 1800 elektrisch verschiedenen Winkel distanziert sind.