-
Technisches Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor mit Bürsten,
der vier oder mehr Feld- bzw. Magnetpole aufweist und in der Lage
ist, ausreichend große Motorstromimpulse zu erzeugen, damit
anhand der Signalform eines durch den Motor fließenden
Stroms die Drehzahl des Motors detektiert werden kann.
-
Stand der Technik
-
Herkömmlich
ist eine Vorrichtung bekannt, welche die Drehzahl eines Gleichstrommotors
mit Bürsten anhand der Signalform eines Stroms detektiert,
der durch den Motor fließt, ohne dass ein Impulsgeber,
Drehzahlmesser oder dergleichen erforderlich wäre (vgl.
Patentdokumente 1 und 2).
-
Die 9 zeigt
die herkömmliche Impulsdetektionsschaltung, die in dem
Patentdokument 1 beschrieben wird und ausgelegt ist, um Drehimpulse
zu detektieren, die im Zusammenhang mit einer Drehbewegung eines
Motors erzeugt werden. Die Impulsdetektionsschaltung detektiert
diese anhand eines Stroms, der von einem Stromdetektionswiderstand
R zum Motor fließt, welcher Widerstand mit der Erdungsseite
eines Motortreibers verbunden ist, um die Detektion anhand von Stromimpulsen
vorzunehmen, die im Zusammenhang mit der Drehbewegung des Motors
erzeugt werden.
-
Die
Impulsdetektionsschaltung umfasst einen Differenzierungskondensator
C; eine Impuls-Verstärkungsschaltung, die eine invertierende Verstärkerschaltung
OA umfasst; sowie eine Vergleichs- und Beurteilungsschaltung. In
der so ausgelegten Impulsdetektionsschaltung fließen Stromimpulse,
die im Zusammenhang mit der Drehbewegung des Motors erzeugt werden,
durch den Stromdetektionswiderstand R, wenn sich der Motor vorwärts
oder rückwärts dreht. Die Impulse werden dem Operationsverstärker
OA über den Differenzierungs kondensator C und einen Widerstand
R1 eingegeben und darin verstärkt. Wie in dem oberen Teil
der 10 gezeigt, wird in diesem Zusammenhang eine Ausgangsspannung,
die proportional zur Zeitableitung einer Impulsspannung ist, die über
den Stromdetektionswiderstand R anliegt, von dem Operationsverstärker
OA ausgegeben. Ein Spannungsteiler, der aus zwei Widerstanden R2
und R3 aufgebaut ist, halbiert eine Versorgungsspannung Vcc und
versorgt den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
OA mit einer Spannung, die der Hälfte der Versorgungsspannung
Vcc entspricht. Zwei Drittel (ein Spannungsteilerverhältnis,
gebildet von den Widerständen R5 und R6) der Versorgungsspannung Vcc
wird einem invertierenden Eingang eines Komparators Comp als Schwellenwertspannung
eingegeben; wenn die Spannung eines Eingangs-Impulssignals den Schwellenwert übersteigt,
werden somit Impulse ausgegeben, wie in dem unteren Teil der 10 dargestellt.
Auf diese Weise kann die dargestellte Schaltung die Anzahl von Impulsen
proportional zur Drehzahl des Motors mit Hilfe der Zeitableitung
der Impulsspannung, die über dem Stromdetektionswiderstand
R anliegt, erzeugen. Wenn jedoch der Motorstrom periodisch nur wenig
bzw. sanft variiert, können anhand des Motorstroms keine
Impulse detektiert werden. Insbesondere bei einem Motor mit vier
oder mehr Feldpolen bzw. Magnetpolen stößt man
auf Schwierigkeiten, wenn man anhand eines Stroms, der durch den
Stromdetektionswiderstand fließt, zuverlässig
Impulse detektieren möchte, deren Amplitude einen Schwellenwert
in ausreichendem Maße übersteigen.
-
Die 11 ist
eine Schnittansicht, die einen herkömmlichen Motor zeigt,
der in dem Patentdokument 3 offenbart wird. Bei den Feldmagneten
handelt es sich um einen ersten Magneten eines N-Pols, einen zweiten
Magneten eines S-Pols, einen dritten Magneten eines N-Pols und eines
vierten Magneten eines S-Pols, wobei die magnetische Induktion des ersten
Magneten bzw. N-Pols und des zweiten Magneten bzw. S-Pols durch
Verlängerung ihrer Bogenabschnittslänge erhöht
ist und die magnetische Induktion des dritten Magneten bzw. N-Pols
und des vierten Magneten bzw. S-Pols durch Verkürzung der Bogenabschnittslänge
reduziert ist. Durch Verwendung von Paaren von Magneten aus einem
N-Pol und einem S-Pol, die gemeinsam bzw. als Einheit über
eine hohe magnetische Induktion verfügen, sowie eines Paares
von Magneten aus einem N-Pol und einem S-Pol, die zusammen bzw.
als Einheit über eine geringe magnetische Induktion verfügen, wird
die Richtung einer Anziehungskraft T zu einer Position zwischen
dem ersten Magneten bzw. N-Pol und dem zweiten Magneten bzw. S-Pol
mit hoher magnetischer Induktion gerichtet. Die Magneten sind so angeordnet,
dass die mag netischen Mittelpunkte der bogenförmig gekrümmten
Oberflächen der Magneten gleiche Winkelabstände
bzw. Spreizungswinkel um die Mitte einer Drehachse ausbilden.
-
Die
dargestellten Feldmagneten sind so ausgelegt, dass die Magnetoberflächen,
die der Außenumfangsfläche eines Ankerkerns zugewandt
sind, größer sind, so dass die magnetischen Kräfte
der Magnete unterschiedlich sind. Folglich wird der Ankerkern zu
den Magneten auf einer Seite angezogen, so dass die mit dem Ankerkern
zu einer Einheit vereinte Achse hin zu der genannten einen Seite
angezogen wird. Selbst wenn ein vorbestimmtes Spiel zwischen der
Achse und einem Lager vorgesehen ist, kann verhindert werden, dass
die Achse mit einem Spiel versehen ist, wodurch eine Geräuschentwicklung
reduziert werden kann. Nur mit Hilfe unterschiedlicher magnetischer
Induktionen der Magnete kann jedoch keine ausreichend hohe Impulsspannung
zur Detektion mit Hilfe einer solchen Impulsdetektionsschaltung,
wie diese in dem vorgenannten Patentdokument 1 beschrieben ist,
erzeugt werden.
-
Patentdokument
1:
Japanische Patent-Offenlegungsschrift
(kokai) Nr. 2004-297861 Patentdokument 2:
Japanische Patent-Offenlegungsschrift (kokai)
Nr. H9-222433 Patentdokument 3:
Japanische Patent-Offenlegungsschrift (kokai)
Nr. 2007-104875 -
Offenbarung der Erfindung
-
Von der Erfindung zu lösende
Aufgaben
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gleichstrommotor
mit Bürsten bereitzustellen, der vier oder mehr Feld- bzw.
Magnetpole aufweist und in der Lage ist, ausreichend große
Motorstromimpulse zur Detektion der Drehzahl des Motors anhand der
Signalform eines Stroms, der durch den Motor fließt, zu
erzeugen, ohne dass eine spezielle Vorrichtung zur Detektion der
Drehzahl des Motors erforderlich wäre.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Schwankungen
in der Strom-Signalform durch Verschiebung der Umschaltzeitpunkte
der Bürsten zu bewirken, während die Mitten von
sich wechselseitig gegenüberliegenden Magnetpolen miteinander
ausgerichtet sind bzw. fluchten, um eine Zunahme von Schwingungen
zu verhindern, die ansonsten von einer ungleichmäßigen
Drehbewegung hervorgerufen werden könnten, und die Schwankungen
der Strom-Signalform zur Detektion einer Drehbewegung auszunutzen.
-
Mittel zur Lösung
der Aufgaben
-
Ein
erfindungsgemäßer Gleichstrommotor mit Bürsten
umfasst einen Magneten, der an einer Innenumfangsfläche
eines Motorgehäuses angebracht ist und ausgelegt ist, um
als mehrpoliger Feldmagnet mit vier oder mehr Magnetpolen zu wirken,
einen Rotor, der eine Rotor-Polanordnung aufweist, sowie einen Kommutator,
der auf einer drehbeweglich gelagerten Achse befestigt ist, sowie
in Berührung mit dem Kommutator befindliche Bürsten.
Die Magnetpole sind so angeordnet, dass sich Nord-Magnetpole und
Süd-Magnetpole in einer Umfangsrichtung abwechseln, wobei
sich zwei Nord-Magnetpole unter einem Winkelabstand von 180° gegenüberliegen
und wobei sich zwei Süd-Magnetpole unter einem Winkelabstand
von 180° gegenüberliegen. Sowohl der magnetische
Mittelpunkt jedes Nord-Magnetpols als auch der magnetische Mittelpunkt
jedes Süd-Magnetpols ist in seiner Position von der Mittenposition zwischen
magnetischen Mittelpunkten von zwei Magnetpolen der entgegengesetzten
Polarität verschoben, welche sich auf gegenüberliegenden
Seiten des Nord- oder Süd-Magnetpols befinden.
-
Die
magnetischen Mittelpunkt der Magnetpole sind in einer solchen Weise
angeordnet, dass deren Position relativ zu geometrischen Mittellinien,
die unter gleichen Abständen bzw. Winkelabständen
zueinander angeordnet sind, verschoben ist. Die Bürsten
sind nicht auf den Magnetisierungs-Mittellinien der Magnetpole angeordnet.
Die Bürsten sind entlang den jeweiligen geometrischen Mittellinien
angeordnet. Die magnetischen Mittelpunkte bzw. Magnetisierungs-Mitten
von zwei benachbarten Magnetpolen sind in ihrer Position um denselben
Verschiebungswinkel α in Bezug zu den jeweiligen geometrischen
Mittellinien aufeinander zu oder voneinander weg verschoben.
-
Für
den Fall von vier Magnetpolen werden zwei benachbarte Winkelabstände
zwischen den Magnetisierungs-Mittelpunkte von benachbarten Magnetpolen
als Winkelabstand 1 und Winkelabstand 2 bezeichnet und dabei ist
der Winkelabstand 1 kleiner als der Winkelabstand 2. Der Winkelabstand
1 ist kleiner als der Winkelabstand 2; die Summe von Winkelabstand
1 und Winkelabstand 2 beträgt 180°; und der Winkelabstand
1 liegt im Bereich zwischen 75°–85°.
Die Magnetpole sind so magnetisiert, dass die magnetische Induktion
an der Oberfläche von jedem Magnetpol in der Magnetisierungs-Mitte
maximal wird und die Magnetpole die gleiche magnetische Induktion
bei maximaler Oberfläche aufweisen.
-
Der
Magnet ist aus einem Magnetmaterial einstückig zu einer
im Allgemeinen ringförmigen Form ausgebildet. Der Magnet
in Gestalt eines Rings weist ein im Allgemeinen eckiges bzw. quadratisches Profil
auf; der Innendurchmesser des Magneten ist geringfügig
größer als der Außendurchmesser des Rotors;
der Magnet weist eine ungleichmäßige Stärke
auf, so dass Seitenabschnitte des Magnetes dünnwandig sind
und Eckbereiche des Magneten dickwandig sind; und der Magnet weist
vier Magnetpole auf, die radial magnetisiert sind und deren Polung
in der Umfangsrichtung wechselt. Jeder der Magnetpole ist in Bezug
zu der geometrischen Mittellinie anstatt zu einer Magnetisierungs-Mittellinie
symmetrisch ausgebildet.
-
Effekte gemäß der
Erfindung
-
Gemäß der
vorliegenden Erfindung sind in einem Gleichstrommotor mit Bürsten,
der vier oder mehr Feld- bzw. Magnetpole aufweist, die Mittelpunkt von
einander gegenüberliegenden Magnetpolen zueinander ausgerichtet
bzw. fluchten miteinander, so dass eine Erhöhung von mechanischen
Geräuschen und Schwingungen vermieden wird, und ermöglicht eine
Verschiebung der Bürsten-Umschaltzeitpunkte die Erzeugung
einer Strom-Signalform, anhand der eine Drehbewegung ohne die Notwendigkeit
einer Verwendung einer besonderen Detektionsvorrichtung möglich
ist.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist
ein Längsteilschnitt, der die Auslegung eines Kleinmotors
mit einer viereckigen Außenform zeigt, welcher die vorliegende
Erfindung verkörpert.
-
2 ist
eine Seitenansicht des Motors, der in der 1 gezeigt
ist, und zwar betrachtet von der Kommutatorseite, wobei der Gehäusedeckel
abgenommen ist.
-
3(A) ist eine Seitenansicht eines Motorgehäuses
und 3(B) ist eine Seitenansicht
eines Magneten.
-
4 ist
eine Darstellung, um die Magnetisierung des Magneten zu erläutern.
-
5 ist
eine Ansicht, um die Magnetisierung für das Beispiel eines
zylindrischen Magneten zu erläutern, der in einem Motor
mit einer kreisförmigen Außenform verwendet werden
kann.
-
6 ist
eine Ansicht, um die Magnetisierung eines 8-Pol-Magneten zu erläutern.
-
7(A) ist eine Ansicht, um konzeptionell die Anordnung
der Bürsten zu zeigen, und
-
7(B) ist eine Seitenansicht eines Rotors, betrachtet
von der Kommutatorseite.
-
8 ist
eine Folge von Kurven, die jeweils eine Signalform des Stroms zeigen,
der durch einen Motor fließt, wenn der Winkelabstand zwischen
Magnetpolen von 90°–75° variiert wird.
-
9 ist
ein Schaltschema, das eine herkömmliche Impulsdetektionsschaltung
zeigt, wie diese in dem Patentdokument 1 beschrieben ist und die ausgelegt
ist, um Drehimpulse zu detektieren, die im Zusammenhang mit der
Drehbewegung eines Motors erzeugt werden.
-
10 ist
eine Darstellung, die Ausgangssignale der Impulsdetektionsschaltung
gemäß der 1 zeigt.
-
11 ist
eine Schnittansicht, die einen herkömmlichen Motor zeigt,
der in dem Patentdokument 3 offenbart wird.
-
Beste Weise zum Ausführen
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung wird als nächstes in beispielhafter
Weise beschrieben. Die 1 ist ein Längsteilschnitt,
der die Auslegung eines Kleinmotors zeigt, der eine quadratische
Außenform aufweist und ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt. 2 ist eine
Seitenansicht des in der 1 gezeigten Motors, und zwar
betrachtet von der Kommutatorseite, wobei ein Gehäusedeckel
abgenommen ist. Ein Kleinmotor mit einer viereckigen (quadratischen)
Außenform und mit einem 4-poligen Feldmagneten und sechs
Rotor-Polen wird nachfolgend beschrieben. Die vorliegende Erfindung
kann jedoch bei einem Kleinmotor mit vier oder mehr Magnetpolen
und drei oder mehr Rotor-Polen Anwendung finden. Der Kleinmotor
kann andere Außenformen aufweisen, beispielsweise eine
kreisförmige Außenform.
-
Wie
dargestellt, ist ein Magnet, der zur Ausbildung von Feldpolen dient,
an der Innenumfangsfläche eines Motorgehäuses
angebracht. Das Motorgehäuse ist aus einem metallischen
Material durch Pressformerei rohrförmig und mit geschlossenem Boden
ausgebildet. Eine viereckige Seitenfläche des Motorgehäuses,
die aus Metall besteht und eine im Wesentlichen konstante Blechstärke
aufweist, dient als Joch, das seinerseits als magnetischer Pfad
für den Magneten dient. Das Motorgehäuse sowie
ein Gehäusedeckel, der auf einen Öffnungsab schnitt
des Motorgehäuses aufgesetzt ist, bilden das eigentliche Motorgehäuse
aus. Eine Achse des Rotors ist auf Lagern gelagert, die auf einem
zentralen Abschnitt des Gehäusedeckels und in der Mitte
des Bodenabschnittes des Motorgehäuses vorgesehen sind.
Ein Rotor, der auf die Achse aufgesetzt ist, umfasst eine Rotor-Polanordnung,
die aus einem Polkern und auf den Polkern aufgewickelten Wicklungen
zusammengesetzt ist. Ein Kommutator ist auf der Achse befestigt
und weist an einem Endabschnitt davon einen Varistor (variablen
Widerstand) auf, um Funken zu unterdrücken. Ein Paar (oder
zwei Paare) von Bürsten, die in Berührung mit
dem Kommutator stehen, sind über jeweilige Bürstenarme
von dem Gehäusedeckel abgestützt und werden von
außen über ein Paar von externen Anschlüssen,
die mit den Bürstenarmen verbunden sind, mit Strom versorgt.
-
Die 3(A) und 3(B) sind
Seitenansichten, die das Motorgehäuse bzw. den Magneten zeigen.
Die äußere Form des Magneten ist im Wesentlichen
identisch zu der Innenumfangsform des Motorgehäuses. Der
Magnet ist an der Innenseite des Motorgehäuses eingepresst
oder angeklebt. Die Seite des Motorgehäuses, die als Joch
dient, ist so ausgelegt, dass vier flache Seitenabschnitte (flache Wände),
deren Anzahl gleich der Anzahl der vier Feldpole ist, und vier Eckabschnitte,
deren Anzahl gleich der Anzahl der vier Feldpole ist und die sich
an jeweiligen Ecken zwischen den Seitenabschnitten befinden, kontinuierlich
miteinander zusammengefügt sind. Die Eckabschnitte stützen
den Magneten auf den Innenseiten der Eckabschnitte fest ab und sind
jeweils bogenförmig ausgebildet.
-
Der
Magnet ist in Radialrichtung magnetisiert und weist vier Pole auf,
so dass sich die N-Pole und S-Pole in der Umfangsrichtung abwechseln.
Der dargestellte Magnet ist aus einem magnetischen Material einstückig
zu einer im Allgemeinen ringförmigen Form ausgebildet.
Der ringförmige Magnet weist einen Innendurchmesser auf,
der geringfügig größer als der Außendurchmesser
des Rotors ist, und weist eine ungleichmäßige
Stärke auf, so dass Seitenabschnitte des Magneten dünnwandig
sind und Eckbereiche des Magneten dickwandig sind. Weil, wie vorstehend
ausgeführt, eine ungleichmäßige Magnetdicke
realisiert ist, verringert sich der magnetische Fluss des Magneten
mit zunehmendem Umfangsabstand zu den Umfangsmitten des Eckbereiche
des Magneten (von den dargestellten geometrischen Mittellinien)
allmählich bzw. gleichmäßig, wodurch
ein Blockdrehmoment verringert werden kann. Bei dem in 3(B) gezeigten Magneten sind die Umfangs-Magnetpol-Mitten
(die Ecken der Magnetpole) in einer solchen Weise angeordnet, dass
diese in ihrer Position zu den beiden zueinander orthogonalen geometrischen
Mittellinien verschoben sind (die geometrischen Mittellinien bilden
einen Winkel von 90°). Wie dargestellt, verlaufen bei dem
Motor mit einer quadratischen äußeren Form geometrische
Mittellinien durch die Mitte des Motors sowie durch die Umfangsmitten
der Eckbereiche des Magneten. Die Bürsten sind entlang
der geometrischen Mittellinien angeordnet.
-
Die 4 ist
eine Darstellung, um die Magnetisierung des Magneten zu erläutern.
Wie dargestellt, sind die Magnetpole in Radialrichtung magnetisiert,
und zwar so, dass sich die N-Pole und S-Pole in Umfangsrichtung
abwechseln. Zwei N-Pole liegen einander unter einem Winkelabstand
von 180° gegenüber und zwei S-Pole liegen einander
unter einem Winkelabstand von 180° gegenüber.
Wie dargestellt, befindet sich jeder S-Pol nicht in der in Umfangsrichtung
betrachtet mittigen Position zwischen den N-Polen, sondern befindet
sich an einer Position, die gegenüber der Mittenposition
verschoben ist (Winkelabstand 1 < Winkelabstand
2). In entsprechender Weise befindet sich jeder N-Pol an einer Position,
die gegenüber der in Umfangsrichtung betrachtet mittigen
Position zwischen den S-Polen verschoben ist. Die Magnetisierungsmitte
(Mitte) von jedem der Magnetpole entspricht einer Position, wo die oberflächliche
magnetische Induktion maximal ist. Die Magnetpole sind in einer
solchen Weise magnetisiert, dass diese im Wesentlichen dieselbe
maximale oberflächliche magnetische Induktion aufweisen.
-
Wie
dargestellt ist, sind die Magnetisierungs-Mittelpunkte von zwei
benachbarten Magnetpolen in ihrer Position relativ zu zwei jeweils
orthogonal aufeinander stehenden geometrischen Mittellinien um denselben
Verschiebungswinkel α aufeinander zu bzw. voneinander weg
verschoben. Wie dargestellt ist, sind die vier Magnetpole mit M1
bis M4 bezeichnet. Die Magnetpole M1 und M4 sind so magnetisiert,
dass deren Magnetisierungs-Mittelpunkte in ihrer Position in Bezug
zu der jeweiligen geometrischen Mittellinie um denselben Verschiebungswinkel α aufeinander
zu verschoben sind, und die Magnetpole M2 und M3 sind auch in entsprechender
Weise magnetisiert. Folglich fallen der Mittelpunkt zwischen den
Magnetpolen M1 und M4 und der Mittelpunkt zwischen den Magnetpolen
M2 und M3 (das heißt, die Magnetpol-Umschaltpositionen,
wo die Polarität eines von zueinander benachbarten Magnetpolen
in die Polarität des anderen der zueinander benachbarten
Magnetpole invertiert wird) mit dem Mittelpunkt eines Umschalt-Intervalls
der Bürsten zusammen, die sich auf den jeweiligen geometrischen
Mittellinien befinden.
-
Folglich
sind die Magnetisierungs-Mittelpunkte der Magnetpole M1 und M2 in
Bezug zur den jeweiligen geometrischen Mittellinien um denselben Verschiebungswinkel α voneinander
weg verschoben und sind auch die Magnetisierungs-Mittelpunkte der Magnetpole
M3 und M4 in ihrer Position in entsprechender Weise verschoben.
In entsprechender Weise fallen der Mittelpunkt zwischen den Magnetpolen M1
und M2 und der Mittelpunkt zwischen den Magnetpolen M3 und M4 (das
heißt die Magnetpol-Umschaltposition) mit dem Mittelpunkt
des Bürsten-Umschaltintervalls zusammen.
-
Zwei
benachbarte Winkelabstände zwischen den Magnetisierungs-Mittelpunkten
von benachbarten Magnetpolen (N-Pol und S-Pol) werden als Winkelabstand
1 und Winkelabstand 2 bezeichnet. Gemäß der vorliegenden
Erfindung weichen der Winkelabstand 1 und der Winkelabstand 2 voneinander so
ab, dass der Winkelabstand 1 kleiner ist als der Winkelabstand 2
(Winkelabstand 1 < Winkelabstand 2).
Die Winkelabstände, die einander in Bezug zur Mitte der
Achse gegenüberliegen, sind jeweils gleich. Der Winkelabstand
1 plus der Winkelabstand 2 ist gleich 180°. Mit anderen
Worten, die N-Pole und die S-Pole (deren Magnetisierungs-Mittelpunkte)
befinden sich an jeweiligen Positionen, die hinsichtlich ihrer Position
um denselben Verschiebungswinkel α relativ zu zwei jeweils
aufeinander orthogonal stehenden geometrischen Mittellinien verschoben
sind. Das heißt, die folgende Beziehung gilt: 2 × α + Winkelabstand 1 = Winkelabstand
2 – 2 × α = 90°.
-
Vorzugsweise
liegt der Winkelabstand 1 im Bereich 75°–85° einschließlich
der Grenzwerte, was später beschrieben wird.
-
Wie
vorstehend ausgeführt, sind die Magnetpole gemäß der
vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass deren Magnetisierungs-Mittelpunkte
in ihrer Position verschoben sind. Die Magnetpole können,
in Umfangsrichtung betrachtet, relativ zu den in ihrer Position
verschobenen Magnetisierungs-Mittelpunkten in symmetrischer Weise
ausgebildet sein. Für den Fall des dargestellten Motors,
der eine quadratische äußere Form aufweist, das
heißt von einem geometrischen Standpunkt aus, ist es jedoch
bevorzugt, dass die Magnetpole mit der gleichen Form unter gleichen
Winkelabständen zueinander angeordnet sind. In diesem Fall
sind die Magnetpole in Bezug zu den jeweiligen geometrischen Mittellinien
anstelle zu den jeweiligen Magnetisierungs-Mittellinien der Magnetpole
symmetrisch ausgebildet. Für den Fall, dass der Motor eine
quadratische äußere Form aufweist, fallen der
Mittelpunkt zwischen einander gegenüberliegenden Eckbereichen
des Jochs und der Mittelpunkt zwischen den gegenüberliegenden
Seitenabschnitten des Jochs mit dem Mittelpunkt der Motorachse zu sammen
(das heißt mit den Mittelpunkten der Lager). Außerdem fallen
der Mittelpunkt des Außenradius und der Mittelpunkt des
Innenradius der Eckbereiche des Magneten mit dem Mittelpunkt des
Motors zusammen. Dies erleichtert die Montage des Motors.
-
Jegliches
herkömmlich verwendete Material, beispielsweise Ferrit-Magnet,
Neodym-Magnet oder Kunststoff-Magnet, kann als Material für
den Magneten verwendet werden. Solch ein Magnet kann nach seiner
Magnetisierung, die unter Verwendung eines Magnetfeld-Generators
so erfolgt, dass dieser vier Magnetpole aufweist, in dem Motorgehäuse
befestigt werden. Vorzugsweise wird die Magnetisierung nach der
Befestigung in dem Motorgehäuse vorgenommen. Insbesondere
ist das magnetische Material einstückig in der Form eines
Rings ausgebildet; das ringförmige magnetische Material
wird in das Motorgehäuse eingebaut; und dann wird das ringförmige Magnetmaterial
unter Verwendung eines Magnetfeld-Generators von der Außenseite
des Motorgehäuses her oder von der Innenseite des in dem
Motorgehäuse befestigten magnetischen Materials so magnetisiert,
dass dieser einen 4-poligen Magneten ausbildet.
-
Die 5 ist
eine Darstellung, um ein Beispiel für die Magnetisierung
eines zylindrischen Magneten zu erläutern, der in einem
Motor mit einer kreisförmigen äußeren
Form verwendet werden kann. Weil ein zylindrischer Magnet auch in ähnlicher
Weise wie in der 4 gezeigt magnetisiert werden kann,
sei eine ausführliche Beschreibung der Magnetisierung unterlassen.
-
Die 6 ist
eine Darstellung, um die Magnetisierung eines 8-poligen Magneten
zu erläutern. Der 8-polige Magnet kann auch in einer ähnlichen Weise
wie vorstehend für den 4-poligen Magneten beschrieben magnetisiert
werden. Wie dargestellt, sind ähnlich wie bei dem 4-poligen
Magneten die Magnetpole in Radialrichtung magnetisiert, und zwar
so, dass sich die N-Pole und die S-Pole in Umfangsrichtung abwechseln.
Außerdem liegen die N-Pole einander unter einem Winkelabstand
von 180° gegenüber und liegen die beiden S-Pole
einander unter einem Winkelabstand von 180° gegenüber.
Für den 8-poligen Magneten ist jedoch in der Mitte zwischen zwei
N-Polen (oder zwei S-Polen), die einander unter einem Winkelabstand
von 180° gegenüberliegen, ein weiteres Paar von
N-Polen (oder S-Polen) so angeordnet, dass die N-Pole (oder die
S-Pole) einander unter einem Winkelabstand von 180° gegenüberliegen.
Mit anderen Worten, vier N-Pole (oder S-Pole) sind in Umfangsrichtung
unter gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet.
-
Die
Lagebeziehung zwischen den N-Polen und den S-Polen ist ähnlich
zu der vorstehend für den 4-poligen Magneten beschriebenen
Lagebeziehung. Genauer gesagt befindet sich jeder S-Pol nicht in
der Mittenposition zwischen benachbarten N-Polen, sondern befindet
sich an einer Position, die zu der Mittenposition verschoben ist
(Winkelabstand 1 < Winkelabstand
2). In entsprechender Weise befindet sich jeder N-Pol an einer Position,
die relativ zu der Mittenposition zwischen benachbarten S-Polen
verschoben ist. Folglich sind die Magnetisierungs-Mittelpunkte von
zwei benachbarten Magnetpolen in Bezug zu den jeweiligen geometrischen
Mittellinien in ihrer Position um denselben Verschiebungswinkel α aufeinander
zu oder voneinander weg verschoben. Für den Fall eines
zylindrischen 8-poligen Magneten verlaufen die geometrischen Mittellinien
durch die Mitte und unterteilen den Umfang in gleiche Intervalle von
45°. Beispielsweise ist ein Paar von Bürsten entlang
von zwei zueinander benachbarten geometrischen Mittellinien angeordnet.
-
Als
nächstes wird anhand eines Beispiels für einen
Motor, der einen 4-poligen Feldmagneten und sechs Rotor-Pole aufweist,
die Versorgung der Wicklungen mit Strom anhand der 7(A) und 7(B) beschrieben.
Die 7(A) ist eine Darstellung, die das
wesentliche Prinzip der Anordnung der Bürsten zeigt, und
die 7(B) ist eine Seitenansicht
eines Rotors, der von der Kommutatorseite aus betrachtet wird. Die
Rotor-Anordnung und die Bürsten-Anordnung, die nachfolgend
anhand der 7(A) und 7(B) beschrieben
wird, kann herkömmlich ausgebildet sein, wie dies dem Fachmann
bekannt ist. Ein Paar von Bürsten (auch zwei Paare von
Bürsten können verwendet werden) ist auf der Statorseite
in einer solchen Weise angeordnet, dass deren Positionen mit geometrischen
Mittellinien unter einem Winkelabstand von 90° zwischen
diesen angeordnet sind. Sechs Kommutator-Segmente 1 bis 6 sind
auf der Rotorseite angeordnet, wobei dazwischen Schlitze vorgesehen
sind. Sechs Magnetpol-Kerne des Rotors werden durch in einem Kreis
eingekreiste Bezugszeichen bezeichnet.
-
Die
Schlitze bzw. Spalte zwischen den Kommutator-Segmenten befinden
sich typischerweise an den Mittelpositionen von Armen bzw. Trägern
der Magnetpol-Kerne (an Umfangs-Mittelpositionen der Magnetpol-Kerne).
Typischerweise beginnt eine Wicklung bei dem Kommutator-Segment 1 und
wird diese der Reihe nach auf die Magnetpol-Kerne gewickelt und
mit den Kommutator-Segmenten verbunden, und zwar in der Reihenfolge
Magnetpol-Kern 4, Magnetpol-Kern 1, Kommutator-Segment 2,
Kommutator-Segment 5, Magnetpol-Kern 5, Magnetpol-Kern 2,
Kommutator-Segment 3, Kommutator-Segment 6, Magnetpol- Kern 6,
Magnetpol-Kern 3, Kommutator-Segment 4 und anfängliches
Kommutator-Segment 1.
-
Bei
der 8 handelt es sich um eine Reihe von Kurven, die
jeweils die Signalform eines Stroms zeigen, die durch einen Motor
fließt, wenn der Winkelabstand zwischen benachbarten Magnetpolen von
vier Magnetpolen von 90°–75° variiert
wird. Die 8 zeigt die Ergebnisse einer
tatsächlichen Messung unter Verwendung von tatsächlich
hergestellten Motoren. In der 8(a) ist
ein Fall (gemäß dem Stand der Technik) gezeigt,
der einen Verschiebungswinkel α von 0° und gleichmäßige
Winkelabstände einsetzt (das heißt Winkelabstand
1 = Winkelabstand 2). In den 8(b)–(d) sind Stromsignalformen für
den Fall dargestellt, dass der in 4 oder 5 gezeigte
Winkelabstand 1 (das heißt der kleinere Winkelabstand)
85°, 80° bzw. 75° bezeichnet.
-
In
der 8(a) entsprechen die Grenzen zwischen
Bereichen einer Bürsten-Umschaltposition und auch einer
Magnetpol-Umschaltposition des Magneten. In der Mitte von jedem
der Bereiche sind die oberflächliche magnetische Induktion
von jedem der Magnetpole und eine elektromotorische Gegenspannung
bzw. Induktionsspannung maximal. Jeder der Bereiche, also der Bereich
1, Bereich 2, Bereich 1, Bereich 2, ..., erstreckt sich von einer
Position, an der jede der Bürsten gerade ein Kommutator-Segment zu
berühren beginnt, bis zu einer Position, an der die Bürste
das Kommutator-Segment wieder verlässt. Eine Differenzspannung
zwischen einer konstanten Versorgungsspannung und der elektromotorischen Gegenspannung
bzw. Induktionsspannung wird an die Motorwicklungen angelegt. Wenn
jede der Bürsten ein Kommutator-Segment zu berühren
beginnt, wird eine vergleichsweise hohe Spannung an die Motorwicklungen
angelegt, weil die elektromotorische Gegenspannung bzw. Induktionsspannung
gering ist. Weil die Motorwicklungen jedoch über eine Induktivität
verfügen, steigt der Strom mit einer vorbestimmten Zeitkonstante
an. Nach dem Anstieg fließt der Strom proportional zu der
Differenzspannung zwischen der Versorgungsspannung und der elektromotorischen
Gegenspannung bzw. Induktionsspannung.
-
In
der 8(a) ist die elektromotorische
Gegenspannung in der Mitte von jedem der Bereiche maximal und fällt
die elektromotorische Gegenspannung in der Nähe des Endbereichs
von jedem der Bereicheab, so dass der Strom ansteigt. Dann berührt jede
der Bürsten das nächst benachbarte Kommutator-Segment.
Wenn sich jede der Bürsten von einem Kommutator-Segment
trennt und ein benachbartes Kommutator-Segment berührt,
detektiert ein Im pulsdetektionsabschnitt eine Stromschwankung in
einem Übergangszustand, in welchem der Stromfluss in einem
Bereich abbricht und in einem nachfolgenden Bereich beginnt und
ein impulsförmiges Ausgangssignal erzeugt. Wie vorstehend
ausgeführt, kann jedoch kein ausreichend großes
Impuls-Ausgangssignal erzeugt werden, um eine Motorsteuerung zu
ermöglichen. Insbesondere dann, wenn sich die Bürsten
im Laufe ihrer Verwendung abnutzen, gehen die Bürsten einen über
einen gewissen Oberflächenbereich verteilten Kontakt anstelle
eines punktförmigen Kontakts mit den Kommutator-Segmenten
ein. Dies verringert die Amplitude der Schwankung des Motorstroms
weiter.
-
Als
nächstes werden die Fälle eines Winkelabstands
von 85° bis 75° beschrieben, wie in den 8(b)–(d) gezeigt.
Der Bereich 1 entspricht in diesen Fällen dem in den 4 und 5 gezeigten Winkelabstand
1. Am Ende des Bereichs 1 tritt eine geringe Stromschwankung auf,
die im Zusammenhang mit der Umschaltung der Polarität eines
Magnetpols steht. Unmittelbar nach dem Beginn des Abschnittes 2
trennt sich jede der Bürsten von einem Kommutator-Segment
und gelangt mit einem benachbarten Kommutator-Segment in Berührung.
Zu diesem Zeitpunkt tritt keine Stromschwankung mit einer detektierbaren
Amplitude auf. Als nächstes, und zwar in der Nähe
des Endes des Bereichs 2, der dem Winkelabstand 2 entspricht, fällt
die elektromotorische Gegenspannung bzw. Induktionsspannung ab, so
dass der Strom ansteigt. Außerdem kommt nach einem ausreichenden
Anstieg des Stroms jede der Bürsten in Berührung
mit einem benachbarten Kommutator-Segment. Zu diesem Zeitpunkt wird
die Stromschwankung ausreichend groß. Der Impulsdetektionsabschnitt
detektiert diese Stromschwankung und erzeugt ein Impuls-Ausgangssignal,
wodurch eine Motorsteuerung ausgeführt wird. Es sei angemerkt,
dass die Anzahl von Impulsen, die gemäß der vorliegenden
Erfindung detektiert wird, der Frequenz der Stromumschaltung entspricht,
die bei jedem zweiten Schlitz bzw. Zwischenraum zwischen Kommutator-Segmenten
auftritt, und halb so groß ist wie für einen herkömmlichen
Fall mit einem Winkelabstand von 90° (vgl. 8(a)).
-
Wie
in der 8 gezeigt, steigt die Amplitude einer Schwankung
des Motorstroms an, wenn der Winkelabstand 1 (vgl. 4 oder 5)
abnimmt, wodurch die Erzeugung eines impulsförmigen Ausgangssignals
gewährleistet wird. Es ist jedoch nicht notwendig, die
Amplitude einer Stromschwankung über eine Amplitude bzw.
Größenordnung hinaus zu erhöhen, welche
der Impulsdetektionsabschnitt detektieren kann. Eine Stromschwankung
mit einer unnötig großen Amplitude führt
zur Erzeugung von Motorschwingungen und -geräuschen. Deshalb
wird ein Winkelabstand 1 im Bereich 75°–85°,
einschließlich der Grenzwerte, bevorzugt, weil die dabei
erzeugte Stromschwankung zuverlässig von dem Impulsdetektionsabschnitt
detektiert werden kann und die Amplitude der Stromschwankung nicht
unnötig groß ist.
-
Gemäß der
vorliegenden Offenbarung sind mehrere Ausführungsbeispiele
im Detail zur Erläuterung und in beispielhafter Weise beschrieben
worden. Die Ausführungsbeispiele können jedoch
in verschiedener Weise modifiziert werden, ohne wesentlich von der
neuen technischen Lehre und den vorteilhaften Effekten gemäß der
vorliegenden Erfindung abzuweichen.
-
Zusammenfassung
-
Magnetpole
sind so angeordnet, dass sich die N-Pole und S-Pole in Umfangsrichtung
abwechseln. Zwei N-Pole liegen einander unter einem Winkelabstand
von 180° gegenüber und zwei S-Pole liegen einander
unter einem Winkelabstand von 180° gegenüber.
Jeder Magnetisierungs-Mittelpunkt eines Nord-Magnetpols und jeder
Magnetisierungs-Mittelpunkt eines Süd-Magnetpols ist hinsichtlich
seiner Position von der Mittelposition zwischen den Magnetisierungs-Mittelpunkten
von zwei Magnetpolen der entgegengesetzten Polarität verschoben,
die auf der gegenüberliegenden Seite des Nord- oder Süd-Magnetpols
angeordnet sind. Die Magnetisierungs-Mittelpunkte der Magnetpole
sind in einer solchen Weise angeordnet, dass deren Position relativ
zu geometrischen Mittellinien verschoben ist. Bürsten sind
entlang den jeweiligen geometrischen Mittellinien angeordnet. Die
Positionen der Magnetisierungs-Mittelpunkte von zwei benachbarten
Magnetpolen sind relativ zu den jeweiligen geometrischen Mittellinien
um denselben Verschiebungswinkel α aufeinander zu bzw.
voneinander weg verschoben.
-
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
-
- - JP 2004-297861 [0007]
- - JP 9-222433 [0007]
- - JP 2007-104875 [0007]