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Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor, der zur Erzeugung einer Rotationsbewegung oder eines elektrischen Stromes einsetzbar ist, welcher die Effektivität und Eigenschaften von der Felddichte, der Leistung, der Laufruhe, der Anlaufgeschwindigkeit und der reibungsfreien Bremse eines Elektromotors steigert, Rastmomente verringert und gleichmäßige Kraftübertragung während der Übergänge der Schaltstufen gewährleistet, wobei der Rotorkern von innen und von außen mit Feldkraft durchströmt wird.
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Die Erfindung ist besonders gut geeignet für Mobilmotoren und kann auch Schrittmotoren ersetzten, die präzise und genaue Aufgaben durchführen.
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Diese besteht aus einem zylindrischem inneren und äußeren Doppelständerkern und einer Welle in einem Gehäuse gelagertem Rotor, wobei der innere Ständerkern, äußere Ständerkern und der Rotor jeweils mit einem Feldantrieb in Form von Dauermagneten und/oder Spulen, zur Erzeugung mindestens eines magnetischen Kraftfeldes, bestückt sind.
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Wobei der Rotorkern als hohlzylindrischer Rotor ausgeführt und in einem Raum in axialer Längsrichtung zwischen äußerem Ständerkern und innerem Ständerkern angeordnet und drehbar gelagert ist.
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Ein prinzipieller Nachteil von Elektronmotoren ist das sogenannte Rastmoment, im englischen auch als „cogging Toque“ bezeichnet. Dieses Phänomen tritt bei allen elektrischen Maschinen auf, bei denen die Magnete von einem Ständer und von einem Rotor jeweils aus magnetisch sehr leitfähigem Material, wie z. B. Eisen, getragen werden. Die Elektromagnete im Ständer sind Spulen aus z. B. Kupferdraht, der zwar elektrisch besonders gut leitet, nicht jedoch magnetisch. Der Kern dieser Spulen sind die sog. Zähne des Ständers, die aus dem magnetisch sehr gut leitenden Material bestehen.
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Bei der Drehung des Motors befindet sich, an den Grenzen des Luftspaltes, jeder der Dauermagneten auf dem Rotor, und zwar abwechselnd, erst gegenüber von einem Zahn des Ständers und danach gegenüber von den Kupferdrahtwicklungen der Elektromagnete. Dabei fließt der magnetische Fluss aus den Permanentmagneten des Rotors heraus, vorrangig in radialer Richtung durch den Luftspalt hindurch, und trifft dann bei der Drehung des Motors im Ständer abwechselnd auf einen sehr hohen und dann wieder auf einen sehr niedrigen magnetischen Widerstand.
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Dadurch ändert sich jeweils der Betrag des Magnetflusses und zwar schlagartig. Weil der Betrag dieses Magnetflusses den Betrag des vom Rotor abgegebenen mechanischen Drehmomentes bestimmt, ändert sich damit auch das Motordrehmoment schlagartig.
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Das Ergebnis ist eine Schwankung des Motordrehmomentes um einen Mittelwert, das sog. Rastmoment.
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Dieser Effekt führt zu einem unruhigen und vibrierenden Lauf, insbesondere bei kleinen Drehzahlen, was bei einem drehzahlvariablen Motor unerwünscht ist.
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Ein anderer Effekt dieser Rastmomente ist, dass der Rotor nach dem elektrischen Abschalten der Maschine nur in bestimmten Winkelstellungen stehen bleibt.
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Um die Rastmomente zu reduzieren sind auf aktuellem Stand der Technik verschiedene Vorschläge bekannt.
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Nachteilig ist auch, dass die kompensierten Rastmomente nicht für eine Erzeugung von an der Motorwelle verfügbaren Drehmoments eingesetzt werden können, sondern nur den Wirkungsgrad des Motors verschlechtern.
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Auch Schrittmotoren haben einen Nachteil, denn wie klein auch die Länge eines Schrittabstandes ist, es wird zwischen aufeinander folgenden Schritten eine tote Zone geben, die nicht erreichbar ist.
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Auf diesem Hintergrund ist der Erfindung die Aufgabe gestellt, einen Elektromotor vorzubringen, bei dem die Rastmomente nicht oder nur in deutlich geringerem Umfang als beim bisherigen Stand der Technik entstehen und nach dem elektrischen Abschalten der Maschine der Rotor in jeder Winkelstellung stehen bleiben kann, die durch Gleichstrom mit hohem Wirkungsgrad, hoher Leistung, Laufruhe und mit geringer Vibration während des Anlaufs betreibbar ist.
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Insbesondere sollen dafür keine zusätzlichen Bauteile oder Baugruppen hinzugefügt werden, sondern nur die Form und die Dimensionen, der bisher für einen Rotor eines Elektromotors erforderlichen Teile, verändert werden.
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Auf diesem weiteren Hintergrund ist der Erfindung auch die Aufgabe gestellt einen Elektromotor vorzubringen, bei dem geringe Rastmomente entstehen, welcher durch hohe Leistung, hohe Laufruhe, hohe Anlaufgeschwindigkeit und fließende Schaltübergänge gewährleistet werden.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Ständer durch einen inneren und äußeren Ständer ausgeführt und der Rotor 2 als zylindrischer Hohlrotor 2 ausgeführt ist und sich in einem Raum in axialer Längsrichtung zwischen äußerem Ständerkern 4a und innerem Ständerkern 4e befindet und dort drehbar angeordnet ist.
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Am äußeren Ständerkern ist mindestens eine Feldspule und am inneren Ständerkern mindestens ein Dauermagnet angeordnet, wobei innerem und äußerem Umfeld des Hohlrotors jeweils mindestens zwei Polschuhe angeordnet sind, welche mit Spulen versehen sind.
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Sodass durchgehend ein stabiler Magnetfluss aus Feldspulen und Dauermagneten, durch die Magnetfelder der Spulen, steuerbar ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist Gegenstand der Unteransprüche. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben.
- 1 Prinzipieller Aufbau und Querschnitt eines Motors
- 2 Der Hohlrotorkern
- 3 Steuerung der Spulen 5a/e über ein Kommutator 8
- 4 Schaltstufen eines Arbeitstaktes
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau mitunter eines Querschnittes eines Elektromotors 1.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor, der zur Erzeugung einer Rotationsbewegung oder eines elektrischen Stromes einsetzbar ist, welcher die Effektivität und Eigenschaften von Felddichte, Leistung, Laufruhe, Anlaufgeschwindigkeit und reibungsfreier Bremse eines Elektromotors steigert, Rastmomente verringert und gleichmäßige Kraftübertragung während der Übergänge der Schaltstufen gewährleistet, wobei der Rotorkern von innen und von außen mit Feldkraft durchströmt wird.
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Dieser ist durch eine Welle 3 in einem Gehäuse gelagerten Rotor 2 und einem Ständer 4 ausgeführt, wobei der Ständer 4 als innerer Ständerkern 4a und äußerer Ständerkern 4e in zwei Teile ausgeführt ist, wobei der Rotor 2 als hohlzylindrischer Rotor 2 ausgeführt ist und sich in einem Raum in axialer Längsrichtung zwischen äußerem Ständerkern 4a und innerem Ständerkern 4e befindet und dort angeordnet ist und mindestens über eine Verbindung 9 an der vorderen Stirnseite mit der Welle 3 verbunden und drehbar gelagert ist,
wobei durch eine Welle 3 in einem Gehäuse gelagerten Rotor 2 und einen zylindrischen Ständerkern 4 jeweils mit Spulen und/oder Dauermagneten zur Erzeugung mindestens eines magnetischen Kraftfeldes ausgeführt ist.
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Der Ständer 4 wird als innerer Ständerkern 4a und äußerer Ständerkern 4e in zwei Teilen ausgeführt, wobei mindestens eines der Ständerkerne 4a und/oder 4e, mit einem magnetischen Feldantrieb in Form von Feldspulen 6 und/oder Dauermagneten 7 versehen ist.
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Wobei dem äußeren Ständerkern 4e mindestens eine Feldspule 6 angeordnet und dem inneren Ständerkern 4a mindestens ein Dauermagnet 7 angeordnet werden.
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Die magnetischen Felder des äußeren und inneren Ständerkerns 4a, 4e sind über Feldspulen 6 und/oder Dauermagneten 7 erzeugt, die jeweils in zwei magnetische Polbereiche n, s ausgeführt sind., wobei diese Polbereiche sich jeweils 180 Grad um das Ständerfeld 4a, 4e erstrecken und magnetisch gleichgerichtet sind.
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Der Rotorkern 2 wird als hohlzylindrischer Rotor ausgeführt und in einem Raum in axialer Längsrichtung zwischen äußerem Ständerkern 4e und innerem Ständerkern 4a angeordnet und dort drehbar gelagert.
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Dem äußeren Umfeld und dem inneren Umfeld des Hohlrotorkerns 2a, 2e werden jeweils mindestens drei Polschuhen-Spulenkerne 2.1, 2.2, 2.3 (für Ungerade Anzahl der Spulen) angeordnet oder mindestens vier Polschuhen 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, (für Geradeanzahl der Spulen) angeordnet und die jeweils mit Spulen (5a, 5e) versehen.
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Wobei für Ungerade Anzahl der Spulen 5, wird zwei Spulen 5a mit 5e verpaart werden und für Ungerade Anzahl der Spulen 5, wird 5a mit 5a und 5e mit 5e verpaart werden. (Verpaarung = zwei Spulen 5, die 180 Grad versetz zueinander am inneren oder äußeren Rotorumfang angeordnet ist, Zeitgleich Umgeschaltet werden)
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Wobei die magnetischen Felder des Rotorkerns 2 über mehrere Spulen 5a, 5e steuert werden, wird das inneren und äußeren Rotorfeld jeweils in zwei magnetische Polbereiche n, s unterteilen.
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Wobei die Magnetachse der magnetischen Polbereiche (n, s) des Rotorkerns 2 zur Magnetachse der magnetischen Polbereiche (n, s) des äußeren und inneren Ständerkerns 4e, 4a um die Drehachse um 90 Grad versetzt angelegt sind.
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Sodass ein hoher Magnetfluss der Feldspulen 6 und/oder Dauermagneten 7 durch die Magnetfelder der Spulen 5a, 5e steuerbar ist.
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2 zeigt den Aufbau eines Hohlrotorkerns.
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Dem äußeren Umfeld des Hohlrotorkerns 2e werden mindestens zwei Polschuhpaare/Spulenkerne 2.1e - 2.3e und 2.2e - 2.4e angeordnet, die jeweils mit Spulen 5e versehen sind.
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Und dem inneren Umfeld des Hohlrotorkerns 2a werden mindestens zwei Polschuhpaare/Spulenkerne 2.1a - 2.3a und 2.2a - 2.4a angeordnet, die jeweils mit Spulen 5a versehen sind.
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Wobei alle Spulen 5a, 5e ringförmig zueinander im Reihenschluss zusammengeschaltet, sodass Spulen 5a, 5e jeweils abwechselnd an ihrem Spulenwicklungsende z mit dem Anfang y der nächsten Spulenwicklung verbunden sind.
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Wobei die inneren und äußeren Polschuhe 2a, 2e des Hohlrotors 2 gegenüber oder um das innere und äußere Umfeld um 45° versetzt zueinander angeordnet sind.
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Der Hohlrotor 2 wird mit der vorderen Stirnseite über eine discscheiben-förmige Verbindung 9 mit der Arbeitswelle 3 verbunden, wobei der hinteren Stirnseite wird über eine discscheiben-förmige Verbindung 10 an dem inneren Ständer - Gehäuse abstürzt und dort drehbar gelagert werden.
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Bei einer Vorteilhaften Ausführung wird die Rotorspulen (5a, 5e) ohne Spulenkern mit Luftspaltwicklung ausgeführt werden.
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3 zeigt die Spulensteuerung (5a, 5e) über einen Kommutator 8,
all die Spulen 5a des äußeren Umfelds des Hohlrotorkerns 2a und all die Spulen 5e des inneren Umfelds des Hohlrotorkerns 2e sind ringförmig zueinander im Reihenschluss zusammengeschaltet, sodass bei den Spulen 5a, 5e jeweils abwechselnd ihr Spulenwicklungsende z mit dem Anfang y der nächsten Spulenwicklung 5.1a/5.1e - k7, 5.1e/5.2a - k8, 5.2a/5.2e - k1, 5.2e/5.3a - k2, 5.3a/5.3e - k3, 5.3e/5.4a - k4, 5.4a/5.4e - k5, 5.4e/5.1a - k6 verbunden ist.
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Und jeder der Verbindungspunkte von zwei Benachbarten Spulen von 5a, 5e ist jeweils mit einer Lamelle 13 - (k, k8) verbunden und wird über ein Bürstenpaar 12 angesteuert.
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Wobei die jeweilige Länge der Bürsten 12 an dem Umfang entlang des Kommutators 8 gleich der Länge einer Lamelle zusätzlich einer Lücke zwischen zwei Lamellen ausgeführt wird.
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Bei einer der Ausführungen des Elektromotors 1 wird an der Arbeitswelle 3 ein Positionsmelder angeordnet. Sobald der genaue Wert der gewünschten Rotorstellung erreicht wird, werden die Spulenströme des Rotors abgeschaltet und der Rotor bleibt in dieser Stellung stehen und wird dort festgehalten.
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Die Ausführung ersetzt Schrittmotoren, die gewährleisten Stufenlos ohne tote Zonen zu arbeiten.
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4.1 zeigt Schaltstufen eines Arbeitstaktes in zwei Taktperioden t1, t2, wobei die inneren und äußeren Polschuhe 2a, 2e sich gegenüber angeordnet sind.
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Während jedes Taktes wird abwechselnd ein Spulenpaar 5a oder 5e in der gesamten Taktdauer ausgeschaltet und nach Taktwechsel anders gepolt wieder eingeschaltet.
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Wobei die Spulen 5a beim Erreichen des Nullpunktes ausgeschaltet sind und nach 45 Grad anders gepolt wieder eingeschaltet werden, wobei die Spulen 5e nachdem diese 45 Grad nach dem Nullpunkt gelaufen sind ausgeschaltet und nach 90 Grad nach dem Nullpunkt gelaufen sind anders gepolt wieder eingeschaltet werden.
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Der Nullpunkt ist der obere, vertikale Anteil der radialen Magnetachse des Ständerfelds n-s.
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4.2 zeigt Schaltstufen eines Arbeitstaktes in zwei Taktperioden t1, t2, wobei die inneren und äußeren Polschuhe 2a, 2e zueinander um 45 Grad versetzt angeordnet.
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Während jedes Taktes wird abwechselnd ein Spulenpaar 5a oder 5e für die gesamte Taktdauer ausgeschaltet und nach Taktwechsel anders gepolt wieder eingeschaltet.
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Wobei die Spulen 5a und 5e abwechselnd nach 22.5 Grad überfahren des Nullpunktes ausgeschaltet sind und nach 45 Grad beim Erreichen des 67.5 Grad Winkels anders gepolt wieder eingeschaltet sind.
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t1. Während des Arbeitstaktes t1 sind die Bürstenpaare 12 jeweils mit zwei Lamellen k3/k2 und k7/k6 im elektrischen Kontakt, die Spulen 5.1e, 5.2a, 5.2e werden mit der Polarisation in Südpol-Nordpol und die Spulen 5.3e, 5.4a, 5.4e werden mit der Polarisation Nordpol-Südpol eingeschaltet, wobei die Spulenpaare 5.1a, 5.3a ausgeschaltet werden.
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Anhand der Richtung des magnetischen Kraftfeldes wird eine Umdrehungskraft nach rechts erzeugt.
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t2. Während des Arbeitstaktes t1 sind die Bürstenpaare 12 jeweils mit zwei Lamellen k4/k3 und k8/k7 im elektrischen Kontakt, die Spulenpaar 5,1a und 5.3a werden umgepolt wieder eingeschaltet, wobei die Spulenpaar 5.1e und 5.3e elektrisch und magnetisch abgeschaltet werden.
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Die Schritte der weiteren Arbeitstakte wiederholen sich zyklisch.
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Für die Linksumdrehung des Rotors 2 wird die Klemmspannung der Bürsten 12 umgepolt.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Elektromotor
- 2.
- Rotor
- 2.1
- Spulenkerne
- 2a.
- innerer Polschuh
- 2e.
- äußerer Polschuh
- 3.
- Welle
- 4.
- Ständer
- 4a.
- innerer Ständerkern
- 4e.
- äußerer Ständerkern
- 5a.
- Hohlrotor: innere Spulenpaare
- 5e.
- Hohlrotor: äußere Spulenpaare
- 6.
- Feldspulen
- 7.
- Dauermagneten
- 8.
- Kommutator
- 9.
- Verbindung
- 10.
- Verbindung
- 11.
- Positionsmelder/Impulsgeber
- 12.
- Bürsten
- 13.
- Lamellen
- z.
- Spulenende
- y.
- Spulenanfang
- k.
- Spulen-Lamellen Verbindung
