CH650366A5

CH650366A5 - Kollektorloser gleichstromaussenlaeufermotor.

Info

Publication number: CH650366A5
Application number: CH5498/80A
Authority: CH
Inventors: Rolf Dr-Ing Mueller
Original assignee: Papst Motoren Kg
Priority date: 1980-07-18
Filing date: 1980-07-18
Publication date: 1985-07-15
Also published as: US4529918A; DE3128417A1; US4430603A; DE3128417C2

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstromaussenläufermotor mit im wesentlichen zylindrischem Luftspalt, insbesondere zum Antrieb von Magnetplattenspeichern, mit einem Rotor, der einen mindestens zwei Polpaare aufweisenden dauermagnetischen Erregermagneten und einen dauermagnetischen Steuermagneten trägt, mit mindestens einem mit dem Steuermagneten zusammenwirkenden, magnetfeldabhängigen Drehstellungsdetektor zum Erfassen der Rotorlage, mit einer in Abhängigkeit von dem Drehstellungsdetektor gesteuerten Kommutierungseinrichtung und mit einer an die Kommutierungseinrichtung angeschlossenen Statorwicklungsanordnung.

Motoren dieser Art sind bekannt (DE-OS 24 19 432, DE-OS 26 18 293 und DE-AS 26 12 464). Beim praktischen Einsatz solcher Motore, insbesondere für den Antrieb von Magnetplattenspeichern, aber auch in anderen Fällen, wie z.B. Positionierantrieben beliebiger Art, stellt sich häufig die Aufgabe, für ein Steuersignal zu sorgen, das während jeder Umdrehung des Rotors nur einmal erscheint und als Bezugssignal für die Winkelstellung des Rotors, z.B. im Falle von Magnetplattenspeichern als Startmarkierung für den Spuranfang, benutzt werden kann.

Ein solches Steuersignal fällt bei Motoren mit zweipoligem Erregermagneten von selbst an. Beispielsweise braucht nur die ansteigende Flanke der Erregerfeldkurve erfasst zu werden. Diese einfache Art der Steuersignalgewinnung scheidet jedoch bei Motoren aus, deren Erregermagnet zwei oder mehr Polpaare hat, weil bei jeder vollen Umdrehung des Rotors zwei oder mehr ansteigende Flanken in der Feldkurve auftreten und infolgedessen keine eindeutige Zuordnung zwischen einer solchen Flanke und der Rotorstellung mehr möglich ist.

Erfindungsgemäss wird dieser Mangel dadurch ausgeräumt, dass dem Steuermagneten zugleich eine nur einen Impuls je Umdrehung des Rotors erzeugende Steuerimpulsgeneratorstufe zugeordnet ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Steuermagnet in Umfangsrichtung unsymmetrisch derart radial magnetisiert sein, dass er nur einen Pol der einen Magnetisierungsrichtung aufweist. Die Polbreite dieses einen Steuermagnetpols stimmt mit der Polbreite des Erregermagneten überein. Dem Drehstellungsdetektor steht ein weiterer Drehstellungsdetektor diametral gegenüber, und eine die Ausgangssignale der beiden Drehstellungsdetektoren addierende Schaltungsstufe ist der Kommutierungseinrichtung vorgeschaltet. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann das die Rotorstellung eindeutig kennzeichnende Steuersignal wahlweise von dem einen oder dem anderen der beiden Drehstellungsdetektoren abgeleitet, beispielsweise als Anstiegsflanke in der Feldkurve des Steuermagneten über ein flankengesteuertes Monoflop erfasst werden. Das Kommutierungssignal wird dagegen aus der Addition der Ausgangssignale der Drehstellungsdetektoren gewonnen.

Entsprechend einer abgewandelten Variante des Erfindungsgegenstandes weisen der Erregermagnet und der Steuermagnet eine jeweils gleiche Anzahl Paare von Polen mit gleicher Polbreite auf. Der Feldverlauf des Steuermagneten hat im Bereich eines Pols eine Diskontinuität. Zusätzlich zu dem Drehstellungsdetektor ist ein nur auf die Felddiskontinuität ansprechender weiterer Drehstellungsdetektor vorgesehen. Dabei liefert der eine Drehstellungsdetektor ein Kommutierungssignal, während von dem anderen Drehstellungsdetektor das bei jeder Rotorumdrehung nur einmal auftretende Steuersignal ableitbar ist.

Dem Steuermagneten kann bei dieser Ausführungsform zwecks Ausbildung der Felddiskontinuität einfach ein kleiner Zusatzmagnet zugeordnet sein, der in Umfangsrichtung des Rotors an vorbestimmter Stelle sitzt. Zur Auswertung der Feldkurve ist vorzugsweise der eine Drehstellungsdetektor ein magnetfeldabhängiger Sensor mit symmetrischem Schmitt-Trigger und der weitere Drehstellungsdetektor ein magnetfeldabhängiger Sensor mit unsymmetrischem, d.h. nur auf

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Signale der einen Polarität ansprechendem, Schmitt-Trigger. Der symmetrische Schmitt-Trigger liefert dabei das Kommutierungssignal, während der unsymmetrische Schmitt-Trigger das Steuersignal abgibt.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der Erregermagnet und der Steuermagnet identisch magnetisiert. Eines der Polpaare der Magnete ist dabei derart unsymmetrisch ausgebildet, dass der Pol der einen Magnetisierungsrichtung etwas kürzer als der Pol der andern Magnetisierungsrichtung ist, während das oder die weiteren Polpaare symmetrisch sind. Dem Drehstellungsdetektor steht ein weiterer Drehstellungsdetektor diametral gegenüber. Es ist eine einseitig wirkende exklusive ODER-Schaltung mit zwei Eingängen vorgesehen, die mit den Ausgangssignalen der beiden Drehstellungsdetektoren beaufschlagt sind. Die leichte Unsymmetrie des einen Polpaares beeinträchtigt die Funktionseigenschaften des Motors praktisch nicht. Das beispielsweise jeweils positivere der beiden Ausgangssignale der Drehstellungsdetektoren wird als Kommutierungssignal genutzt, während die einseitig wirkende exklusive ODER-Schaltung einen Steuerimpuls je Umdrehung des Rotors abgibt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen kollektorlosen Gleichstromaussenläufermotor nach der Erfindung, Fig. 2a und 2b die Feldkurven für den Erregermagnet bzw. den Steuermagnet des Motors nach Fig. 1,

Fig. 2c, 2d und 2e verschiedene bei dem Motor nach Fig. 1 auftretende Signale,

Fig. 3 ein vereinfachtes schematisches Schaltbild des Motors nach Fig. 1,

Fig. 4a die Abwicklung von Feld- und Steuermagnet für eine abgewandelte Ausführungsform des Motors,

Fig. 4b die Feldkurve des Steuermagneten nach Fig. 4a, Fig. 4c und 4d das Kommutierungssignal bzw. das Steuersignal der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 4a,

Fig. 5a eine Abwicklung von Feld- und Steuermagnet für eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5b bis 5e verschiedene Signale für die Motorausführung gemäss Fig. 5a, und

Fig. 6 ein Schaltbild der Drehstellungsdetektoren sowie der einseitig wirkenden exklusiven ODER-Schaltung, die in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 5a vorgesehen sind.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte kollektorlose Gleichstromaussenläufermotor 10 weist ein Statorblechpaket 11 auf, das eine Statorwicklungsanordnungl2 trägt, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel einsträngig ausgebildet ist. Das Statorblechpaket 11 bildet zusammen mit einem ringförmigen, dauermagnetischen Erregermagneten 13 einen im wesentlichen zylindrischen Luftspalt 14. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass der Erregermagnet 13 vierpolig radial magnetisiert ist. Das heisst, an der dem Luftspalt 14 zugewendeten Innenseite des Erregermagneten 13 befinden sich in wechselnder Folge zwei magnetische Nordpole und zwei magnetische Südpole, die jeweils eine Breite von im wesentlichen 90° (physikalisch) haben. Es wird auf diese Weise in Umfangsrichtung des Luftspaltes 14 eine annähernd rechteckige oder trapezförmige Magnetisierung erhalten, wie dies in der Erregerfeldkurve 15 nach Fig. 2a angedeutet ist. Der Erregermagnet 13 ist an einer den magnetischen Rückschluss bildenden Aussenläuferglocke 16 angebracht, z.B. in diese Glocke eingeklebt. Unterhalb des Erregermagneten 13 sitzt ein ringförmiger, dauermagnetischer Steuermagnet 18, der entsprechend der Steuerfeldkurve 19 der Fig. 2b an der dem Luftspalt 14 zugekehrten Seite nur einen Nordpol hat, dessen Polbreite der Breite der Nord- und Südpole des Erregermagneten 13 entspricht. Mit dem Steuermagneten 18 wirken zwei magnetfeldabhängige Drehstellungsdetektoren 20,21, z.B. Hallgeneratoren oder Hall-ICs, 5 zusammen, die einander mit Bezug auf die Rotorachse diametral gegenüberstehen.

Bei den Erreger- und Steuermagneten kann es sich insbesondere um Gummimagnete oder kunststoffgebundene Magnete handeln. Erreger- und Steuermagnet können von io zwei gesonderten Magnetringen gebildet sein; sie können aber auch einteilig ausgeführt sein. An Stelle von Magnetringen lassen sich in die Glocke 16 auch schalenförmige Magnetsegmente einkleben oder dort auf andere Weise festlegen. In der Mitte der Aussenläuferglocke 16 ist eine Stummel-i5 welle 23 befestigt, die über Kugellager 24 in einer Hülse 25 abgestützt ist, welche das Statorblechpaket 11 trägt und auf einer Statorgrundplatte 26 befestigt ist.

Dreht sich die Aussenläuferglocke 16 mit Bezug auf die stationären Drehstellungsdetektoren 20, 21, gibt der Detektor 20 20 ein Signal 27 (Fig. 2c) ab, während der Detektor 21 ein Signal 28 (Fig. 2d) liefert, das gegenüber dem Signal 27 um 180° versetzt ist. Jedes der Signale 27, 28 lässt sich als Steuersignal verwenden, das bei jeder vollen Umdrehung der Glocke 16 nur einmal auftritt. Sind schmalere Steuerimpulse 25 erwünscht, braucht an den Ausgang einer der Detektoren 20, 21 beispielsweise nur ein mittels positiver Flanken triggerbares Monoflop 29 angeschlossen zu werden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die Signale 27, 28 werden ferner in einer Additionsstufe 30 zu dem Kommutierungssignal 31 der Fig. 2e 30 zusammengefasst, mit dem die in Fig. 3 schematisch bei 32 angedeutete Kommutierungseinrichtung beaufschlagt wird.

Fig. 4a zeigt schematisch eine Abwicklung des Erregermagneten 13 und eines Steuermagnenten 18' zusammen mit zwei magnetfeldabhängigen schaltenden Drehstellungsdetektoren 35 34,35, die in Umfangsrichtung in beliebigem gegenseitigem Abstand stehen. Bei dieser Ausführungsform stimmen Erregermagnete 13 und Steuermagnet 18' in der Anzahl der Polpaare überein. Sämtliche Pole haben gleiche Polbreite. Dem Steuermagneten 18' ist jedoch im Bereich eines Pols ein in 40 Fig. 4a gleichfalls schematisch angedeuteter Zusatzmagnet 36 zugeordnet. Unter dem Einfluss des Zusatzmagneten 36 stellt sich infolgedessen eine Steuerfeldkurve 37 der in Fig. 4b veranschaulichten Art ein, die eine Diskontinuität in Form eines Höckers 38 hat. Der Detektor 34 ist mit einem symmetrischen 45 Schmitt-Trigger ausgerüstet, d.h. einem Schmitt-Trigger, der auf Signale beider Polarität anspricht, sofern diese Signale einen vorgegebenen Mindestpegel überschreiten. Dieser Mindestpegel ist so eingestellt, dass er höchstens der Normalamplitude der Steuerfeldkurve 37 entspricht. Der Detektor 35 so weist dagegen einen unsymmetrischen, nur auf Signale entsprechend dem positiven Teil der Steuerfeldkurve 37 ansprechenden Schmitt-Trigger auf. Dessen Schwellwert ist so eingestellt, dass der Trigger lediglich dann ein Signal abgibt,

wenn der Zusatzmagnet 36 an dem Detektor 35 vorbeiläuft. 55 Unter diesen Bedingungen erscheint am Ausgang des Detektors 34 das Kommutierungssignal 39 der Fig. 4c, während der Detektor 35 das Steuersignal 40 (Fig. 4d) in Form eines Impulses liefert, der für jede volle Umdrehung der Aussenläuferglocke 16 nur einmal erscheint.

60 In Fig. 5a ist eine Abwicklung ähnlich Fig. 4a dargestellt. Der .Erregermagnet 13" und der Steuermagnet 18" sind im wesentlichen gleich magnetisiert. Dabei ist das in Fig. 5a erste Polpaar im Bereich der Steuerspur 14 derart unsymmetrisch ausgebildet, dass der dem Luftspalt zugekehrte Nordpol gne-65ten 18" sind wiederum zwei um 180° gegeneinander versetzte Drehstellungsdetektoren 46, 47, beispielsweise Hall-ICs, zugeordnet. Beim Drehen der Aussenläuferglocke 16 erscheinen an den Ausgängen der Detektoren 46,47 Impulsfolgen

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48,49 entsprechend Fig. 5b bzw. 5c.

Wie die Fig. 6 zeigt, sind die Ausgänge der Drehstellungs-detektoren 46, 47 über jeweils eine Diode 50, 51 mit einem Koppelpunkt 52 verbunden. Das bedeutet, dass am Koppelpunkt 52 ein Signal 53 (Fig. 5d) erscheint, das dem jeweils positiveren der beiden Signale 48, 49 entspricht und ein symmetrisches Kommutierungssignal darstellt. Die Basis eines Transistors 55 ist über einen Vorwiderstand 56 an den Ausgang des Detektors 47 angeschlossen, während der Emitter des Transistors 55 mit dem Ausgang des Detektors 46 verbunden ist. Der derart angeschlossene Transistors 55 wirkt als einseitige exklusive ODER-Schaltung, die am Ausgang 57

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einen Impuls 58 (Fig. 5e) nur dann abgibt, wenn das Signal 49 positiver als das Signal 48 ist. Diese Bedingung ist während jeder vollen Umdrehung der Aussenläuferglocke 16 nur einmal für eine der Verkürzung des Pols 43 entsprechende Zeit-

5 dauer erfüllt. Am Ausgang 57 erscheint infolgedessen das beabsichtigte Steuersignal.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen ist von einem einsträngigen Motor mit zwei Polpaaren ausgegangen. Das geschilderte Prinzip lässt sich jedoch ohne weiteres io auch bei anderen Strangzahlen und/oder Motoren mit mehr als zwei Polpaaren anwenden.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

650 366 PATENTANSPRÜCHE

1. Kollektorloser Gleichstromaussenläufermotor mit im wesentlichen zylindrischem Luftspalt, insbesondere zum Antrieb von Magnetplattenspeichern, mit einem Rotor, der einen mindestens zwei Polpaare aufweisenden dauermagnetischen Erregermagneten und einen dauermagnetischen Steuermagneten trägt, mit mindestens einem mit dem Steuermagneten zusammenwirkenden, magnetfeldabhängigen Drehstellungsdetektor zum Erfassen der Rotorlage, mit einer in Abhängigkeit von dem Drehstellungsdetektor gesteuerten Kommutierungseinrichtung und mit einer an die Kommutierungseinrichtung angeschlossenen Statorwicklungsanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuermagnet (18, 18', 18") zugleich eine nur einen Impuls je Umdrehung des Rotors (16) erzeugende Steuerimpulsgeneratorstufe (21, 29; 35,36; 47, 55) zugeordnet ist.

2. Kollektorloser Gleichstromaussenläufermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuermagnet (18) in Umfangsrichtung unsymmetrisch derart radialmagne-tisiert ist, dass er nur einen Pol der einen Magnetisierungsrichtung aufweist, dass die Polbreite dieses einen Steuermagnetpols mit der Polbreite des Erregermagneten (13) übereinstimmt, dass dem Drehstellungsdetektor (20) ein weiterer Drehstellungsdetektor (21) diametral gegenübersteht und dass eine die Ausgangssignale der beiden Drehstellungsdetektoren addierende Schaltungsstufe (30) der Kommutierungseinrichtung (32) vorgeschaltet ist.

3. Kollektorloser Gleichstromaussenläufermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregermagnet (13) und der Steuermagnet (18') eine jeweils gleiche Anzahl Paare von Polen mit gleicher Polbreite aufweisen, dass im Bereich eines Pols des Steuermagneten (18') der Feldverlauf (37) eine Diskontinuität (38) hat, und dass zusätzlich zu dem Drehstellungsdetektor (34) ein nur auf die Felddiskontinuität ansprechender weiterer Drehstellungsdetektor (35) vorgesehen ist.

4. Kollektorloser Gleichstromaussenläufermotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuermagneten (18') zwecks Ausbildung der Felddiskontinuität ein Zusatzmagnet (36) zugeordnet ist.

5. Kollektorloser Gleichstromaussenläufermotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Drehstellungsdetektor (34) ein magnetfeldabhängiger Sensor mit symmetrischem Schmitt-Trigger und der weitere Drehstellungsdetektor (35) ein magnetfeldabhängiger Sensor mit unsymmetrischem Schmitt-Trigger ist.

6. Kollektorloser Gleichstromaussenläufermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregermagnet (13") und der Steuermagnet (18") annähernd gleich magneti-siert sind, wobei jedoch eines der Polpaare im Bereich der Steuerspur derart unsymmetrisch ausgebildet ist, dass der Pol (43") der einen Magnetisierungsrichtung etwas kürzer als der • Pol (42") der anderen Magnetisierungsrichtung ist, während das oder die weiteren Polpaare (44", 45") auch im Bereich der Steuerspur symmetrisch sind, dass dem Drehstellungsdetektor (46) ein weiterer Drehstellungsdetektor (47) diametral gegenübersteht und dass eine einseitig wirkende exklusive ODER-Schaltung (55) mit zwei Eingängen vorgesehen ist, die mit den Ausgangssignalen der beiden Drehstellungsdetektoren (46,47) beaufschlagt sind.