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Die
Erfindung betrifft allgemein einen bürstenlosen Gleichstrommotor
und insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit
Permanentmagnet-Elementen, die sich auf einem Rotor befinden. Die
Erfindung ist eine Weiterentwicklung aus der Patentanmeldung
DE 10 2007 004 359.9 und
erweitert die Bauformen und Anwendungsgebiete.
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Die
ersten Anwendungen des eisenlosen Motors lieferte Michael Faraday
(1791–1867), der bedeutendste Experimentalphysiker des
19ten Jahrhunderts. Obwohl die eisenlosen Maschinen zuverlässig
und mit hoher Leistung funktionierten und den Eisen behafteten Motoren
und Generatoren in nichts nach standen, hatte sich die damalige
Fachwelt in zwei unterschiedlich große Lager aufgeteilt.
In den 80iger Jahren des 19ten Jahrhunderts wurden sehr viele Wicklungsvorschläge
für neue Wicklungen für die drei bekannten Prinzipien
Ring-, Trommel- und Scheibenwicklungen zum Patent angemeldet. 1887 wurde
in den USA von Nikola Tesla der erste technisch reife Drehfeldmotor
entwickelt, der bei einer Leistung von 7,5 kW 380 kg wog.
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Das
Eisen verstärkt das Magnetfeld nicht in dem Sinne, dass
es dem Feld der Spule ein eigenes Feld hinzufügt, sondern
es verkürzt nur den verlustreicheren Weg der Feldlinien
durch die Luft.
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Die
magnetischen Feldlinien sind reale Energielinien, die beim Verlauf
in der Luft stark an Energie verlieren, je weiter sie sich von der
Quelle entfernen.
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Eisen
hat die Eigenschaft, den Energiefluss auf diesen Energiebahnen wesentlich
besser zu leiten, als das Medium Luft.
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Paradox
scheint allerdings dabei, dass Luftspulenmaschinen nicht das vielfache
Volumen oder den vielfachen Durchmesser einer Eisenmaschine gleicher
Leistung besitzen. Das Gegenteil ist sogar der Fall, denn bei optimaler
technischen Umsetzung der Essenz der Energieumwandlung sind Luftspulenmaschinen
kleiner als Eisenmaschinen. Der Grund dafür ist, dass Luftspulenmaschinen
eine höhere Effizienz haben, die z. B. in einer kleinen
Bauform und in einem hohen Wirkungsgrad sichtbar wird.
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Im
Bereich der eisenlosen Motoren und Generatoren gibt es wenige Patente.
Einige Beispiele sind die Patente
DE
103 51 815 und
DE 103
35 688 . Diese Patente beschäftigen sich mit eisenlosen
Motoren und Generatoren.
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Für
bürstenlose Motoren gibt es eine Vielzahl an Patenten.
Insbesondere im Bereich von Kleinmotoren sind bürstenlose
Elektromotoren beispielsweise aus
US
3 988 654 und
DE
10 2005 013 674 A1 bekannt. Sie lassen sich in einem Regelkreis
betreiben. Zur Regelung der Motoren wird daher eine Information über
die Rotorlage benötigt. Diese Information lässt
sich durch eine Messung des Stromes oder durch eine Lagesensorik
erreichen, bekannt sind Hallsensoren, siehe
DE 32 00 664 oder
US 3 988 654 .
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Der
Mangel der vorhanden Entwicklungen ist die geringe mechanische Stabilität
der Ständerspulen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen preisgünstigen
Motor mit hohem Wirkungsgrad anzugeben, den Fertigungsprozess zu
vereinfachen und den Bauraum sowie das Gewicht zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Es wird ein Kunststoffmotor mit einem Spritzguß-Stator
als Basiseinheit mit einem Rotor aus Magnetcompound vorgeschlagen,
wobei vorgesehen ist, dass der Stator und der Rotor ohne Eisen eine
Konstruktionseinheit bilden, die wahlweise ohne Sensorik mit Kommutierung,
oder aber auch mit Sensorik und damit als Präzisionspositionierung
betreibbar ist.
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Die
Aufgabe wird weiter mit einem Verfahren zur Steuerung eines Kunststoffmotors
mit einem Spritzguß-Stator als Basiseinheit mit einem Rotor aus
Magnetcompound, wobei der Stator und der Rotor ohne Eisen eine Konstruktionseinheit
bilden, gelöst, wobei vorgesehen ist, dass der Kunststoffmotor mit
Sensorik betrieben wird. Der mit Sensorik betriebene Kunststoffmotor
weist keine mechanische Kommutierung, sondern eine elektronische
Kommutierung auf. Kunststoffmotoren ohne spezielle Lagesensoren,
wie beispielsweise Hallsonden, fallen unter die mit Sensorik betriebenen
Kunststoffmotoren.
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Die
Erfindung beschreibt einen Kunststoffmotor mit hohem Wirkungsgrad
und hoher Effizienz sowie ein Verfahren zum Betreiben des Kunststoffmotors.
Die beiden Grundbestandteile sind ein doppelter Magnetring als Rotor
und ein Stator mit umspritzten Spulen.
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Bei
dem Magnetcompound handelt es sich um eine Mischung aus Magnetpulver
und Kunststoff. Diese Mischung wird als Granulat in eine Spritzgussmaschine
eingefüllt und unter Hitze und hohem Druck in die Spritzgussform
gepresst.
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Der
wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die erfindungsgemäßen
Kunststoffmotoren bei beengtem Bauraum hohe Leistungen bringen.
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Die
Verbesserung besteht darin, dass kein Eisen relativ gegenüber
magnetischen Polen bewegt wird. In diesem Sinne handelt es sich
bei der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 und Patentanspruch 12
um Motoren mit Stator und Rotor „ohne Eisen”. Damit
gibt es keine Eisenverluste durch Umpolung. Des Weiteren bewirkt
dieser Aufbau durch den Einsatz von Kupfer- oder Alu-Blech die Optimierung
des Spulenausnutzungsgrades durch die höhere Packungsdichte,
der in dem Verhältnis der wirksamen Länge gegenüber
der Gesamtleiterlänge einer Windung eine deutliche Verbesserung
bewirkt. Bei bevorzugten Ausführungen der Erfindung ist
daher vorgesehen, keine Kernbleche einzusetzen.
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Eisenlose
Motoren und Generatoren als Ringläufer haben hohe Wirkungsgrade
zwischen 80 und 90% bei kleinen und mittleren Leistungen. Der Wirkungsgrad
wird hier nur noch durch mechanische Verluste, wie Luftreibung,
Lagerreibung und elektrische Verluste, wie Kupferverluste, ohmsche
Verluste, induktive Verluste, Wirbelstromverluste in der Wicklung
und ggf. weitere Kommutierungsverluste gemindert.
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Das
Prinzip des eisenlosen Motors ist die optimale technische Umsetzung
der direkten Energieumwandlung zwischen freien Leitern und Magnetfeld und
beinhaltet die Optimierung des Zusammenspiels aller Vektoren B,
I, v, was bedeutet, dass das Leitungskupfer optimal ins reale Feld
gelegt wird, wobei auf Eisen, welches ständig umgepolt
werden müsste, verzichtet wird.
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Der
Spulenausnutzungsgrad stellt neben der Verwendung von eisenfreien
Luftspulen und der Nutzbarmachung hoher Umfangsgeschwindigkeiten das
entscheidende Kriterium als Maß zur Verbesserung der elektrischen
Maschinen dar.
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Alle
diese Verluste werden durch die Steigerung des Spulenausnutzungsgrades
gegenüber einer herkömmlichen Wicklung gleicher
geometrischer Abmessungen, d. h. durch das neue Maschinenkonzept
gemindert, was insgesamt nicht nur zu einer erheblichen Verbesserung
des Wirkungsgrades, sondern aller entscheidenden Maschineneigenschaften führt.
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Optimiert
wird der Aufbau, indem die Wickelköpfe oder unwirksamen
Leiter der Spule in Maschinenbereiche verlegt werden, in denen sie
weniger störend wirken als im hochenergetischen Umfangsbereich,
so dass deren Platz von wirksamen Leitern eingenommen werden kann
(d. h. Berücksichtigung des energetischen Zustandes des
Ortes innerhalb einer Maschine).
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Dies
wird durch das Einspritzen der Kupferwicklung, im Schnitt quer zur
Bewegungsrichtung, erreicht, wobei die Spule möglichst
im Luftspalt verläuft. Der Bau eines eisenfreien Motors
mit einer Wicklung aus Kupferblech bewirkt eine Verbesserung des
Wirkungsgrades und erhöht den Kupferfüllgrad der
Wicklung.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Kunststoffmotor
ein Flachmotor ist. Unter einem Flachmotor soll eine Motorbauform
verstanden sein, bei der die axiale Bauhöhe des Motors
kleiner als der Durchmesser ist. Beispielsweise zählen
Scheibenläufermotore zu den Flachmotoren. Flachmotore weisen
vorzugsweise ein Durchmesser-zu-Höhen-Verhältnis
von 2 bis 20 auf, weiter bevorzugt von 2,5 bis 10. Beispielsweise
weist ein Motor mit einer axialen Bauhöhe von 12 mm und
einem Durchmesser-zu-Höhen-Verhältnis von 10 einen
Durchmesser von 120 mm auf.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausbildung kann vorsehen, dass der Kunststoffmotor
als ein Mikromotor ausgebildet ist, der geätzte Spulen
Aufweist, die auf einer Trägerscheibe zur Stabilisierung
ausgebildet ist. Ein solcher Mikromotor kann beispielsweise eine
Bauhöhe von 1,2 mm und einen Durchmesser von 3 mm aufweisen.
Dieser Mikromotor ist nach der vorstehenden Definition zugleich
ein Flachmotor, denn er weist ein Durchmesser-zu-Höhen-Verhältnis von
2,5 auf.
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Es
hat sich bewährt, wenn der Sternpunkt zum Messen der Position
des Rotors verwendet wird. Dabei werden die Spulen des Motors in
einer Sternschaltung verbunden, wobei mit einer Dreiphasensteuerung
gearbeitet wird. Die ermittelten Signale sind Sinusfunktionen mit
120° Versatz. Am Sternpunkt sind die Impedanzen messbar
und geben Auskunft über die Position der Magnete im Verhältnis
zu den Spulen. Spezielle Sensoren sind so nicht benötigt.
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Es
hat sich weiter bewährt, dass die Spannungen und Ströme
in den Wicklungen, die durch die vorzugsweise vier Messeingänge
gemessen werden, mit Hilfe einer „Hashtable” zum
Optimieren des Motorlaufs genutzt werden. In der Informatik wird
eine spezielle Indexstruktur als Hashtable oder Streuwerttabelle
bezeichnet. Beim Einsatz einer Hashtable spricht man auch von einem
Hashverfahren oder Streuspeicherverfahren. Es handelt sich um einen
Algorithmus zum Suchen von Datenobjekten in großen Datenmengen.
Er basiert auf der Idee, dass eine mathematische Funktion die Position
eines Objektes in einer Tabelle berechnet. Dadurch erübrigt
sich die Durchsuchung vieler Datenobjekte und wird die Anzahl der
Rechenoperationen reduziert, bis das Zielobjekt gefunden ist. Gegenüber
dem herkömmlichen Verfahren, aus den Messwerten Regelungsvektoren zu
berechnen, wird der Aufwand an Rechenleistung beträchtlich
reduziert und der Ablauf beschleunigt.
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Die
Erfindung betrifft zunächst nahezu alle mechanisch und
elektronisch kommutierten Gleichstrommaschinen, sowie die synchronen
Wechselstrom- und Drehstrommaschinen mit all ihren Ausgestaltungen
und Wicklungsformen für linear und rotierende Motoren und
Generatoren.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
bezeichnet.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kunststoffmotor in einer schematischen Schnittdarstellung;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kunststoffmotor in einer schematischen Schnittdarstellung;
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kunststoffmotor in einer schematischen Schnittdarstellung;
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4 ein
Ausführungsbeispiel der Anordnung der Magnetpole;
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5 ein
Ausführungsbeispiel der Anordnung der Magnetwicklungen.
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1 zeigt
einen als bürstenlosen Gleichstrommotor ausgebildeten Kunststoffmotor 1,
der folgenden Aufbau besitzt:
Zwei gespritzte Magnetringe 11 mit
Magnetpolen sind über ein Wellenlager 12 starr
miteinander verbunden. Ein Kunststoffträger 13 bildet
einen Rotor mit eingespritzten Magneten. Ein Kunststoff-Stator 14 mit
eingespritzten flachen Spulen 15 ist so dimensioniert,
dass der Luftspalt möglichst klein ist. Die Spulen 15 sind
vorzugsweise als Folienspulen ausgebildet. Der Wirkungsgrad des
Kunststoffmotors 1 wird außerdem durch die hohe
Packungsdichte der Folienspulen erhöht.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei der Aufbau seitenverkehrt
zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist. Ein Kunststoffmotor 2 besitzt 2 Magnetringe 22,
die in einen Kunststoffträger 24 eingespritzt
sind und als Halbschalen ausgeführt sein können.
Ein Stator 21 dient als Träger für in
einem Kreis angeordnete Spulen 23.
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3 zeigt
einen Kunststoffmotor 3, der als ein Mikromotor ausgebildet
ist. Spulen 32, die beispielsweise aus Flachmaterial ausgebildet
sein können, wie in 5 gezeigt,
sind wegen ihrer geringen mechanischen Stabilität auf einer
bzw. in einer Trägerplatte 31 angeordnet. Magnetringe 33 sind
oberhalb und unterhalb der Trägerplatte 31 angeordnet, wobei
zwischen den Magnetringen 33 ein magnetischer Luftspalt
ausgebildet ist, der von den Spulen 32 durchgriffen ist.
Wie bei den beiden Ausführungsbeispielen in 1 und 2 gezeigt,
weist der Kunststoffmotor 3 weiter einen Kunststoffträger 34 auf.
Der Kunststoffmotor 3 ist von einer Rotorplatte 35 überdeckt,
die über einen Zwischenträger mit den beiden Magnetringen 33 drehstarr
verbunden ist.
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4 zeigt
beispielhaft den Aufbau eines Magnetrings 41, der in einem
Rotor 4 angeordnet ist. Der Magnetring 41 ist
aus einem Magnetcompound aufgebaut, d. h. aus einem aus hartmagnetischen Partikeln
und Kunststoff gebildeten Materialgemisch aufgebaut. Die hartmagnetischen
Partikel können beispielsweise aus Neodym-Bor, Samarium-Kobalt oder
dergleichen ausgebildet sein. Die Magnetisierung des Magnetrings 41 kann
durch Impulsmagnetisierung erfolgen, wobei eine von Impulsstrom
durchflossene Magnetspulanordnung die in alternierender Reihenfolge
angeordneten Magnetpole in dem Magnetring 41 ausbildet.
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5 zeigt
beispielhaft den Aufbau eines Stators 5, der auf einer
Trägerplatte 51 angeordnete Spulen 52 aufweist,
die als Flachspulen ausgebildet sind. Die Spulen 52 können
beispielsweise aus dünnen Schichten eines elektrisch leitfähigen
Materials ausgebildet sein. Die Trägerplatte 51 kann
als eine Platine oder auch als eine Trägerplatte ausgebildet sein,
in die die Spulen 52 vollständig umschlossen eingebettet
sind.
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- 1
- Kunststoffmotor
- 2
- Kunststoffmotor
- 3
- Kunststoffmotor
- 4
- Rotor
- 5
- Stator
- 11
- Magnetring
- 12
- Wellenlager
- 13
- Kunststoffträger
- 14
- Kunststoff-Stator
- 15
- Spule
- 21
- Stator
- 22
- Magnetring
- 23
- Spule
- 24
- Kunststoffträger
- 31
- Trägerplatte
- 32
- Spule
- 33
- Magnetring
- 34
- Kunststoffträger
- 35
- Rotorplatte
- 41
- Magnetring
- 42
- Wellenlager
- 51
- Trägerplatte
- 52
- Spule
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007004359 [0001]
- - DE 10351815 [0007]
- - DE 10335688 [0007]
- - US 3988654 [0008, 0008]
- - DE 102005013674 A1 [0008]
- - DE 3200664 [0008]