CH670339A5

CH670339A5 -

Info

Publication number: CH670339A5
Application number: CH3633/85A
Authority: CH
Inventors: Karl-Heinz Bernhardt
Original assignee: Pfeiffer Vakuumtechnik
Priority date: 1984-09-07
Filing date: 1985-08-23
Publication date: 1989-05-31
Also published as: GB2164211B; NL8502365A; GB2164211A; FR2570229A1; GB8521927D0; JPS6166558A; BE903149A; DE3432946A1; DE3432946C2; IT1200724B; IT8521993A0

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor für hohe Drehzahlen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zum Antrieb von z.B. Turbomolekularpumpen, Kreiseln, Spinn- oder Schleifspindeln, insbesondere von magnetisch gelagerten Rotoren. The invention relates to a brushless DC motor for high speeds, according to the preamble of claim 1, for driving e.g. Turbomolecular pumps, centrifuges, spinning or grinding spindles, in particular of magnetically mounted rotors.

Die überwiegende Anzahl schneilaufender Maschinen wird heute mit Drehstrommotoren angetrieben. Nachteilig an diesen Motoren ist der abnehmende Wirkungsgrad mit zunehmendem Luftspalt zwischen Rotor und Stator durch den zunehmenden Magnetisierungsstrom. Kollektorlose Gleichstrommotoren mit einem bewickelten Blechstator und rotierendem permanent-magnetischen Rotor weisen zwar diesen Nachteil nicht auf, üben aber radiale Anziehungskräfte zwischen Rotor und Stator aus, die im Falle einer radialen Magnetlagerung durch zusätzliche Lagerkräfte kompensiert werden müssen. Aus der deutschen Patentanmeldung P 3302 839 ist ein Motor bekannt, der diese Nachteile nicht hat und in den eine eisenlose Wicklung in einem mehrpolig magnetisierten Luftspalt hineinragt. Zweipolige Anordnungen sind mit Hilfe dieser Bauart nur schwer zu verwirklichen, da für die Wickelköpfe kein Raum vorhanden ist. Vierpolige Anordnungen benötigen zum Antrieb die doppelte Lauffrequenz, was zu höheren Umschaltverlusten im Versorgungsgerät und höheren Wirbelstromverlusten in den Drähten der Wicklung führt. Ausserdem ist die Herstellung einer solchen Wicklung sehr kompliziert und sie benötigt einen grossen Luftspalt. The majority of machines running on snow today are driven by three-phase motors. A disadvantage of these motors is the decreasing efficiency with increasing air gap between the rotor and stator due to the increasing magnetizing current. Collectorless DC motors with a wound sheet metal stator and rotating permanent-magnetic rotor do not have this disadvantage, but exert radial attractive forces between the rotor and stator, which in the case of radial magnetic bearings have to be compensated for by additional bearing forces. From the German patent application P 3302 839 a motor is known which does not have these disadvantages and into which an ironless winding projects into a multipolar magnetized air gap. Two-pole arrangements are difficult to achieve with this type of construction, since there is no space for the winding heads. Four-pole arrangements require twice the running frequency for the drive, which leads to higher switching losses in the supply unit and higher eddy current losses in the wires of the winding. In addition, the manufacture of such a winding is very complicated and it requires a large air gap.

Weiterhin sind bürstenkommutierte Gleichstrommotoren mit eisenlosen Schrägwicklungen bekannt, wie sie bei Faulhaber (Fritz Faulhaber: Einfache Berechnungsgrundlagen für rasch anlaufende Gleichstrom-Stellmotoren, VDI-Z. Bd 107 Nr. 4, S. 149-152) beschrieben werden. Diese Motoren sind zwar radial-kraftfrei, aber wegen des Kommutators nicht im Vakuum oder für sehr hohe Drehzahlen geeignet. Brush-commutated direct current motors with ironless helical windings are also known, as are described by Faulhaber (Fritz Faulhaber: Simple calculation bases for fast starting direct current servomotors, VDI-Z. Vol. 107 No. 4, pp. 149-152). Although these motors are radial-force-free, they are not suitable in a vacuum or for very high speeds because of the commutator.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Motor vorzustellen, der die oben angegebenen Nachteile vermeidet und insbesondere bei kleinem Luftspalt mit einer einfachen stabilen Wicklung ohne Wickelköpfe einen radialkraftfreien Antrieb einer Welle mit geringen Verlusten ermöglicht. The object of the invention is to present a motor which avoids the disadvantages indicated above and, in particular in the case of a small air gap with a simple stable winding without winding heads, enables a shaft to be driven without radial force and with low losses.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Anordnung, wie sie im kennzeichnenden Teil des 1. Patentanspruches beschrieben wird. Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung der Schrägwicklung in vier Teilwicklungen, deren Anfänge alle mit einem Pol und deren Enden über vier steuerbare elektrische Schaltelemente mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden sind, ist eine Verwendung handelsüblicher Gleichstromantriebsgeräte möglich (Betriebsanweisung für Turbomolekularpumpe TPH 170, TPU 170 und Antriebs-Elektro-nik TCP 300 Nr. PM 800 093 BD,E,F der Firma Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH). The problem is solved by an arrangement as described in the characterizing part of the first claim. The inventive configuration of the helical winding in four partial windings, the beginnings of which are all connected with one pole and the ends of which are connected to the other pole of the operating voltage source via four controllable electrical switching elements, makes it possible to use commercially available direct current drive devices (operating instructions for turbomolecular pump TPH 170, TPU 170 and drive -Elektro-nik TCP 300 No. PM 800 093 BD, E, F from Arthur Pfeiffer Vacuum Technology Wetzlar GmbH).

Die Ansteuerung der Wicklungsabschnitte erfolgt mit Hilfe zweier Hallsonden, die wie in Anspruch 2 beschrieben, montiert sind. The winding sections are controlled with the aid of two Hall probes, which are mounted as described in claim 2.

Bei gleichmässiger Luftspaltinduktion hat die von der Schrägwicklung induzierte Gegen-EMK einen sinusförmigen Verlauf, was für die Betriebsspannungsquelle nachteilig ist. Bei Ausgestaltung der Polflächen nach Anspruch 3 kann durch die in der Mitte eines Poles verringerte Luftspaltinduktion der Bogen der sinusförmigen Gegen-EMK abgeflacht und damit eine konstante Gegen-EMK des Motors erzeugt werden. With uniform air gap induction, the back emf induced by the helical winding has a sinusoidal shape, which is disadvantageous for the operating voltage source. In the configuration of the pole faces according to claim 3, the arc of the sinusoidal back emf can be flattened by the reduced air gap induction in the center of a pole and thus a constant back emf of the motor can be generated.

Die Verwendung einer aus dem Luftspalt herausragenden Wicklung nach Anspruch 4 ermöglicht die Wärmeabfuhr aus der Wicklung, was besonders im Vakum von Vorteil ist. The use of a winding protruding from the air gap according to claim 4 enables heat to be removed from the winding, which is particularly advantageous in a vacuum.

Mit Hilfe der Figuren 1-3 soll im folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. A preferred embodiment of the invention will be explained in more detail below with the aid of FIGS. 1-3.

Fig. 1 zeigt eine Abwicklung der Schrägwicklung mit der Lage der Hallsonden und schematisch den Stromfluss, 1 shows a development of the oblique winding with the position of the Hall probes and schematically the current flow,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Motor in der Ebene der Hallsonden und Fig. 2 shows a cross section through the motor in the plane of the Hall probes and

Fig. 3 den Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels. Fig. 3 shows the longitudinal section of an embodiment.

Das Gehäuse, in dem sich die Anordnung befindet, ist mit 9 bezeichnet. The housing in which the arrangement is located is designated by 9.

In einem Rotor 1 mit der Rotorwelle 7 aus Stahl, die in den Lagerschilden 10 mit zwei Magnetlagern 8 gelagert ist, ist eine eiserne Rückschlusshülse 2 mit radial magnetisierten Magneten 3 eingebaut. Diese Magnete haben jeweils die Form von Halbzylindern. Sie werden in den Ansprüchen 1 und 4 mit 180° breiten magnetischen Polen bezeichnet, weil sie sich von der Achse aus gesehen über einen Winkelbereich von je 180° erstrecken. In dem zwischen Glocke und Rotorwelle gebildeten Luftspalt 11 ist eine gehäusefeste Statorspule 4 angeordnet, die mit ihrem unteren Ende aus der Rotorglocke herausragt und von einer Trägerhülse 6 aus Aluminium umschlossen ist. Diese leitet die in der Statorspule entstehende Verlustwärme zum Gehäuse hin ab. Die Hallsonden 5 sind auf der Innenseite der Statorspule in der Wand einer zylindrischen dünnwandigen Hülse aus Isoliermaterial befestigt. Mit 12 sind Notlauflager und mit 13 axiale Stützlager bezeichnet. An iron yoke sleeve 2 with radially magnetized magnets 3 is installed in a rotor 1 with the steel rotor shaft 7, which is supported in the end shields 10 with two magnetic bearings 8. These magnets are each in the form of half cylinders. They are referred to in claims 1 and 4 with 180 ° wide magnetic poles because they extend from the axis over an angular range of 180 °. Arranged in the air gap 11 formed between the bell and the rotor shaft is a stator coil 4 which is fixed to the housing and which projects with its lower end out of the rotor bell and is enclosed by a carrier sleeve 6 made of aluminum. This dissipates the heat loss generated in the stator coil to the housing. The Hall probes 5 are fastened on the inside of the stator coil in the wall of a cylindrical thin-walled sleeve made of insulating material. With 12 emergency bearings and 13 axial support bearings are designated.

Fig. 1 zeigt in ihrem oberen Teil die Abwicklung der Statorspule. Beginnend bei al verläuft die Wicklung über den halben Umfang bis zum gegenüberliegenden Rand und geht von dort auf der Rückseite zum Ausgangspunkt zurück. Von dort verläuft die nächste Windung parallel zur ersten. Durch sinngemässe Fortsetzung dieser Wickelart erhält man eine fortlaufende zweilagige Wicklung, deren Windungszahl, Länge und Durchmesser von der Drahtdicke abhängen. Die Wicklung ist in vier gleiche Teilwicklungen aufgeteilt, deren Anfänge bei al verbunden sind und deren Enden a2 - a5 an je einen Kollektor Fig. 1 shows the development of the stator coil in its upper part. Starting at al, the winding runs over half the circumference to the opposite edge and from there on the back goes back to the starting point. From there, the next turn runs parallel to the first. By appropriately continuing this type of winding, a continuous two-layer winding is obtained, the number of turns, length and diameter of which depend on the wire thickness. The winding is divided into four equal partial windings, the beginnings of which are connected at al and the ends a2 - a5 of each collector

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

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eines Schalttransistors führen. Überschreitet die Poltrennlinie des Rotors die Hallsonde Hl, so wird Transistor T1 eingeschaltet. Nach einer viertel Umdrehung überschreitet die Poltrennlinie die Hallsonde H2, und es wird Transistor T1 aus- und Transistor T2 eingeschaltet usw. Zur Erzeugung der Ansteuersignale werden die Ausgangsspannungen der Hallsonden über je einen Vorverstärker verstärkt und die Ausgangsspannungen werden einem bekannten 1 aus 4 Decoder zugeführt, der 90° versetzte, 90° einer Umdrehung andauernde Impulse zum Ansteuern der 5 Transistoren TI bis T4 erzeugt. of a switching transistor. If the pole separating line of the rotor exceeds the Hall probe H1, transistor T1 is switched on. After a quarter turn, the pole separating line crosses the Hall probe H2, and transistor T1 is switched off and transistor T2 is switched on, etc. To generate the control signals, the output voltages of the Hall probes are amplified via a preamplifier and the output voltages are fed to a known 1 out of 4 decoder, which generates 90 ° offset, 90 ° one-turn pulses for driving the 5 transistors TI to T4.

v v

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. colectorless DC motor with a fast-running rotor, consisting of a bell and a connected central rotor shaft (7), which forms a radial air gap (11) with two 180 ° wide magnetic poles (3) and an ironless stator coil (4), the protrudes into this air gap, two Hall probes (5) for position sensing of the rotor and four electrical switching elements which are controlled in succession by electrical signals from these Hall probes, characterized in that the stator coil consists of a helical winding with four identical winding sections (ai, aì), ( ai, as), (ai, a *), (ai, as), the beginnings of these windings all having to be connected to one pole and the ends of the winding sections via four controllable electrical switching elements to the other pole of an operating voltage source.

2. Collectorless DC motor according to claim 1, characterized in that the Hall probes (Hl) and H2) on the inside or outside of the winding on the same surface lines as the beginnings of the winding sections (ai, ai), and (ai, a $ .

2nd

PATENT CLAIMS

3. Collectorless DC motor according to claims 1 and 2, characterized in that a 180 ° wide magnetic pole consists of two 90 ° wide magnetized magnet segments parallel to their planes of symmetry.

4. Collectorless DC motor according to claims 1 and 2, characterized in that the winding is longer than the magnetized air gap, and the protruding part of the winding is fastened to a carrier tube of good thermal conductivity.