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Die vorliegende Erfindung betrifft einen in beide Drehrichtungen startbaren Außenläufermotor mit zwei unabhängigen Magnetkreisen, zum Beispiel für Belüftungssysteme.
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Für den Antrieb von Kleinlüftern, zum Beispiel für Computer oder dezentrale Lüftungseinrichtungen, können ein- oder zweisträngige elektronisch kommutierte Gleichstromantriebe verwendet werden. In
DE 23 46 380 C3 ist zum Beispiel ein Gleichstromaußenläufer mit bifilaren Wicklungen beschrieben. Mit Hilfe eines Hall-Sensors wird der Drehwinkel erfasst und in Abhängigkeit von seinem Schaltverhalten die Wicklungen bestromt, wie zum Beispiel in der Patentschrift
DE 2612464 C2 beschrieben.
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Bei einen symmetrischen Aufbau und Anordnung der Polschuhe, wie in 2 dargestellt, würde der Gleichstromaußenläufermotor in eine nicht definiert Drehrichtung rotieren. Bei vielen Anwendungen hat dieser Sachverhalt keine negativen Auswirkungen auf die Funktion. So zum Beispiel bei kleinen Radialpumpen. Dies gilt nicht für Axiallüfter. Diese müssen in eine vorgegebene Drehrichtung rotieren. Aus diesem Grunde wird zum Beispiel der Luftspalt zwischen Rotor und Stator asymmetrisch gestaltet, wie es in der 1 dargestellt ist.
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Verbunden mit diesen Maßnahmen ist ein vom Drehwinkel abhängiges magnetisches Antriebsmoment, das in Abhängigkeit von der Drehrichtung auch negative Werte annehmen kann. In der Vorzugsdrehrichtung hat dieser Sachverhalt nur geringe Auswirkungen auf die Funktion, weil die im Rotor angeordneten Permanentmagneten in den Bereichen mit geringem Antriebsmoment ein überlagerndes Hilfsmoment erzeugen.
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Trotzdem machen sich diese Schwankungen des Antriebsmomentes in einer ungleichmäßigen Rotation und verschlechterter Wandlungseffizienz bemerkbar. Ebenfalls verringern die hiermit verbundenen Schwingungen des Rotors die Lebensdauer des Statorlagers
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Eine weitere Methode zur Sicherstellung der Vorzugsdrehrichtung wird zum Beispiel in
DE3430396C2 vorgestellt. Bei der beschriebenen Anwendung werden die Polschuhe so untergliedert, dass trotz eines nahezu gleichmäßigen Luftspalts zwischen Rotor und Stator, die notwendige Asymmetrie im rotierenden Magnetfeld erhalten bleibt, so dass sich auch bei dieser Anwendung ein vom Drehwinkel abhängiges Antriebsmomentmoment einstellt.
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Auch bei anderen Antriebskonzepten mit ähnlichen Sachverhalten werden diese Methoden angewendet, so zum Beispiel bei Klauenpolmotoren, die als Pulsstromantriebe in Anwendungen mit extremen Anforderungen in Bezug auf den Energieverbrauch eingesetzt werden.
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Bei dieser Art von Gleichstromantrieben sind die Wicklungen und die Permanentmagnete zusammen auf dem Stator oder Rotor angeordnet. In
DE 43 06 327 A1 ist ein entsprechender Aufbau, so wie eine mögliche Ansteuerung beschrieben. Bei diesem Gleichstrommotor sind die Permanentmagnete im Stator angeordnet.
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In der Patentschrift
US 2008/0174189A1 sind die Permanentmagnete und Wicklungen im Rotor angeordnet. Bei dieser Anwendung wurden die Permanentmagnete in einem Haltering an der Stirnseite des Rotors angeordnet. Gegenüber dem Haltering mit den Permanentmagneten befindet sich im Stator zur Generierung des Antriebsmomentes des Motors ein strukturierter Gegenring. Die Permanentmagnete sind so ausgerichtet, dass zum Luftspalt zwischen Gegen- und Haltering die gleiche Polarität bei allen Magneten vorliegt, wie es bei Klauenpolantriebe üblich ist.
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Das hat aber zur Folge, das der magnetische Rückschluss über die Komponenten des Antriebskreises erfolgen muss, somit sind auch in dieser Anwendung die Permanentmagnete und der dazugehörige Gegenring integraler Bestandteil des zum Antrieb verwendeten Magnetkreis und von diesem nicht unabhängig gestaltbar.
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Auch bei dieser Antriebsart ist funktionsbedingt das magnetische Antriebsmoment abhängig vom Drehwinkel des Rotors (
2,
DE 43 06 327 A1 ). Somit wird ebenfalls ein Hilfsmoment zur Sicherstellung der Vorzugsdrehrichtung benötigt wie zum Beispiel in
US 2008/0 174 189 A1 beschrieben. Damit ergeben sich vergleichbare Einschränkungen und Probleme bei ihrer Anwendung.
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Die beschriebenen Anordnungen erfüllen ihren wirtschaftlichen Zweck, solange der Gleichstromantrieb nur in der Vorzugsrichtung rotieren muss. Ein Hall-Sensor mit zwei zu einander komplementären Ausgängen als Drehwinkelsensor reicht zur Ansteuerung gegeben falls mit nachgeschalteten Verstärkern vollständig aus, wie zum Beispiel in
DE 2346380 C3 1 dargestellt ist.
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Für Anwendungen von elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren, bei denen der Gleichstromantrieb in beide Drehrichtungen zuverlässig rotieren muss, ergeben sich durch die verwendeten Hilfsmomente im magnetischen Antriebskreis gravierende negative Auswirkungen in Funktion und Wirtschaftlichkeit. Durch die genutzten Hilfsmomente wird in der nicht bevorzugten Drehrichtung der Rotor „ausgebremst”, was zu einem vollständigen Blockieren des Antriebes führen kann.
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Aus diesem Grunde wird in
DE 10 2004 033 852 A1 vorgeschlagen, bei einem elektronisch kommutierten Außenläufermotor mit veränderlichen Luftspalt, durch Reglung und Überwachung des Verhaltens des Rotors, genügend kinetische Energie zur Überwindung des Hilfsmomentes zu generieren, damit der Antrieb auch in der nicht bevorzugten Drehrichtung zuverlässig rotiert kann.
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Um dies zu erreichen muss in die Ansteuerung ein Mikrocontroller integriert und entsprechend programmiert werden. Damit liegen die Realisierungskosten um ein Vielfaches über denen von vergleichbaren elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren mit nur einer Drehrichtung. In vielen Anwendungen ist die Verwendung von zwei Lüftern mit einer festen Drehrichtung deutlich günstiger als die Nutzung eines Reversierlüfters für beide Drehrichtungen. Folglich sind die Anwendungsmöglichkeiten für diese Art von Lüftern sehr eingeschränkt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen elektronisch kommutierten Außenläufergleichstrommotor für beide Drehrichtungen bereitzustellen, welcher mit deutlich geringeren Kosten realisiert werden kann, bei gleichzeitiger Verringerung der Abhängigkeit des Antriebsmomentes vom Drehwinkel einschließlich der Vermeidung von zu geringen Antriebsmomenten in beiden Drehrichtungen, die Wandlungseffizienz erhöht und somit die Verlustwärme verringert und ein sicheres Anlaufen in beide Drehrichtungen ermöglicht.
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Dazu wird auf einen elektronisch kommutierten Außenläutermotor mit nahezu gleichmäßigem Luftspalt zwischen Rotor und Stator zurück gegriffen, wie er in 2 dargestellt ist. Der Stator kann (z. B. zwei oder vier) Polschuhe mit bifilare Wicklung aufweist, so dass das Magnetfeld eines Polschuhs gezielt umgeschaltet werden kann. Die Wicklungen um die Polschuhe können auch jeweils miteinander korrelieren, dahingehend, dass die Stromkreise der einzelnen Polschuhe miteinander verbunden sind. Auf diese Weise können die Magnetfelder der Polschuhe gleichzeitig umgeschaltet werden. Der Stator mit der Wicklung ist insbesondere derart konfiguriert, dass die magnetischen Pole der Polschuhe in Umlaufsinn immer abwechselnd vorliegen. Ein Polschuh, der einen magnetischen Nordpol in Richtung Rotor aufweist, ist benachbart von einem (bei insgesamt 2 Polschuhen) oder zwei Polschuhen (bei insgesamt 4 oder mehr Polschuhen) mit magnetischem Südpol. Durch diese Anordnung wird vorteilhaft der magnetische Antriebskreis, um das Statorlager herumgeführt, so das im Statorlager angeordnete magnetische Komponenten durch den magnetischen Antriebskreis nicht beeinflussen und so mit von ihm unabhängig gestaltet werden können.
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Das Statorlager kann z. B. ein Kugellager oder vorzugsweise zwei Kugellager aufweisen. Die beiden Kugellager können hierbei derart angeordnet sein, dass sie sich in einer Achse, die durch den Massenschwerpunkt des Stators und senkrecht zu einer Ebene durch die Massenschwerpunkte der Polschuhe verläuft, befinden. Auf diese Weise können Kippbewegungen des Rotors vermindert werden. Die Konstruktion kann in weiten Grenzen variiert werden, weil der magnetische Antriebskreis vorteilhaft am Statorlager vorbei geführt wird.
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Der Rotor weist einen Permanentmagnetring auf, der radial magnetisiert wurde. Zum Beispiel ist der Ring ein Zwei-Pol- oder Vier-Pol-Ring, mit abwechselnden magnetischen Nord- und Südpolen. Die Pole können hierbei durch, vorzugsweise nicht magnetisierte, Lücken voneinander getrennt sein. Der Rotor kann zudem eine Rotorwelle aufweisen, die vorzugsweise eine Achse darstellt, die durch den Massenschwerpunkt des Permanentmagnetrings und senkrecht zu der Ebene seiner Umfangsabmessungen verläuft. Die Rotorwelle kann derart angeordnet sein, dass sie durch beide Kugellager verläuft und dadurch Kippbewegungen des Rotors verringert werden.
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Der Rotor kann vorteilhaft einen „außenläufigen”/”außenlaufenden” Permanentmagnetring aufweisen, so dass sich der Stator im Inneren des Rings befindet, während der Rotor außen um die Polschuhe des Stators rotiert.
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Neben den beschriebenen Antriebsmagnetkreis, bestehend aus Permanentmagneten, Statorwicklung und vom Statorlager unabhängigen magnetischen Rückschluss über das Blechpaket des Stators, ist es vorteilhaft einen unabhängigen Magnetkreis zur Erzeugung eines Hilfsmomentes im Statorlager zu integrieren. Dieser Magnetkreis kann vorteilhaft dadurch realisiert werden, dass im Statorlager um die Rotorwelle herum einen Magnetring mit horizontaler zweipoliger Magnetstruktur integriert wird.
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Zudem können Rotorwelle und Statorlager zueinander so angeordnet sein, dass ein Hilfsmoment zwischen Stator und Rotor vorliegt. Dies kann vorteilhaft durch die Anordnung eines Rastrings im Statorlager und einer entsprechenden Rastscheibe im Rotor, die gegenüber den Polenden der Polschuhe versetzt angeordnet ist, realisiert werden.
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Vorteilhaft ist weiterhin einen Gummiring konzentrisch um die Rotorwelle herum zu platzieren. Der Gummiring kann hierbei einen erforderlichen Abstand zwischen der Rastscheibe und dem Rastring zum Statorlager realisieren und somit bei der Rotation auftretende axiale Schwingungen dämpfen und Betriebsgeräusche vermindern.
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Des Weiteren wird die Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche dadurch gelöst,
dass der Versatz des Rastringes gegenüber den Polschuhenden so eingestellt wird, dass das generierte Hilfsmoment mit einem Maximum des Antriebmomentes zusammen fällt. Dies ist durch die erfindungsgemäße Verdrehbarkeit des Rastringes vorteilhaft realisierbar. Um trotzdem noch eine Vorzugsdrehrichtung zu realisieren sollte das Hilfsmoment nicht in die Mitte der Polschuhe gelegt werden. Damit ist ein sicheres Anlaufen in beide Drehrichtungen möglich ohne auf eine Vorzugsrichtung verzichten zu müssen. Nach dem Anlaufen in die jeweilige Drehrichtung kann auch ohne ein Hilfsmoment durch Umschalten der Statorwicklung in Abhängigkeit vom Signal des Drehwinkelsensors der elektronisch kommutiert Außenläufermotor in beide Drehrichtungen sicher rotieren.
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Vorteilhaft kann zur Erzeugung des Hilfsmomentes ein elektrisch steuerbare Magnet (Gleichstrommagnet) eingesetzt werden, der nur zum Starten zu geschaltet werden muss. Hierdurch wird der negative Einfluss des Hilfsmomentes während des Rotationsbetriebes vermieden. Weiterhin können durch Regelung des Stromflusses durch den Elektromagneten erzielte Schwingungen beseitigt werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau kann auf einen unvorteilhaften unsymmetrischen Luftspalt, verzichtet werden, so dass sich das Antriebsmoment erhöht, bei gleichzeitiger Verringerung des elektrischen Energieverbrauches.
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Weiterhin weisen symmetrische Luftspalte keine Bereiche mit fehlendem Antriebsmoment auf. Damit erhöht sich die Drehzahl in beide Drehrichtungen, bei gleichzeitiger Erhöhung der Gegeninduktion, wodurch sich die Verlustwärme in den Wicklungen verringert und ein „Stehenbleiben” des Rotors wirksam verhindert wird.
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Damit ergibt sich die Möglichkeit des Einsatzes einer extrem kostengünstigen elektrischen Ansteuerung mit Hilfe von wenigen Logikgattern ohne den Zwang zur Nutzung eines Mikrocontrollers. Somit liegen die Realisierungskosten für den erfindungsgemäßen Reversierlüfter im Bereich von elektronisch kommutierten Außenläufermotore für eine Drehrichtung.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines zweisträngigen Antriebssystems;
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2 zeigt schematisch ein Antriebssystem mit symmetrischen Polschuhenden;
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3 zeigen schematisch den Aufbau eines Antriebssystems mit Komponenten des Stator- und Rotorlagers; und
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4 zeigt schematisch eine Schaltung zur Ansteuerung eines Antriebssystems.
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In 1 wird beispielhaft veranschaulicht, auf welche Weise ein Antriebsmoment für den Rotor realisiert werden kann: Der Rotor 1 weist einen vierpoligen Magnetring 2 auf, wobei die vier Pole durch Magnetlücken 2a voneinander getrennt sind. Die Polschuhe 3 des innerhalb des Rotors 1 angeordneten Stators mit Statorlager 6 weisen bifilare Wicklungen 4, 5 und unsymmetrische Polschuhschenkel 3a auf, so dass der Luftspalt 3b zwischen den Polschuhen 3 und dem Rotor-Magnetring 2 (also der Abstand zwischen diesen) nicht konstant ist. Auf diese Weise ordnet sich der Rotormagnetring 2 im Ruhezustand gegenüber den Polschuhen versetzt an, so dass beim Starten des Verfahrens ein Antriebsmoment in eine Vorzugsrichtung entsteht. In einer der Lücken 3c zwischen zwei Polschuhenden zweier benachbarter Polschuhe befindet sich ein Hall-Sensor 7 zur Ermittlung der Drehrichtung des Rotors. Durch die unsymmetrischen Polschuhenden wird die effektive Antriebskraft verringert und der Wirkungsgrad des Systems verschlechtert.
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2 zeigt den schematischen Aufbau eines Antriebssystems mit symmetrischen Polschuhschenkeln 3a. Der Rotor 1 weist wie in 1 einen vierpoligen Magnetring 2 mit Magnetlücken 2a auf. Die Polschuhe 3 des Stators mit Statorlager 6 haben bifilare Wicklungen 4, 5. Aufgrund der symmetrischen Polschuhschenkel 3a ist der Luftspalt 3b zwischen den Polschuhen 3 und dem Rotor-Magnetring 2 im Wesentlichen konstant. Auch hier befindet sich in einer der Lücken 3c zwischen zwei Polschuhenden zweier benachbarter Polschuhe 3 ein Hall-Sensor 7 zur Ermittlung der Drehrichtung des Rotors. Bei einer derartigen Konfiguration mit symmetrischen Polschenkeln ist es allerdings vorteilhaft, auf andere Weise ein Antriebsmoment für eine Vorzugsrichtung des Rotors zu realisieren, denn ohne zusätzliches Drehmoment könnte das in 2 gezeigte Antriebssystem in eine beliebige Richtung anlaufen ohne eine effiziente Möglichkeit zur Ermittlung der Drehrichtung.
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Ein Drehmoment zum kontrollierten Starten des Antriebssystems kann z. B. mittels eines rastenden statischen Magnetkreis im Lagerbereich des Rotors realisiert werden, wie in 3 veranschaulicht.
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Rotor 1 weist neben dem Permanentmagnetring 2 eine Rotorwelle la auf, die in zwei Kugellagern 13, 14 des Stators 8 kippsicher angeordnet ist. Am Statorlager 8a ist konzentrisch um die Rotorwelle 1a ein zweipoliger horizontal magnetisierter Magnetring 9 angeordnet. Über diesem Magnetring 9 ist ein Rastring 10 (mit gleichmäßig über den Umlauf verteilten Einkerbungen) gegenüber dem Polschuh 3 versetzt eingeklemmt. Eine Rastscheibe 12 mit entsprechenden Einkerbungen als Gegenstück zu dem Rastring 10 befindet sich oberhalb des Rastrings 10 am Rotorlager und richtet sich entsprechend des Versatzes des Rastrings 10 gegenüber dem Polschuh 3 aus. Auf diese Weise wird ein Rastmoment, also ein Drehmoment, als Antriebsmoment des Rotors 1 in eine Vorzugsrichtung erzeugt, ohne auf die vorteilhafte Symmetrie der Polschuhenden zu verzichten.
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Insbesondere wird auf dem Oberen der beiden Kugellager 13 der Magnetring 9 aufgesetzt und der Rastring 10 darüber so eingeklemmt, dass sich ein um ca. 1/3 zum Polschuhende versetztes Rastmoment ausbildet. Der Rastring 10 kann vorzugsweise das Rotorlager, insbesondere die Rotorwelle 1a, sichern. Die Rastscheibe 12 des Rotors 1 kann z. B. integraler Bestandteil einer (nicht abgebildeten) Rotorwellenhalterung sein.
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Ein Gummiring 11 zwischen Rotorwelle 1a und Statorlager 8a kann z. B. den erforderlichen Abstand zwischen Rastscheibe 12, Rastring 10 und Statorkugellager 13 realisieren. Ein durch den Magnetring 9, den Rastring 10, die Rastscheibe 12, die Rotorwelle 1a und das Kugellager 13 des Stators 8 verlaufende statische Magnetkreis zieht den Rotor 1 in Richtung Stator 8, stabilisiert somit die Rotorlagerung und verhindert eine sonst notwendige Verspannung des Kugellagers 14. Gleichzeitig kann der Gummiring 11 eventuell bei der Rotation auftretende axiale Schwingungen dämpfen und kann z. B. auch Lüftergeräusche deutlich verringern.
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4 zeigt eine Prinzipschaltung zur Ansteuerung eines Antriebssystems gemäß der 2 und 3. Die Ansteuerung der bifilaren Wicklungen 4, 5 mittels eines Mikrokontrollers 17 über Feldeffekttransistoren 19 kontrolliert. Hierzu wird – wie oben erläutert – die Änderung des Ausgangssignals des Hall-Sensors 18 berücksichtigt. Ein PTC-Widerstand (Kaltleiter mit positivem Temperaturkoeffizienten) 15 und ein Signalverfolger 16 ermöglichen, dass Fehler beim Betrieb des Antriebssystems von dem Mikrokontroller erfasst werden können.
