DE19919684A1

DE19919684A1 - Drive with brushless electric motor and brushless electric motor

Info

Publication number: DE19919684A1
Application number: DE19919684A
Authority: DE
Inventors: Peter Nadig; Oliver Zirn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2000-11-16
Also published as: WO2000067362A1

Abstract

The invention relates to a drive mechanism with brushless electric motor, notably for tools, which presents marked teeth (1 - 3', 22) in the stator (10) and rotor (20). Armature windings (11, 12, 13) are provided for in grooves in the stator and surround teeth assigned to them. An exciter winding (30) for field excitation is provided for diametrically in grooves in the stator (10). The field is controlled via the rotor teeth, the stator teeth and the ring flow (14) of same. The armature windings are mounted as a three-phase winding and interconnected in the manner of a star connection. To generate the torque a current is applied to the armature windings in blocks by the simultaneous switching off and on of the current. Electronic switches, notably in the form of a three-phase bridge circuit, serve as electronic commutator for switching the armature windings. The exciter winding is connected in series with the electronic switches.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Antrieb mit bürstenlosem elektrischen Motor, insbesondere für Werkzeuge, mit ausgeprägten Zähnen im Stator und im Rotor des Motors gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung und betrifft darüber hinaus einen bürstenlosen elektrischen Motor gemäß dem Anspruch 11.The invention is based on a drive with a brushless electric motor, especially for tools, with distinctive Teeth in the stator and in the rotor of the motor according to that in the preamble of claim 1 defined genus and also concerns a brushless electric motor according to claim 11.

Der sogenannte Universalmotor mit aus Kohlebürsten bestehendem mechanischem Kommutator ist heute der bei Elektrowerkzeugen mit Netzspeisung bevorzugt eingesetzte Motor. Als verschleißfreie bzw. bürstenlose Antriebe werden heute elektronisch kommutierte Gleichstrommaschinen, sogenannte EC-Synchronmotoren, oder Umrichter gespeiste Asynchronmaschinen oder auch geschaltete bzw. synchrone Reluktanzmotoren eingesetzt.The so-called universal motor with carbon brushes mechanical commutator is now the one with power tools Mains supply preferred motor. As wear-free or Brushless drives are electronically commutated today DC machines, so-called EC synchronous motors, or Inverter-fed asynchronous machines or switched or synchronous reluctance motors used.

In dem Artikel "Two new Competitors" von P. J. McCleer, Juli 1998, in der Zeitschrift Appliance Manufacturer, Seite 39 bis 41, ist ein Permanentmagnetmotor beschrieben, der sowohl im Stator als auch im Rotor des Motors ausgeprägte Zähne bzw. Pole aufweist. In den Nuten des Stators sind Ankerwicklungen vorgesehen, welche die zugeordneten Zähne umgreifen. Zur Erregung des elektrischen Feldes sind Permanentmagnete vorgesehen, die zwischen einem inneren und einem äußeren Eisenpaket im Ständer angebracht sind. Darüber hinaus ist eine elektrische Feldwicklung im Stator vorgesehen, welche zur Feldschwächung des permanentmagnetisch erregten konstanten Feldes dient. Dadurch kann die Drehzahl des Motors in größerer Breite durch Feldschwächung bestimmt werden.In the article "Two new Competitors" by P. J. McCleer, July 1998, in the Appliance Manufacturer magazine, pages 39 to 41 a permanent magnet motor described, both in the stator also has pronounced teeth or poles in the rotor of the motor. In the slots of the stator armature windings are provided, which the grasp associated teeth. To excite the electric field permanent magnets are provided between an inner and an outer iron package are attached to the stand. About that in addition, an electrical field winding is provided in the stator, which to permanently weaken the magnetic field constant field. This allows the engine speed to be in larger width can be determined by field weakening.

Ziel und Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, gegenüber dem vorstehend bekannten Motor eine einfachere Version eines elektronisch kommutierten Antriebs mit erhöhten Lebensdauer- Anforderungen zur Verfügung zu stellen, die darüber hinaus kostengünstig ist.The aim and object of the present invention is to previously known engine a simpler version of a electronically commutated drive with increased service life To provide requirements beyond that is inexpensive.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Antrieb mit bürstenlosem elektrischen Motor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, ohne permanentmagnetische Erregung auszukommen, wesentlich einfacher im Aufbau und kostengünstiger zu sein und bietet darüber hinaus für den rauhen Einsatz bei Elektrowerkzeugen mit erhöhter Leistung, die insbesondere vom Netz gespeist werden, eine hohe Wartungsfreiheit mit hoher Dauerleistung und geringen Kosten für Motor und Elektronik.The drive according to the invention with a brushless electric motor has with the characterizing features of claim 1 the advantage of the prior art, without permanent magnetic Excitement to get by, much easier to build and to be cheaper and also offers for the rough Use in power tools with increased performance, the in particular are fed from the grid, a high level of maintenance-free with high continuous output and low costs for engine and Electronics.

Gemäß der Erfindung wird dies prinzipiell dadurch erreicht, daß eine Erregerwicklung für die Felderregung im Stator vorgesehen und diametral im Stator angeordnet ist, die Feldführung über die Zähne des Rotors, die Zähne des Stators und dessen Ringschluß erfolgt, die Ankerwicklungen im Sinne einer Drehstromwicklung angebracht und in Sternschaltung geschaltet sind, die Ankerwicklungen zur Erzeugung des Drehmoments durch gleichzeitiges Ein- und Ausschalten blockweise bestromt werden, zum Schalten der Ankerwicklungen elektronische Schalter, insbesondere in Form einer Drehstrom-Brückenschaltung, als elektronischer Kommutator vorgesehen sind und die Erregerwicklung in Reihe mit den elektronischen Schaltern angeordnet ist.According to the invention, this is principally achieved in that an excitation winding for field excitation is provided in the stator and is arranged diametrically in the stator, the field guidance over the teeth of the rotor, the teeth of the stator and its ring closure, the armature windings attached in the sense of a three-phase winding and are connected in star connection, the armature windings for Generation of torque by simultaneous input and Switch off be energized in blocks, for switching the Armature windings electronic switches, especially in the form of a Three-phase bridge circuit, as an electronic commutator are provided and the excitation winding in series with the electronic switches is arranged.

Durch die in den weiteren Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Antriebs mit bürstenlosem elektrischem Motor möglich.By the measures set out in the other claims advantageous developments and improvements of claim 1 specified drive possible with brushless electric motor.

Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Erregerwicklung in besonderen diametral angeordneten Nuten des Stators eingelegt.According to a particularly advantageous embodiment of the Invention is the excitation winding in particular diametrically arranged grooves of the stator inserted.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Erregerwicklung zweigeteilt und jeweils ein Teil in einer Nut, die im wesentlichen hinter jeweils einem Statorpol angebracht ist, angeordnet, wobei die jeweiligen Statorpole benachbart sind. Dies ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform und erhöht den Erregerfluß allein durch die Geometrie der Anordnung.In an advantageous embodiment, the field winding is divided into two and each part in a groove that is essentially behind is attached to a stator pole, arranged, the respective stator poles are adjacent. This is a special one advantageous embodiment and increases the excitation flow alone through the geometry of the arrangement.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Zahl der Zähne des Stators zur Zahl der Zähne des Rotors im ganzzahligen Verhältnis von 6 : 4 steht. Es sei jedoch angemerkt, daß prinzipiell auch Anordnungen mit vier Stator- und zwei Rotorzähnen denkbar sind.In a further advantageous embodiment it is provided that the Number of teeth of the stator to the number of teeth of the rotor in the integer ratio of 6: 4. However, it should be noted that in principle also arrangements with four stator and two Rotor teeth are conceivable.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebs werden die elektronischen Schalter mit Gleichstrom versorgt, der insbesondere über einen Gleichrichter zuführbar ist, welcher von einem Wechselstrom-Versorgungsnetz gespeist wird. In an advantageous embodiment of the drive according to the invention the electronic switches are supplied with direct current, which can be fed in particular via a rectifier which is provided by an AC power supply is fed.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Erregerwicklung mit aus einem Wechselstrom- Versorgungsnetz erzeugten Gleichstrom gespeist wird. In zweckmäßiger Ausgestaltung ist gemäß einer besonderen Ausführungsform die Erregerwicklung zweigeteilt und je ein Teil davon ist in der wechselstrommäßigen Zuleitung der Gleichrichterbrücke angeordnet.In a further advantageous embodiment of the invention provided that the excitation winding with an alternating current Supply network generated direct current is fed. In expedient design is according to a special Embodiment the excitation winding in two parts and one part of which is in the AC supply line Rectifier bridge arranged.

In alternativer Ausführungsform ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Erregerwicklung zwischen Gleichrichter und Wechselrichter geschaltet. Auf diese Weise dient die Erregerwicklung dem Abpuffern des Netzes und vermeidet das Einstreuen von Kommutierungsstromspitzen in das Netz.In an alternative embodiment is in another advantageous embodiment of the invention, the excitation winding switched between rectifier and inverter. To this The excitation winding serves to buffer the network and avoids the spreading of commutation current peaks into the Network.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, daß die Erregerwicklung als Transformator aufgebaut ist, dessen Primärwicklung an das Netz und dessen Sekundärwicklung an den Gleichrichter gelegt ist.In a further alternative embodiment, in advantageously provided that the excitation winding as Transformer is built, whose primary winding to the network and whose secondary winding is connected to the rectifier.

Vorteilhaft ist es für den gesamten Antrieb, daß die Steuerung der Kommutierungsschaltung mittels eines Mikrokontrollers erfolgt.It is advantageous for the entire drive that the control of the Commutation circuit by means of a microcontroller.

Die Erfindung betrifft auch im Rahmen eines einheitlichen Konzeptes einen bürstenlosen elektrischen Motor, der insbesondere für Werkzeuge verwendet werden kann, und mit ausgeprägten Zähnen im Stator und im Rotor des Motors, mit in Nuten des Stators vorgesehenen Ankerwicklungen, welche die zugeordneten Zähne umgreifen, mit einer Erregerwicklung für die Felderregung im Stator, die diametral in besonderen Nuten im Stator angeordnet ist, und mit Ankerwicklungen, die in Sternschaltung miteinander verbunden sind. Diese Gestaltung des bürstenlosen elektrischen Motors allein, unabhängig davon, wie die Kommutierungsschaltung im einzelnen gestaltet ist, schafft in vorteilhafter Weise einen neuen Motortyp, mit dem insbesondere Werkzeuge auf günstige Weise angetrieben werden können.The invention also relates to a single Concept of a brushless electric motor, which in particular can be used for tools, and with pronounced teeth in the stator and in the rotor of the motor, with in the slots of the stator provided armature windings, which the assigned teeth embrace, with a field winding for field excitation in Stator arranged diametrically in special grooves in the stator is, and with armature windings that are in star connection with each other are connected. This design of the brushless electric Motors alone, regardless of how the commutation circuit in the Individual is designed, creates an advantageous new engine type, with which tools in particular in a favorable way can be driven.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Motors sind in den abhängigen Ansprüchen 12 bis 16 niedergelegt.Further advantageous embodiments of this engine are in the dependent claims 12 to 16 laid down.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des Motors ist vorgesehen, daß die sich in Ausrichtung über einen Luftspalt gegenüberstehenden Flächen von Stator- und Rotorzahn im wesentlichen gleich groß sind und konzentrisch zur Rotorachse ausgerichtet sind.According to an advantageous embodiment of the engine provided that the are in alignment across an air gap opposing surfaces of the stator and rotor teeth in the are essentially the same size and concentric to the rotor axis are aligned.

Entsprechend einer besonders vorteilhaften und zweckmäßigen Ausgestaltung des Motors ist die Nut, in welcher die Erregerwicklung eingelegt ist, im wesentlichen hinter einem der Statorpole vorgesehen, wobei der Magnetfluß über diesen Statorpol möglichst ungeschmälert ist.According to a particularly advantageous and expedient Design of the engine is the groove in which the Excitation winding is inserted, essentially behind one of the Stator poles provided, the magnetic flux through this stator pole is as undiminished as possible.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen bürstenlosen Motors ist vorgesehen, daß bei zweigeteilter Erregerwicklung jeweils ein Teil in einer Nut, die im wesentlichen in radialer Richtung von der Rotorachse aus gesehen hinter der Polfläche des entsprechenden Statorzahns, die dem Rotorpol in dessen Ausrichtung gegenübersteht, angeordnet ist, wobei die jeweiligen Statorpole unmittelbar benachbart sind und der Magnetfluß über jeden Statorpol möglichst ungeschmälert ist.In a particularly advantageous development of this Embodiment of the brushless motor according to the invention provided that one part each with two-part excitation winding in a groove that is substantially in the radial direction from the Rotor axis seen from behind the pole face of the corresponding Stator tooth, the rotor pole in its orientation faces, is arranged, the respective stator poles are immediately adjacent and the magnetic flux over each Stator pole is as undiminished as possible.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß gestalteten Motors ist vorgesehen, daß die Zahl der Zähne des Stators zur Zahl der Zähne des Rotors im ganzzahligen Verhältnis von 6 : 4 steht. In an advantageous development of the designed according to the invention Motors is provided that the number of teeth of the stator to the number of the teeth of the rotor is an integer ratio of 6: 4.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung besteht der Rotor allein aus magnetischem Material.In a further advantageous embodiment, the rotor is made up solely made of magnetic material.

drawing

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen:The invention is illustrated in the drawing Exemplary embodiments in the following description explained. The figures show in detail:

Fig. 1 in axialer Draufsicht ein Schnittbild von Stator und Rotor des erfindungsgemäß gestalteten Motors bzw. Antriebs mit Winkeleinteilung zur Erläuterung der Momenterzeugung; Fig. 1 in the axial plan view, a sectional view of the stator and rotor of the invention designed according to the motor or drive with angular division for explaining the torque generation;

Fig. 2 schematisch in axialer Draufsicht im Schnittbild eine besondere Ausführungsform des Motors mit besonderer Anordnung einer zweigeteilten Erregerwicklung in Nuten hinter Statorpolen; Figure 2 shows schematically in an axial sectional plan view image of a particular embodiment of the engine with a particular arrangement of a two-split field winding in grooves behind stator poles.

Fig. 3-5 schematisch in Draufsicht die Führung des Erregerfeld- Magnetflusses bei verschiedener Winkelposition des Rotors gegenüber dem Stator; Fig. 3-5 schematically in plan view of the excitation magnetic flux at different angular positions of the rotor relative to the stator;

Fig. 6 ein Zeitdiagramm bzw. ein Diagramm in Abhängigkeit des Phasenwinkels ϕ für die drei Ströme I₁, I₂, I₃ in den zugehörigen Ankerwicklungen und die zugehörige Schaltfolge für die den jeweiligen Strom schaltenden Transistoren; Fig. 6 is a time chart and a diagram as a function of the phase angle φ for the three currents I _1, I _2, I ₃ for the respective current switching in the associated armature windings and the associated switching sequence transistors;

Fig. 7 schematisch die Sternschaltung der Ankerwicklungen und die zugehörige sogenannte B6-Drehstrombrücke mit den Transistoren T1 bis T6 und jeweils diesen parallel geschalteten Freilaufdioden, wobei diese Drehstrom- Brückenschaltung die aus elektronischen Schaltern gebildete Kommutierungsschaltung darstellt; Fig. 7 schematically to T6 and respectively these parallel-connected freewheeling diodes, said three-phase bridge circuit represents the star connection of the armature coils and the associated called B6-phase bridge with transistors T1, the commutation circuit formed of electronic switches;

Fig. 8 die lineare Darstellung des erfindungsgemäß gestalteten Motors zur Darstellung der Durchflutungen und wirkenden Kräfte; Figure 8 shows the linear representation of the inventive motor designed for representing the magnetic fluxes and forces.

Fig. 9 eine erste Schaltung zur Versorgung der Drehstrombrücke mit zweigeteilter Feldwicklung, die in der Netzzuleitung des Gleichrichters angeordnet ist;9 shows a first circuit for supplying the three-phase bridge with split field winding, which is arranged in the mains supply line of the rectifier.

Fig. 10 eine weitere Schaltung zur Versorgung der Drehstrombrücke, bei der die Erregerwicklung zwischen Gleichrichter und Kommutator angeordnet ist, in Art eines Tiefsetzstellers; Fig. 10 shows a further circuit for supplying the three-phase bridge in which the excitation winding is arranged between the rectifier and the commutator, in the manner of a step-down converter;

Fig. 11 eine weitere Schaltung zur Versorgung der Drehstrombrücke, bei der die Erregerwicklung zwischen Gleichrichter und Kommutator angeordnet ist, in Art eines Hochsetzstellers, und Fig. 11 shows a further circuit for supplying the three-phase bridge in which the excitation winding is arranged between the rectifier and the commutator, in the manner of a step-up converter, and

Fig. 12 schematisch die Versorgung der Drehstrombrücke und der Erregerwicklung in der Form, daß diese als Transformator ausgebildet ist, bei dem die Sekundärwicklung in der Zuleitung des Gleichrichters des Kommutators und die Primärwicklung am Wechselstromnetz liegt. Fig. 12 shows schematically the supply of the three-phase bridge and the excitation winding in the form that it is designed as a transformer, in which the secondary winding in the feed line of the rectifier of the commutator and the primary winding is on the AC network.

Description of the embodiments

In Fig. 1 ist in axialer Draufsicht ein Schnittbild von Stator und Rotor des erfindungsgemäß gestalteten Motors bzw. Antriebs dargestellt. Der Stator 10 ist mit sechs vorspringenden Zähnen bzw. Polen 1, 2, 3, 1', 2' und 3' versehen. Diese Zähne 1 bis 3' springen nach innen auf die Achse 21 eines Rotors 20 vor. Der Rotor 20 ist mit vier Polen bzw. Zähnen 22 ausgestattet, die von der Achse 21 nach außen hin zeigen, und zwar auf die nach innen auf die Achse 21 hin vom Stator 10 vorspringenden Zähne 1 bis 3'. Der Rotor 20 besteht vollständig aus magnetischem Material und beim Stator 10 sind die Pole bzw. Zähne durch einen magnetischen Ring 14, der alle Zähne ringförmig umschließt, magnetisch miteinander verbunden, so daß dort ein magnetischer Ringschluß hergestellt ist und der Magnetfluß entsprechend fließen kann. Zwischen den nach innen weisenden Flächen der Zähne 1 bis 3' und den nach außen weisenden Zähnen 22 des Rotors 20 ist ein Luftspalt 15 vorhanden, über den der magnetische Schluß von Statorpol zu Rotorpol stattfindet. Dieser Magnetspalt sollte so klein wie möglich sein. Um die einzelnen Pole sind Ankerwicklungen angeordnet, so ist beispielsweise um den Pol 1 und den diametral gegenüberliegenden Pol 1' des Stators 10 die Ankerwicklung 11 angeordnet, um den Statorpol 2 und seinen diametral gegenüberliegenden Pol 2' die Ankerwicklung 12 und um den Pol 3 mit seinem diametral gegenüberliegenden Gegenpol 3' die Ankerwicklung 13. Die Ankerwicklungen 11, 12 und 13 sind in Sternschaltung miteinander verbunden. Zwischen den Polen 3' und 1 und 1' und 3 ist diametral über die Achse 21 hinweg eine Erregerwicklung 30 angebracht, die für die Felderregung im Stator 10 vorgesehen ist.In Fig. 1 in the axial plan view, a sectional view of the stator and rotor of the invention designed according to the motor or drive is illustrated. The stator 10 is provided with six projecting teeth or poles 1 , 2 , 3 , 1 ', 2 ' and 3 '. These teeth 1 to 3 'project inwards onto the axis 21 of a rotor 20 . The rotor 20 is equipped with four poles or teeth 22 which point outwards from the axis 21 , specifically to the teeth 1 to 3 'projecting inwards from the stator 10 towards the axis 21 . The rotor 20 is made entirely of magnetic material and in the stator 10 the poles or teeth are magnetically connected to one another by a magnetic ring 14 which surrounds all the teeth in a ring, so that a magnetic ring closure is produced there and the magnetic flux can flow accordingly. An air gap 15 is present between the inwardly facing surfaces of teeth 1 to 3 'and the outwardly facing teeth 22 of rotor 20 , via which the magnetic closure from stator pole to rotor pole takes place. This magnetic gap should be as small as possible. Armature windings are arranged around the individual poles, for example, armature winding 11 is arranged around pole 1 and diametrically opposite pole 1 'of stator 10, armature winding 12 around stator pole 2 and its diametrically opposite pole 2 ', and around pole 3 its diametrically opposite opposite pole 3 ', the armature winding 13 . The armature windings 11 , 12 and 13 are connected to each other in a star connection. Between the poles 3 'and 1 and 1 ' and 3 an excitation winding 30 is attached diametrically across the axis 21 and is provided for field excitation in the stator 10 .

In Fig. 2 ist schematisch in axialer Draufsicht eine besondere Ausführungsform des Motors mit einer besonderen Anordnung einer zweigeteilten Erregerwicklung dargestellt. Die aus zwei Teilen 31 und 32 bestehende Erregerwicklung ist in besonderen Nuten 34 und 35 untergebracht. Dabei liegt die Nut 34 diametral gegenüber jeweils im wesentlichen in radialer Richtung gesehen hinter dem Statorpol 1 bzw. 1' und die Nut 35 liegt im wesentlichen in radialer Richtung gesehen hinter dem Statorpol 3 und 3'. Zwischen den Polen 1, 1' bzw. 3, 3' und den Nuten 34 bzw. 35 ist noch genügend magnetischer Querschnitt offengelassen zum Ringschluß 14. Die Erregerwicklung 30 ist dabei in zwei Teile 31 und 32 aufgeteilt, was, wie später noch dargestellt wird, bei einer bestimmten Schaltungsanwendung, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist, von besonderem Vorteil ist.In Fig. 2, a special embodiment of the motor is shown schematically in an axial plan view with a special arrangement of a two-part excitation winding. The excitation winding consisting of two parts 31 and 32 is accommodated in special grooves 34 and 35 . The groove 34 is diametrically opposite in each case essentially seen in the radial direction behind the stator pole 1 or 1 'and the groove 35 lies essentially in the radial direction behind the stator pole 3 and 3 '. Between the poles 1 , 1 'and 3 , 3 ' and the grooves 34 and 35, there is still enough magnetic cross-section left for the ring closure 14 . The excitation winding 30 is divided into two parts 31 and 32 , which, as will be shown later, is of particular advantage in a specific circuit application, as shown in FIG. 9.

In Fig. 3 ist in derselben axialen Draufsicht auf Stator 10 und Rotor 20 der Rotor 20 in der Position 0° entsprechend der Einteilung in Fig. 1 dargestellt. Bei einem Strom durch die Erregerwicklung 30, der zwischen den Polen 3' und 1 aus der Ebene herauskommt und zwischen den Polen 1' und 3 in die Ebene hineinfließt, ergibt sich ein Feld um die Erregerwicklung herum, wie es durch die Pfeile 36 bei den Polen 3' und 1 und die Pfeile 37 bei den Polen 1' und 3 im Feldverlauf dargestellt ist. Bei der dargestellten Ausrichtung von 0°, bei der zwei Pole 22 des Rotors 20 mit den Polen 2 und 2' des Stators 10 genau ausgerichtet sind, fließt der Hauptteil des Erregerfeldes über den Ringschluß 14 und die sich gegenüberstehenden Statorpole 2' und 2 sowie die damit ausgerichteten Pole 22 des Rotors 20. Zur Momenterzeugung in Richtung des Drehpfeiles 38 werden die entsprechenden Ankerwicklungen bestromt bzw. ohne Strom gelassen.In FIG. 3, the same axial top view of the stator 10 and rotor 20 shows the rotor 20 in the 0 ° position in accordance with the division in FIG. 1. With a current through the field winding 30 , which comes out of the plane between the poles 3 'and 1 and flows into the plane between the poles 1 ' and 3 , there is a field around the field winding, as is shown by the arrows 36 in the Poles 3 'and 1 and the arrows 37 at poles 1 ' and 3 are shown in the course of the field. In the illustrated orientation of 0 °, in which two poles 22 of the rotor 20 are precisely aligned with the poles 2 and 2 'of the stator 10 , the main part of the excitation field flows via the ring closure 14 and the opposing stator poles 2 ' and 2 as well as the Poles 22 of the rotor 20 aligned therewith. To generate torque in the direction of the arrow 38 , the corresponding armature windings are energized or left without current.

In Fig. 4 ist der Rotor 20 in einer Position von etwa ϕ = 20° dargestellt und zeigt, daß das Erregerfeld über die Pole 1 und 2' und die entsprechend teilweise ausgerichteten Pole 22 in der oberen Hälfte des Rotors 20 fließt sowie über die Pole 1' und 2 und die entsprechend ausgerichteten beiden Pole 22 in der unteren Hälfte des Rotors 20 fließt.In Fig. 4 the rotor 20 is shown in a position of about ϕ = 20 ° and shows that the excitation field flows over the poles 1 and 2 'and the corresponding partially aligned poles 22 in the upper half of the rotor 20 and over the poles 1 'and 2 and the correspondingly aligned two poles 22 flows in the lower half of the rotor 20 .

In der Fig. 5 ist der Flußverlauf dargestellt, wenn zwei sich gegenüberstehende Pole 22 des Rotors 20 mit den Polen 1 und 1' des Stators 10 ausgerichtet sind. Es fließt dann jeweils nur ein geringer Streufluß über die nicht ausgerichteten Pole des Rotors und die diesem benachbarten Pole 2 und 2' bzw. 3 und 3' des Stators 10. Die Erregerwicklung 30, sei sie nun nur eine Wicklung wie in den Fig. 1 und 3 bis 5 vorausgesetzt oder die aus zwei Teilen 31 und 32 bestehende Erregerwicklung entsprechend der Fig. 2, erzeugt den in den Fig. 3 bis 5 bei verschiedenen Rotorstellungen dargestellten Verlauf des Erregerfeldes. Die Induktivität der Erregerwicklung ist idealerweise nicht, praktisch jedoch nur unwesentlich von der Rotorlage abhängig. Dadurch ist die Erregung nahezu unveränderlich mit der Rotorlage und erzeugt somit auch kein Rastmoment.In FIG. 5, the flux flow is shown when two opposing poles 22 are aligned with the poles of the rotor 20 1 and 1 'of the stator 10. Only a small leakage flux then flows over the non-aligned poles of the rotor and the poles 2 and 2 'or 3 and 3 ' of the stator 10 adjacent to it. The excitation winding 30, whether it be provided only one winding as shown in Figs. 1 and 3 to 5 or consisting of two parts 31 and 32 of the exciter winding in accordance with FIG. 2 generates, 3 shown in Figs. To 5 at different rotor positions Course of the excitation field. Ideally, the inductance of the excitation winding is not dependent on the rotor position, but in practice only insignificantly. As a result, the excitation is almost invariable with the rotor position and therefore does not generate any cogging torque.

Anhand der Fig. 6 und der Fig. 7 soll anschließend die Erzeugung des Drehmomentes bei dem erfindungsgemäßen Antrieb und dem erfindungsgemäß gestalteten Motor dargestellt werden. In Fig. 6 ist über dem Winkel 9, der in Fig. 1 gradmäßig und richtungsmäßig dargestellt ist, der Strom I₁ für die Wicklung 11, der Strom I₂ für die Wicklung 12 und der Strom I₃ für die Wicklung 13 aufgetragen. In Fig. 7 ist eine sogenannte B6-Drehstrom-Brückenschaltung mit den Transistoren T1 bis T6, denen jeweils eine Freilaufdiode D parallel geschaltet ist, dargestellt. Diese Drehstrom- Brückenschaltung wird an den Eingängen 71 und 72 mit einer Gleichspannung U versorgt. Die Verbindung der Transistoren T1 und T4 ist an den Anfang der Wicklung 11 gelegt. Die Verbindung der Transistoren T2 und T5 ist an den Anfang der Wicklung 12 gelegt und die Verbindung T3 und T6 ist an den Anfang der Wicklung 13 gelegt. Die Enden der Wicklungen 11, 12 und 13 sind derart miteinander verbunden, daß diese drei Wicklungen in Sternschaltung verbunden sind.With reference to FIG. 6 and FIG. 7, the generation of the torque in the inventive drive and the motor according to the invention designed to be displayed then. The current I ₁ for the winding 11, the current I ₂ for the winding 12 and the current I ₃ in Fig. 6 is above the angle 9, which is shown in degree and directionally in Fig. 1, applied to the winding 13. In Fig. 7 a so-called B6-three-phase bridge circuit is shown to the transistors T1 to T6, where a freewheeling diode D is in each case connected in parallel. This three-phase bridge circuit is supplied with a DC voltage U at the inputs 71 and 72 . The connection of the transistors T1 and T4 is placed at the beginning of the winding 11 . The connection of the transistors T2 and T5 is placed at the beginning of the winding 12 and the connection T3 and T6 is placed at the beginning of the winding 13 . The ends of the windings 11 , 12 and 13 are connected to one another in such a way that these three windings are connected in a star connection.

Die Erzeugung eines Drehmomentes erfolgt in der entsprechend Fig. 1 dargestellten Rotorstellung durch Flußverstärkung an der Wicklung 11 und Flußschwächung an der Wicklung 12. Dazu wird, wie in Fig. 6 am Impuls-Schaubild und in Fig. 7 am Schaltbild dargestellt, der Transistor T1 und der Transistor T5 leitend geschaltet, so daß zwischen ϕ = 0° und 30° ein positiver Strom I₁ und ein negativer Strom I₂ fließt. Durch diese Flußverstärkung und Flußschwächung wird die Anziehung des Rotorzahns an die Wicklung 12 und den Zahn 2 vermindert und an die Wicklung 11 und den Zahn 1 und 1' verstärkt, so daß ein Moment im Uhrzeigersinn entsprechend dem Pfeil 38 in Fig. 3 daraus entsteht. Nachdem der Rotorzahn 22 die ausgerichtete Position von Wicklung 11 und Statorzahn 1 bzw. 1' erreicht hat, was bei dem Wert von ϕ = 30° erreicht ist, wird mit der Wicklung 11 und dem Zahn 1 der Erregerfluß geschwächt und mit der Wicklung 13 und über den Zahn 3 der Erregerfluß verstärkt, so daß wiederum ein Moment im Uhrzeigersinn entsteht. Dazu werden die beiden Transistoren T3 und T4 im Block leitend geschaltet, so daß der Strom I₁ durch die Wicklung 11 den negativen Wert annimmt und der Strom I₃ in Wicklung 13 positiv wird. In Wicklung 12 fließt kein Strom, d. h. der Strom I₂ ist gleich Null. Bei Erreichen des Wertes ϕ = 60° wird durch blockweises Einschalten der Transistoren T2 und T6 dafür gesorgt, daß ein positiver Strom 12 durch die Wicklung 12 zur Feldverstärkung fließt und ein negativer Strom I₃ durch die Wicklung 13 zur Feldschwächung fließt. Bei Erreichen des Wertes ϕ = 90° fängt der Zyklus von vorne an, so daß die Momentenbildung jeweils wie eben beschrieben weitergeht durch das blockweise Einschalten der entsprechenden Transistoren und die damit verbundene blockweise Bestromung der Ankerwicklungen. Die Drehstrombrücke, welche in Fig. 7 gezeigt ist, funktioniert also als elektronischer Kommutator für den Motor und bestromt die Wicklungen 11, 12 und 13 aus der am Eingang 71 und 72 anstehenden Gleichspannung U. Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn zwei paarweise einander zugeordnete Transistoren leitend sind, die anderen vier Transistoren jeweils sperren. Torque is generated in the rotor position shown in FIG. 1 by flux enhancement on winding 11 and flux weakening on winding 12 . For this purpose, as shown in Fig. 6 on the pulse diagram and in Fig. 7 on the circuit diagram, the transistor T1 and the transistor T5 are turned on, so that between ϕ = 0 ° and 30 ° a positive current I ₁ and a negative current I ₂ flows. This flux amplification and flux weakening reduces the attraction of the rotor tooth to the winding 12 and the tooth 2 and increases it to the winding 11 and the tooth 1 and 1 ', so that a clockwise moment corresponding to the arrow 38 in FIG. 3 arises therefrom. After the rotor tooth 22 has reached the aligned position of winding 11 and stator tooth 1 or 1 ', which is reached at the value of ϕ = 30 °, the excitation flow is weakened with winding 11 and tooth 1 and with winding 13 and The excitation flow is strengthened via tooth 3 , so that again a moment arises clockwise. For this purpose, the two transistors T3 and T4 are turned on in the block, so that the current I ₁ through the winding 11 assumes the negative value and the current I ₃ in winding 13 becomes positive. No current flows in winding 12 , ie the current I ₂ is equal to zero. When the value ϕ = 60 ° is reached, the transistors T2 and T6 are switched on in blocks to ensure that a positive current 12 flows through the winding 12 for field amplification and a negative current I _{3 flows} through the winding 13 for field weakening. When the value ϕ = 90 ° is reached, the cycle starts again, so that the torque formation continues as just described by the block-by-block switching on of the corresponding transistors and the associated block-by-block energization of the armature windings. The three-phase bridge, which is shown in Fig. 7, thus functions as an electronic commutator for the motor and energizes the windings 11 , 12 and 13 from the DC voltage U present at the inputs 71 and 72. It should be noted that if two are in pairs associated transistors are conductive, the other four transistors block each.

Die vorstehend beschriebene Momentenbildung ist anhand der Fig. 8 analytisch anhand eines linearen Modells des erfindungsgemäß gestalteten Motors und Antriebs hergeleitet. Der Stator 10 ist mit zwei Zähnen 1 und 2 dargestellt, die von den Ankerwicklungen 11 und 12 jeweils umgeben sind und eine Durchflutung Θ₁ bzw. Θ₂ erzeugen. Weiterhin ist der Stator 10 mit der Erregerwicklung 30 versehen, der die Durchflutung Θ_F erzeugt. Der Rotor 20 ist mit zwei seiner Zähne 22 dargestellt. Zwischen den Zähnen 22 des Rotors 20 und den Zähnen 1 bzw. 2 des Stators 10 besteht der Abstand des Luftspaltes δ. Am linken Zahn 22 des Rotors 20 greift eine Kraft F₁ und am rechten Zahn 22 greift eine Kraft F₂ an. Eine Verschiebung erfolgt in Richtung und um den eingezeichneten Weg x. Die Breite der Zähne 1 und 2 beträgt b und die Länge des gesamten Statorpaketes 1. Daraus ergibt sich ein Luftspalt-Volumen von
The torque generation described above is derived analytically with reference to FIG. 8 using a linear model of the motor and drive designed according to the invention. The stator 10 is shown with two teeth 1 and 2 , which are each surrounded by the armature windings 11 and 12 and produce a flood Θ ₁ and Θ ₂ . Furthermore, the stator 10 is provided with the excitation winding 30 , which generates the flow Θ _F. The rotor 20 is shown with two of its teeth 22 . There is a distance between the air gap δ between the teeth 22 of the rotor 20 and the teeth 1 and 2 of the stator 10 . A force F ₁ acts on the left tooth 22 of the rotor 20 and a force F ₂ acts on the right tooth 22 . A shift takes place in the direction and around the drawn path x. The width of teeth 1 and 2 is b and the length of the entire stator package 1 . This results in an air gap volume of

V₁ = δ.l.(b-x)
V ₁ = δ.l. (bx)

für den Zahn 1 und ein weiteres Luftspalt-Volumen V₂ von Zahn 2 gilt
for tooth 1 and a further air gap volume V ₂ of tooth 2 applies

V₂ = δ.l.x.V ₂ = δ.lx

Für die Kraft gilt allgemein die Gleichung:
The equation generally applies to the force:

bzw. bei homogenem Magnetfeld im Luftspalt:
or with a homogeneous magnetic field in the air gap:

Für die Induktion gilt bei µ_r → ∞
The following applies to induction at µ _r → ∞

für die Induktion im Zahn 1 gilt
applies to induction in tooth 1

und für die Induktion im Zahn 2 gilt
and applies to induction in tooth 2

Für die Kraft F₁, die auf den Zahn 1, bei Schwächung des Erregerflusses wirkt, gilt nach dem Überlagerungsprinzip:
For the force F ₁ , which acts on tooth 1 when the excitation flow is weakened, the following applies according to the superposition principle:

Für die Kraft F₂, die auf den Zahn 2, bei Stärkung des Erregerflusses wirkt, gilt nach dem Überlagerungsprinzip:
For the force F ₂ , which acts on tooth 2 when the excitation flow is strengthened, the following applies according to the overlay principle:

Daraus resultiert die Gesamtkraft
The total strength results from this

wobei für Θ₁ = Θ₂ = Θ_A, Θ_A ist die Ankerdurchflutung, bei der Drehstromtopologie folgt:
where for Θ ₁ = Θ ₂ = Θ _A , Θ _A is the armature flux, with the three-phase topology follows:

Dieses Ergebnis zeigt, daß bei gleichem Strom und gleicher Durchflutung im Vergleich zu einem geschalteten Reluktanzmotor bei gleichem Ankerstrom ein vierfaches Moment erzielt wird. Dies ist ein ganz erheblicher Vorteil vorliegenden Motors und vorliegenden Antriebs.This result shows that at the same current and the same Flooding compared to a switched reluctance motor four times the same armature current is achieved. This is a very significant advantage of the present engine and present Drive.

In Fig. 7 ist die aus sechs Transistoren T1 bis T6 bestehende Kommutierungsschaltung des erfindungsgemäßen Motors anhand einer sechspulsigen Brückenschaltung dargestellt. Diese Brückenschaltung hat an ihrem Eingang 71 und 72 eine Gleichspannung U anstehen. In den Fig. 9 bis 12 wird nachfolgend jeweils eine Speiseschaltung beschrieben, die die Gleichspannung an den jeweiligen Ausgängen 71 und 72 zur Verfügung stellt. Dabei enthalten diese Schaltungen auch jeweils die Integration der Erregung durch die Feldwicklung in verschiedener Weise. FIG. 7 shows the commutation circuit of the motor according to the invention consisting of six transistors T1 to T6 using a six-pulse bridge circuit. This bridge circuit has a DC voltage U applied to its inputs 71 and 72 . In FIGS. 9 to 12, a power supply circuit will be described below, respectively, which provides the DC voltage to the respective outputs 71 and 72 are available. These circuits also contain the integration of the excitation through the field winding in different ways.

Bei dem Beispiel, das in Fig. 9 dargestellt ist, ist eine Netzwechselspannung U_N~ an Eingänge 90 und 91 der Schaltung gelegt. Über einen Triac 92, der über einen variablen Schalter 93 angesteuert werden kann, wird mittels einer Phasenanschnittsteuerung unterschiedlich hohe Eingangswechselspannung an eine aus vier Dioden D1 bis D4 bestehende Gleichrichterbrücke gelegt. In den Wechselstromzuleitungen der Brücke ist jeweils ein Teil 31 bzw. 32 der zweigeteilten Feldwicklung, wie sie beispielsweise in der Fig. 2 dargestellt ist, eingefügt. Die Gleichrichterbrücke arbeitet auf einen Kondensator 95, der als Zwischenkreiskondensator bezeichnet werden kann. Parallel zu ihm ist mit einem Widerstand 94 und in Reihe dazu einem Transistor T_B eine Bremsschaltung eingeführt. Wird der Bremstransistor T_B leitend, dann wird über den Widerstand 94 die Ausgangsspannung kurzgeschlossen, so daß keine Spannung mehr auf den Kommutator gegeben werden kann. Zur Strombegrenzung ist ein Widerstand 96 vor dem Ausgangspol 72 eingefügt, um den durch die Transistoren T1 bis T6 bzw. allgemein durch die elektronischen Schalter fließenden Kommutierungsstrom zu begrenzen, damit diese elektronischen Schaltelemente keinen Schaden nehmen. Bei der Schaltung entsprechend Fig. 9 ist zu beachten, da die zweigeteilte Erregerwicklung 31 und 32 jeweils einen Teil in den Wechselspannungszuleitungen der Gleichrichterbrücke zu liegen haben, daß die Erregung des Motors mit der Netzfrequenz wechselt. In Anpassung daran, ist die Ansteuerung der Schaltelemente im Kommutator entsprechend zeitlich und von der Rotorlage abhängig anzupassen. Zur Steuerung des Kommutators bzw. der elektronischen Schaltelemente ist vorzugsweise ein entsprechend programmierter Mikroprozessor vorgesehen.In the example shown in FIG. 9, an AC mains voltage U _N ~ is applied to inputs 90 and 91 of the circuit. Via a triac 92 , which can be controlled via a variable switch 93 , input alternating voltage of different levels is applied to a rectifier bridge consisting of four diodes D1 to D4 by means of a phase control. A part 31 or 32 of the two-part field winding, as is shown, for example, in FIG. 2, is inserted in the AC supply lines of the bridge. The rectifier bridge works on a capacitor 95 , which can be referred to as an intermediate circuit capacitor. A braking circuit is introduced in parallel with a resistor 94 and in series with a transistor T _B. If the brake transistor T _B becomes conductive, the output voltage is short-circuited via the resistor 94 , so that no more voltage can be applied to the commutator. To limit the current, a resistor 96 is inserted in front of the output pole 72 in order to limit the commutation current flowing through the transistors T1 to T6 or generally through the electronic switches, so that these electronic switching elements are not damaged. In the circuit according to FIG. 9, it should be noted that the two-part excitation windings 31 and 32 each have a part in the AC supply lines of the rectifier bridge that the excitation of the motor changes with the mains frequency. In adaptation to this, the activation of the switching elements in the commutator must be adapted accordingly in terms of time and depending on the rotor position. A suitably programmed microprocessor is preferably provided to control the commutator or the electronic switching elements.

Auch die Versorgungsschaltung, die in Fig. 10 dargestellt ist, enthält einen aus den Dioden D1 bis D4 gebildeten Vollweggleichrichter, der an den Eingangsklemmen 90 und 91 mit der Netzwechselspannung U_N~ gespeist wird. Der arithmetische Mittelwert der Zwischenkreisspannung wird mittels Tiefsetzsteller mit Hilfe eines Transistors T gesteuert. Die Erregerwicklung 30 liegt in Reihe mit den Ankerwicklungen und wird vom Gesamtkommutierungsstrom durchflossen. Auch hier ist wieder ein Kondensator 95 und ein Strombegrenzungswiderstand 96 wie in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 9 vorgesehen sowie ein Bremstransistor T_B, zu dessen Schaltstrecke eine Diode D5 als Freilaufdiode parallel geschaltet ist. Bei dieser Schaltung wechselt die Erregung nicht in ihrer Polarität.The supply circuit, which is shown in FIG. 10, also contains a full-wave rectifier formed from the diodes D1 to D4, which is fed at the input terminals 90 and 91 with the AC line voltage U _N ~. The arithmetic mean value of the intermediate circuit voltage is controlled by means of a buck converter using a transistor T. The excitation winding 30 is in series with the armature windings and the total commutation current flows through it. Here, too, a capacitor 95 and a current limiting resistor 96 are provided, as in the circuit arrangement according to FIG. 9, and a brake transistor T _B , to the switching path of which a diode D5 is connected in parallel as a freewheeling diode. With this circuit, the excitation does not change in polarity.

Die in Fig. 11 dargestellte Versorgungsschaltung ist in vielen Teilen gleich aufgebaut wie die Schaltung gemäß Fig. 10. Der wesentliche Unterschied besteht jedoch darin, daß sie als Hochsetzsteller aufgebaut ist. Dazu ist der Transistor T im Querzweig zwischen der Erregerwicklung 30 und dem einen Pol des Gleichrichters D1-D4 angeordnet. Die Diode D5 ist zwischen den Anschluß des Transistors T und dem Gleichspannungsausgang 71 mit ihrer Dioden-Kathoden-Strecke eingebaut. Diese Schaltung schafft die Möglichkeit, die Erregung zu beeinflussen. Der Erregerstrom kann über den Transistor T geführt werden, auch dann, wenn kein Ankerstrom abgefordert wird. Durch die ermöglichte hohe Spannung am Ausgang 71, 72 können hohe Drehzahlen erreicht werden.The supply circuit shown in FIG. 11 is constructed in many parts in the same way as the circuit according to FIG. 10. The main difference, however, is that it is constructed as a step-up converter. For this purpose, the transistor T is arranged in the shunt arm between the excitation winding 30 and the one pole of the rectifier D1-D4. The diode D5 is installed between the connection of the transistor T and the DC voltage output 71 with its diode-cathode path. This circuit creates the possibility to influence the excitation. The excitation current can be conducted via the transistor T, even if no armature current is required. The high voltage at the output 71 , 72 enables high speeds to be achieved.

In der Schaltungsanordnung, die in Fig. 12 dargestellt ist, wird die Eingangsnetzspannung U_N~ an den Eingängen 90 und 91 wiederum über einen Triac 92 mittels eines Schalters 93 in Phasenanschnittsteuerung in der Höhe variiert. Diese Eingangsspannung wird auf die Primärseite 131 eines Transformators 130 gegeben, dessen Sekundärseite 132 mit den beiden Wicklungsenden den Eingang zu dem aus den Dioden D1 bis D4 bestehenden Vollweggleichrichter bilden. Der eine Pol des Gleichrichters ist direkt auf den Ausgang 71 und der andere Pol des Gleichrichters über den Strombegrenzungswiderstand 96 auf den anderen Ausgang 72 der Spannungsversorgungsschaltung gelegt. Auch hier ist wiederum die Reihenschaltung aus einem Widerstand 94 und aus einem Bremstransistor T_B parallel zum Ausgang des Gleichrichters gelegt. Parallel dazu wiederum ein Kondensator 95 zur Stabilisierung der Ausgangsspannung U. Der Transformator 130 bildet die Erregerwicklung und dient sowohl zu galvanischen Trennung als auch zur Spannungstransformation zwischen Netz und Kommutator. Durch diese Schaltung ist es möglich, preisgünstige Leistungshalbleiter für kleine Spannungen einzusetzen. Allerdings eignet sich diese Schaltung prinzipbedingt aufgrund des Transformatorvolumens nur für verhältnismäßig kleine Motorleistungen. Anstelle des Transformators in Fig. 12 ist es auch möglich, eine Nebenschluß-Erregerwicklung vorzusehen. Die Erregung ist dann nicht mehr vom Belastungszustand des Antriebes bzw. von den Ankerströmen abhängig und es ergibt sich ein Nebenschlußverhalten des Antriebs. Dies kann auch, bei entsprechender Schaltung des Transistors T im Querzweig, für Hochsetzsteller gemäß Fig. 11 gelten.In the circuit arrangement shown in FIG. 12, the input mains voltage U _N ~ at the inputs 90 and 91 is again varied in height via a triac 92 by means of a switch 93 in phase control. This input voltage is applied to the primary side 131 of a transformer 130 , the secondary side 132 of which, with the two winding ends, forms the input to the full-wave rectifier consisting of diodes D1 to D4. One pole of the rectifier is connected directly to the output 71 and the other pole of the rectifier is connected to the other output 72 of the voltage supply circuit via the current limiting resistor 96 . Here, too, the series circuit comprising a resistor 94 and a braking transistor T _{B is connected in} parallel to the output of the rectifier. In parallel, again a capacitor 95 for stabilizing the output voltage U. The transformer 130 forms the field winding and is used both for electrical isolation and for voltage transformation between the network and the commutator. This circuit makes it possible to use inexpensive power semiconductors for low voltages. However, due to the principle of the transformer volume, this circuit is only suitable for relatively small motor outputs. Instead of the transformer in Fig. 12, it is also possible to provide a shunt excitation winding. The excitation is then no longer dependent on the load condition of the drive or on the armature currents and the shunt behavior of the drive results. This can also apply to step-up converters according to FIG. 11 if the transistor T is connected appropriately in the transverse branch.

Die Erfindung schafft einen elektronisch kommutierten Reihenschlußmotor mit einer oder zwei Feldwicklungen in einem genuteten Stator. Diese Feldwicklung ist in Reihe mit einer Kommutierungselektronik gestaltet. Das Erregerfeld weist somit einen periodischen Zeitverlauf auf. Die Kommutierungselektronik sorgt für das Bestromen der jeweils Moment bildenden Ankerwicklungen des Stators in blockweiser Art einzelner Phasen.The invention creates an electronically commutated Series motor with one or two field windings in one grooved stator. This field winding is in series with one Commutation electronics designed. The field of excitation thus points a periodic course of time. The commutation electronics ensures the energization of the moment forming Armature windings of the stator in blocks of individual phases.

Bei diesem so gestalteten bürstenlosen Motor und Antrieb entfällt in vorteilhafter Weise der mechanische Kommutator, der durch eine Kommutierungselektronik ersetzt wird. Die Ankerwicklung wird gegenüber einem Universalmotor durch eine Drehfeldwicklung ersetzt. Die Vorteile liegen in verschiedenen Aspekten. So ist die Verschleißfreiheit durch Wegfall der Bürsten gegeben, wobei die Lebensdauer des Motors nur noch durch die Lebensdauer der Lager begrenzt wird. Mit kleinem Aufwand sind Zusatzfunktionen einfach zu realisieren, wie beispielsweise die Strombegrenzung, die Drehzahlregelung, das Bremsen und das Installieren eines Betriebsstundenzählers. Die Kommutierung erfolgt wie beim geschalteten Reluktanzmotor durch gleichzeitiges Schalten und blockweises Bestromen einzelner Phasen. Gegenüber diesem Motortyp weist der erfindungsgemäß geschaffene elektronisch kommutierte Reihenschlußmotor verschiedene Vorteile auf. So werden die Ankerwicklungen besser ausgenutzt. Bei gleichem Maximalstrom, der ein Bemessungskriterium für die Leistungshalbleiter darstellt, sowohl in Erregerwicklung als auch in den Ankerwicklungen kann gegenüber dem geschalteten Reluktanzmotor das vierfache Moment erreicht werden. Durch die Erregung des Motors werden vergleichsweise kleine Magnetisierungsenergien beim Umkommutieren der Ankerwicklungen mit dem Netz getauscht. Dadurch fällt die Notwendigkeit eines Zwischenkreises mit großen Speicherkapazitäten weg. Die Feldwicklungen dienen als passive oder aktive Eingangsfilter und vermindern damit Rückwirkungen der schaltenden Leistungshalbleiter in das Netz, wodurch das EMV-Verhalten wesentlich nachhaltig verbessert wird. Die Bestromung der in Sternschaltung ausgeführten Ankerwicklung kann durch preisgünstige marktgängige, in großen Stückzahlen für Asynchronmotoren produzierte Umrichterschaltungen, insbesondere bei Drehstromkommutierung mit B6-Brücken, realisiert werden.This brushless motor and drive are no longer required advantageously the mechanical commutator, which is controlled by a Commutation electronics is replaced. The armature winding will compared to a universal motor through a three-phase winding replaced. The advantages lie in various aspects. That's how it is No wear due to the elimination of the brushes, the Lifetime of the motor only through the lifespan of the bearings is limited. Additional functions are simple with little effort to realize, such as the current limitation that Speed control, braking and installing one Operating hours counter. The commutation is the same as for the switched reluctance motor by simultaneous switching and energizing individual phases in blocks. Compared to this engine type has the electronically commutated created according to the invention Series motor has various advantages. So they will Armature windings better used. At the same maximum current, the represents a design criterion for the power semiconductors, can both in the field winding and in the armature windings four times the torque compared to the switched reluctance motor can be achieved. Be excited by the motor comparatively small magnetization energies when commutating exchanged the armature windings with the network. This makes the Need for an intermediate circuit with large storage capacities path. The field windings serve as passive or active Input filters and thus reduce the effects of the switching Power semiconductors in the network, causing the EMC behavior is significantly improved sustainably. The energization of the in Star connection armature winding can be carried out by inexpensive commercially available, in large numbers for asynchronous motors produced converter circuits, especially at Three-phase commutation with B6 bridges.

Der erfindungsgemäß gestaltete Antrieb mit bürstenlosem elektrischem Motor und der bürstenlose elektrische Motor selbst sind insbesondere für den Einsatz bei Elektrowerkzeugen besonders geeignet. Hierbei kommt es auf der einen Seite auf erhebliche Robustheit des ganzen Aufbaus und hohe Dauerlastfähigkeit an, andererseits sind die Anforderungen an Regelgüte, pulsierendes Moment und pulsierende Leistung nicht so wesentlich. Entscheidend ist eine hohe Dauerleistung bei größtmöglicher Zuverlässigkeit und geringen Kosten. Dies wird mit der Erfindung erreicht.The drive designed according to the invention with brushless electric motor and the brushless electric motor itself are particularly suitable for use with power tools suitable. On the one hand, it comes to considerable Robustness of the entire structure and high continuous load capacity, on the other hand, the requirements for control quality are pulsating Moment and pulsating performance are not that important. Crucial is a high continuous output with the greatest possible reliability and low cost. This is achieved with the invention.

Claims

1. Drive with brushless electric motor, in particular for tools, with pronounced teeth ( 1-3 '; 22 ) in the stator ( 10 ) and in the rotor ( 20 ) of the motor, armature windings ( 11 , 12 , 13 ) provided in slots in the stator which encompass the assigned teeth and with field excitation, characterized in that
that an excitation winding ( 30 ; 31 , 32 ) is provided for field excitation in the stator ( 10 ) and is arranged diametrically in the stator,
the field guidance takes place via the teeth ( 22 ) of the rotor ( 20 ), the teeth ( 1-3 ') of the stator ( 10 ) and its ring closure ( 14 ),
the armature windings ( 11 , 12 , 13 ) are attached in the sense of a three-phase winding and are connected in a star connection,
the armature windings ( 11 , 12 , 13 ) for generating the torque are energized in blocks by simultaneous switching on and off,
for switching the armature windings electronic switches (T1-T6), in particular in the form of a three-phase bridge circuit, are provided as an electronic commutator and
the field winding ( 30 ; 31 , 32 , 130 ) is arranged in series with the electronic switches.

2. Drive according to claim 1, characterized in that the excitation winding ( 30 , 31 , 32 ) is inserted in special diametrically arranged grooves of the stator ( 10 ).

3. Drive according to claim 2, characterized in that the excitation winding ( 31 , 32 ) is divided into two and each has a part in a groove ( 34 , 35 ), which is essentially behind a stator pole ( 1 , 1 '; 3 , 3 ') ) is attached, is arranged, the respective stator poles ( 1 , 1 '; 3 , 3 ') being adjacent.

4. Drive according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the number of teeth ( 1-3 ') of the stator ( 10 ) to the number of teeth ( 22 ) of the rotor ( 20 ) is in an integer ratio of 6 to 4 .

5. Drive according to one of the preceding claims characterized in that the electronic switches (T1-T6) with DC are supplied, in particular via a Rectifier (D1-D4) can be supplied by one AC supply network is fed.

6. Drive according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation winding ( 30 ) is fed with direct current generated from an AC supply network.

7. Drive according to claim 6, characterized in that the excitation winding ( 31 , 32 ) is divided into two and a part is arranged in the AC supply line of the rectifier bridge (D1-D4) ( Fig. 9).

8. Drive according to claim 6, characterized in that the excitation winding ( 30 ) between the rectifier (D1-D4) and the inverter (T1-T6) is connected ( Fig. 10, 11).

9. Drive according to claim 5, characterized in that the excitation winding is constructed as a transformer ( 230 ), the primary winding ( 131 ) of which is connected to the network ( 90 , 91 ) and the secondary winding ( 132 ) to the rectifier (D1-D4) ( Fig. 12).

10. Drive according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the control of the commutation circuit by means of a microcontroller.

11. Brushless electric motor, in particular for tools, with pronounced teeth ( 1-3 '; 22 ) in the stator ( 10 ) and in the rotor ( 20 ) of the motor,
with armature windings ( 11 , 12 , 13 ) provided in slots of the stator ( 10 ), which engage around the assigned teeth ( 1-3 '),
with an excitation winding ( 30 ; 31 , 32 , 130 ) for field excitation in the stator ( 10 ), which is arranged diametrically in special slots in the stator, and
with armature windings ( 11 , 12 , 13 ) which are connected in a star connection.

12. Motor according to claim 11, characterized in that the faces of the stator ( 1-3 ') and the rotor tooth ( 22 ) which are in alignment via an air gap ( 15 ) are essentially of the same size and are aligned concentrically with the rotor axis ( 21 ) .

13. Motor according to claim 11 or 12, characterized in that the groove ( 34 , 35 ), in which the excitation winding ( 30 , 31 , 32 ) is inserted, is provided essentially behind one of the stator poles ( 1-3 '), the magnetic flux through this stator pole is as undiminished as possible.

14. Motor according to claim 11 or 12, characterized in that with two-part excitation winding ( 31 , 32 ) each have a part in a groove ( 34 , 35 ), which is seen essentially in the radial direction from the rotor axis ( 21 ) behind the pole face of the corresponding stator tooth ( 1 , 1 '; 3 , 3 ') which faces the rotor pole ( 22 ) in its orientation, the respective stator poles ( 1 , 1 '; 3 , 3 ') being immediately adjacent and the magnetic flux is undiminished as possible over each stator pole.

15. Motor according to one of claims 11-14, characterized in that the number of teeth ( 1-3 ') of the stator ( 10 ) to the number of teeth ( 22 ) of the rotor ( 20 ) is in an integer ratio of 6 to 4 .

16. Motor according to one of claims 11-15, characterized in that the rotor ( 20 ) consists solely of magnetic material.