DE102010053090A1

DE102010053090A1 - Bürstenloser Zwei-Phasen-Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE102010053090A1
Application number: DE102010053090A
Authority: DE
Inventors: Yue Li; Li Sheng Liu
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric SA
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2011-06-09
Also published as: CN102088234A; US20110133679A1; US8487567B2; CN102088234B; JP2011120465A

Abstract

Ein zweiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor umfasst einen Ständer und einen Läufer. Der Ständer hat einen Ständerkern und eine an dem Ständerkern gewickelte zweiphasige Wicklung. Der Ständerkern umfasst eine Mehrzahl von Zähnen mit zwischen benachbarten Zähnen gebildeten Schlitzen. Der Läufer hat eine Mehrzahl von Magnetpolen, die durch wenigstens einen Permanentmagneten gebildet sind. Die Wicklungen sind in entsprechenden Schlitzen derart aufgenommen, dass jede Wicklung mehrere Zähne umspannt und die Richtung des durch die Wicklungen in allen Schlitzen zu jeder Zeit fließenden Stromes die gleiche ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen zweiphasigen bürstenlosen Gleichstrom (englisch: Brushless direct current, BLDC-Motor
Hintergrund der Erfindung
BLDC-Motoren, die auch als elektronisch kommmutierte Motoren bekannt sind, haben eher elektronische Kommmutationssysteme als mechanische Kommutatoren und Bürsten. BLDC-Motoren werden in modernen elektronischen Vorrichtungen aufgrund ihrer verschiedenen Vorteile gegenüber Gleichstrommotoren mit Bürsten, beispielsweise mehr Drehmoment pro Gewichtseinheit, höhere Effizienz, höhere Zuverlässigkeit, verringerte Geräusche, größere Lebensdauer, Unterdrückung von Funken von dem Kommutator und einer Verringerung der elektromagnetischen Interferenz, verbreitet verwendet.
Konventionelle BLDC-Motoren sind gewöhnlich dreiphasige BLDC-Motoren, da konventionelle dreiphasige BLDC-Motoren eine höhere Effizienz verglichen mit konventionellen zweiphasigen BLDC-Motoren haben. Dreiphasige BLDC-Motoren haben jedoch komplizierte Wicklungen und Antriebskreisläufe und sind daher kostenintensiver.
Das Europäische Patent No. 2028747 offenbart einen zweiphasigen BLDC-Motor, der verdichtete Wicklungen und einen zweiphasigen Antriebskreislauf mit einer Phasendifferenz von 180 elektrischen Graden verwendet. In der Hälfte jeder Periode jedoch haben die Ströme von Bereichen von zwei Spulen der Wicklungen in den gleichen Schlitz zwischen benachbarten Polen gegenläufige Richtungen und diese Bereiche erzeugen daher kein Drehmoment. Daher hat diese Art eines zweiphasigen BLDC-Motors eine geringe Effizienz.
Darstellung der Erfindung
Daher besteht ein Bedarf nach einem zweiphasigen BLDC-Motor mit einer höheren Effizienz, oder der die Verkehrskreise wenigstens vor eine nützliche Auswahl stellt.
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung in einem Aspekt davon einen zweiphasigen BLDC-Motor, umfassend: einen einen Ständerkern und zweiphasige an dem Ständerkern gewickelte Wicklungen umfassenden Ständer, wobei der Ständerkern eine Mehrzahl von Zähnen mit zwischen benachbarten Zähnen gebildeten Schlitzen umfasst; und einen relativ zu dem Ständer drehbaren Läufer, wobei der Läufer eine Mehrzahl von durch wenigsten einen Permanentmagneten gebildeten magnetischen Polen aufweist, wobei die Wicklungen in entsprechenden Schlitzen derart aufgenommen sind, dass jede Wicklung eine Mehrzahl von Zähnen umspannt und die Richtung des durch die Wicklungen in allen Schlitzen zu jeder Zeit fließenden Stroms dieselbe ist.
Vorzugsweise umfasst der Ständer vier 4n Zähne und der Läufer hat 6n Magnetpole, wobei n eine Ganzzahl gleich oder größer als 1 ist.
Vorzugsweise werden die Wicklungen mit Strömen mit einer Phasendifferenz von 90 elektrischen Graden angetrieben.
Vorzugsweise ist der Motor ein Innenläufertyp.
Alternativ kann der Motor ein Außenläufertyp sein.
Vorzugsweise werden die Wicklungen durch einen zweiphasigen Halbbrückensteuerkreislauf gesteuert.
Vorzugsweise umfasst der zweiphasige Halbbrückensteuerkreislauf vier Transistoren und vier Dioden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft mit Bezug auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Figuren sind identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, generell mit einem gleichen Bezugszeichen in all den Figuren, in denen sie erscheinen, bezeichnet. Dimensionen von Bauteilen und Merkmalen die, in den Figuren gezeigt sind, sind generell zur Übersichtlichkeit und Klarheit der Darstellung gezeigt und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
1 ist eine schematische Ansicht eines zweiphasigen BLDC-Motors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Ansicht eines Ständers des Motors von 1;
3 ist ein Graph, der den Strom durch die Wicklungen des Ständers während der Verwendung des Motors von 1 zeigt;
4 ist eine schematische Ansicht eines zweiphasigen BLDC-Motors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine schematische Ansicht des Ständers des Motors von 4; und
6 ist ein schematisches Verdrahtungsdiagramm eines Antriebskreislaufes, der zum Betätigen eines BLDC-Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ein zweiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor der vorliegenden Erfindung umfasst einen Ständer und einen relativ zu dem Ständer drehbaren Läufer. Der Ständer umfasst einen Ständerkern und eine an dem Ständerkern gewickelte zweiphasige Wicklung. Die Wicklung umfasst eine Anzahl von Spulen in jeder Phase. Jede Spule ist durch eine Mehrzahl von Windungen eines Drahtes gebildet. Der Ständerkern umfasst 4n Zähne mit zwischen benachbarten Zähnen gebildeten Schlitzen, wobei n eine Ganzzahl gleich oder größer als 1 ist. Die Wicklungen sind in entsprechenden Schlitzen aufgenommen. Jede Spule umspannt zwei Zähne. Die Spulen sind derart gewickelt, dass die Richtung des durch die Drähte in jedem Schlitz zu jeder Zeit fließenden Stromes die gleiche ist. Der Läufer hat 6n durch einen oder mehrere Permanentmagnete gebildete Magnetpole.
Die nachfolgende Beschreibung der beiden bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nimmt beispielhaft n gleich 1 an.
1 und 2 zeigen schematisch einen zweiphasigen BLDC-Motor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt den Ständer 10 und den Läufer 30, während 2 den den Ständerkern und die Wicklungen 22 umfassenden Ständer 10 zeigt. Der Motor ist ein Innenläufertyp und umfasst einen Ständer 10 und einen in dem Ständer 10 drehbar eingebauten Läufer 30. Der Ständer 10 umfasst einen Ständerkern 12, der ein zylindrisches Joch 14 und vier Zähne 161 bis 164 umfasst, die sich einwärts von dem Joch 14 erstrecken. Die Zähne 161 bis 164 sind gleichmäßig in Umfangsrichtung um das Joch 14 angeordnet. Schlitze 181 bis 184 sind jeweils zwischen benachbarten Zähnen 161 bis 164 gebildet. Die zweiphasigen Wicklungen 22 umfassen Wicklung A und Wicklung B, wobei in diesem Beispiel jede Wicklung durch eine einzelnen Spule gebildet ist. Die Wicklung A umspannt die Zähne 161 und 162 und ist in den Schlitzen 181 und 183 aufgenommen. Die Wicklung B umspannt die Zähne 162 und 163 und ist in den Schlitzen 182 und 184 aufgenommen. Der Läufer 30 umfasst einen an einer Welle 36 angebrachten Läuferkern 32 und sechs Permanentmagnete 34, die sechs abwechselnd angeordnete Magnetpole bilden, d. h., Nordpole und Südpole. Die Magnete sind um den Läuferkern in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet.
3 ist ein Graph, der den durch die Wicklungen während einer Betätigung des zweiphasigen bürstenlosen Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fließenden Antriebsstrom zeigt. Die die beiden separaten Phasenwicklungen, Wicklung A und Wicklung B, aufweisenden Wicklungen 22, werden durch Ströme mit einer Phasendifferenz von 90 elektrischen Graden angetrieben. Insofern wird jederzeit nur eine Phasenwicklung, A oder B, elektrifiziert. Ströme, die durch die Wicklungen in dem gleichen Schlitz fließen, haben dieselbe Richtung und daher werden keine Kräfte mit gegenläufigen Richtungen erzeugt. Daher ist die Effizienz des Motors verglichen mit dem konventionellen Motor verbessert.
4 und 5 zeigen einen zweiphasigen BLDC-Motor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 zeigt den Ständer 10 und den Läufer 30, während 5 den Ständer 10 zeigt. Dieser Motor ist ein Außenläufertyp. Der Ständer 10 ist in dem Läufer 30 angeordnet. Der Ständerkern 12 umfasst vier Zähne 161 bis 164, die vier vorspringende Pole bilden. Die vier Zähne 161 bis 164 sind gleichmäßig in der Umfangsrichtung des Ständers 10 angeordnet, wobei jeweils vier Schlitze 181 bis 184 zwischen benachbarten Zähnen 161 bis 164 gebildet sind. Die Wicklung A ist in den Schlitzen 181 und 183 aufgenommen und die Wicklung B ist in den Schlitzen 182 und 184 aufgenommen. Der Läufer 30 umfasst einen Läuferkern 32 und sechs Permanentmagnete 34, die an einer inneren Fläche des Läuferkernes 32 angebracht sind. Die Magnete 34 sind gleichmäßig in Umfangsrichtung des Läufers 30 beabstandet.
6 ist ein schematisches Verdrahtungsdiagramm eines Antriebskreislaufes zum Versorgen der Wicklungen des Motors mit Energie (Strom). Die Wicklungen werden durch einen zweiphasigen Halbbrückensteuerkreislauf 40 angetrieben oder gesteuert, der vier Transistoren Q1 bis Q4 und vier Dioden D1 bis D4 umfasst. Ein Antriebsstromprofil wie in 3 gezeigt kann durch Steuerung der Transistoren Q1 bis Q4 erhalten werden.
Verglichen zu gegenwärtigen dreiphasigen BLDC-Motoren hat der zweiphasige BLDC-Motor der vorliegenden Erfindung einen einfachen Ständerkern und Wicklungen und einen einfachen Antriebskreislauf mit wenigen Bauteilen. Daher sind die Kosten geringer. Verglichen mit konventionellen zweiphasigen Motoren ist die Effizienz höher.
Wie angesprochen verwendeten die Beispiele n gleich 1. Alternativ kann n gleich 2, 3 oder eine andere Ganzzahl sein. Wenn n gleich 2 ist, umfasst der Ständer acht Zähne, die acht Ständerpole bilden, und der Läufer umfasst zwölf Magnetpole. Jede Phasenwicklung umspannt vier Zähne.
In der Beschreibung und den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung werden die Verben „umfassen”, „einschließen”, „beinhalten” und „haben” und ihre Abwandlungen in einem einschließenden Sinne verwendet, um das Vorhandensein von angegebenen Bauteilen anzugeben, aber nicht, um das Vorhandensein von zusätzlichen Bauteilen auszuschließen.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte von den Fachleuten anerkannt werden, dass verschiedene Abwandlungen möglich sind. Daher wird der Schutzbereich der Erfindung mit Bezug auf die nachfolgenden Ansprüche bestimmt.
Beispielsweise können die Läuferpole durch einen einzelnen Ringmagneten gebildet sein, oder jeder Magnet kann zwei oder mehrere Läuferpole bilden, während die Läuferpole als durch separate Permanentmagnete gebildet dargestellt worden sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2028747 [0004]

Claims

Zweiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor, umfassend: einen Ständer (10), umfassend einen Ständerkern (12) und an dem Ständerkern gewickelte zweiphasige Wicklungen (22), wobei der Ständerkern eine Mehrzahl von Zähnen (161 bis 164) mit zwischen benachbarten Zähnen gebildeten Schlitzen (181 bis 184) umfasst; und einen relativ zu dem Ständer drehbaren Läufer (30), wobei der Läufer eine Mehrzahl von durch wenigstens einen Permanentmagneten (34) gebildeten Magnetpolen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (22) in entsprechenden Schlitzen (181 bis 184) derart aufgenommen sind, dass jede Wicklung (22a, 22b) mehrere Zähne umspannt und die Richtung des durch die Wicklungen in allen Schlitzen zu jeder Zeit fließenden Stromes die gleiche ist.
Motor nach Anspruch 1, wobei der Ständerkern (12) 4n-Zähne umfasst und wobei der Läufer (30) 6n-Magnetpole hat, wobei n eine Ganzzahl gleich oder größer als 1 ist.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wicklungen (22) durch Ströme mit einer Phasendifferenz von 90 elektrischen Graden angetrieben sind.
Motor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Motor ein Innenläufertyp ist.
Motor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Motor ein Außenläufertyp ist.
Motor nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Wicklungen (22) durch einen zweiphasigen Halbbrückensteuerkreislauf (40) gesteuert sind.
Motor nach Anspruch 6, wobei der zweiphasige Halbbrückensteuerkreislauf (40) vier Transistoren (Q1 bis Q4) und vier Dioden (D1 bis D4) umfasst.