DE2028228B2 - Kollektorloser Gleichstrommotor, insbesondere für Gyroskope - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kollektorlosen Gleichst::: r. notor, insbesondere für Gyroskope, mit einem Gehäuse, mit einem glockenförmigen Rotor hoher Massenträgheit aus magnetischem Material, an dessen axial verlaufendem Teil innen in radialer Richtung sich erstreckende Dauermagnete wechselnder Polarität befestigt sind, mit einem innerhalb des Rotors angeordneten Stator, bestehend aus einem Statorkern aus wirbelstromfreiem Material mit darauf aufgesetzt befestigten, gegeneinander versetzten, flachen Statorwicklungen, die in Abhängigkeit von der Rotorstellung über einen Halbleiterschalter an eine Gleichstromquelle schaltbar sind, welche Rotorstellung durch einen ebenfalls innerhalb des glockenförmigen Rotors an geordneten induktiven Stellungsdetektor erfaßbar ist, der aus am Ständerkern befestigten flachen Detektorspulen und aus am Rotor befestigten Dauermagneten wechselnder Polarität besteht

Ein derartiger kollektorloser Gleichstrommotor ist aus der FR-PS 15 16 085 bekannt. Auch die DTPS 12 33 480 zeigt einen kollektorlosen Gleichstrommotor. In beiden Druckschriften weist der Rotor Magnete auf, die durch einen einstückigen, entsprechend magnetisier ten Ring gebildet werdea Diese Anordnung weist Nachteile auf. Da das Magnetmaterial für alle Magnete des Ringes gleich ist, muß ein isotropes Material verwendet werdea Isotrope Ferrite weisen jedoch nicht die hohe Permanenz und Koerzitivkraft auf, wie es bei anisotropen Ferriten erreichbar ist. Durch die damit verminderte Flußstärke wird die Höhe des Drehmoments bei einem bestimmten Strom durch einen im Magnetfeld befindlichen Leiter begrenzt Diese bekannten Motoren weisen daher kein sehr günstiges Leistungsgewicht und Leistungsvoiumen auf. Auch ergeben sich zwischen benachbarten Polen entgegengesetzten Vorzeichens magnetische Abstoßungskräfte derart, daß im ÜDergangsbereich der magnetische Fluß geschwächt wird. Außerdem entstehen in diesem

Übergangsbereich Flußlinien in einer Richtung, die keinen Beitrag zum Drehmoment des Motors leisten.

Der in dei FR-PS 15 16 085 beschriebene Motor, der mit Scheibenspulen ohne ferromagnetischen Kern arbeitet, stellt einen einphasigen Motor dar, bei dem das Motordrehmoment sich aus kurzen Impulsen zusammensetzt, da die Antriebskräfte bei jeder Rotordrehung mehrfach Null werden. Wenn daher der Motor stärker belastet wird, beginnt seine Drehgeschwindigkeit zu schwanken. Derartige bekannte Motoren sind daher nur für sehr geringe Leistungen geeignet.

Beide bekannten Motoren zeigen auch einen ungleichmäßigen magnetischen Luftspaltwiderstand im Verlauf der Rotordrehung. Der Rotor neigt daher dazu, bei nicht vorhandenem Strom eine Vorzugsstellung anzunehmen, die der Stellung minimalen magnetischen Widerstands entspricht. Durch diese Vorzugsstellungen verschlechtern sich die Anlaufeigenschaften der Motoren. Außerdem ergeben sich auch durch diese schwankenden magnetischen Luftspaltwiderstände Drehmomentschwankungen, die bei stärkerer Belastung sehr stören können. Der unterschiedliche magnetische Widerstand im Verlauf der Rotordrehung ergibt sich aus den Einschnitten im Stator, in denen die Wicklungen angeordnet sind.

Nachteilig ist auch der Aufbau der Drehstellungsdetektoren der beiden bekannten Motoren, weil sie verhältnismäßig viel Platz einnehmen und dadurch das Gesamtvolumen des Motors erhöhen, ohne daß damit eine Leistungserhöhung verbunden wäre.

Auch die Genauigkeit der Drehstellungsabtastung läßt noch Wünsche offen.

Aus AEG-Mitteilungen 55.1965. Heft 2. S. 114 bis 117. ist es bei kollektorlosen Gleichstrommotoren bekannt, den DrehsteiSungsdetektor axial neben dem Motor anzubringen.

Aus der Zeitschrift »Elektronik«, 1962, Nr. 10, S. 300, ist es außerdem bekannt, Ständerspulen durch Aufkleben zu befestigen. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Motor zu schaffen, der gegenüber den bekannten Motoren bei gegebenem Volumen ein größeres Drehmoment und eine größere Leistung aufweist, verbesserte Anlaufeigenschaften besitzt und einen Drehstellungsdetektor verwendet, der

einen geringen Raumbedarf hat und präziser arbeitet, als es beim Stand der Technik der Fall ist.

Diese Aufgabe wird bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art nach <jer Erfindung dadurch gelöst, daß bei einem kollektortosen Gleichstrommotor mit drei um 120' gegeneinander versetzten Statorwicklungen und entsprechenden Detektorspulen die Dauermagnete des Rotors aus zylindrischen Segmenten geringerer Dicke bestehen und kleine Abstände voneinander aufweisen, so daß die Dauermagnete für den Drehstellungsdetektor durch entsprechend magnetisierte Zonen eines flachen Ringes gebildet sind, die an dem radialen Teil des glockenförmigen Rotors gegenüber der einen Stirnseite des Statorkerns befestigt sind, an welcher Stirnseite die Detektorspulen, die trapezförmige Gestalt haben, angeordnet sind und daß die Statorwicklungen auf dem Statorkern aufgeklebt sind.

Diese Anordnung ergibt verschiedene Vorteile. Einmal ist erreicht, daß der magnetische Widerstand des Luftspaltes zwischen Rotor und Stator im Verlauf der Rotordrehung konstant bleibt, wodurch es keine Vorzugssiellung für den Rotor bei abgeschaltetem Strom gibt. Dadurch verbessern sich die Anlaufeigenschafien des Motors und das Drehmoment bleibt während der Rotordrehung konstant. Ein konstantes Drehmoment ist aber Voraussetzung für eine höhere Leistung des Motors. Die Verwendung von drei Phasen trägt auch dazu bei, daß das Drehmoment während der Rotorumdrehung nicht schwankt, wie es bei einphasigen Motoren der Fall ist Voraussetzung für eine möglichst große Motorleistung für ein gegebenes Volumen ist aber ein konstantes Drehmoment.

Durch die Anordnung der stromdurehflossenen Leiter auf dem äußersten Umfang des Stators wird der Hebelarm, an dem die magnetischen Kräfte angreifen, möglichst groß gemacht, was auch einem erhöhten Drehmoment zugute kommt.

Besonders vorteilhaft ist die Anordnung von aus zylindrischen Segmenten geringer Dicke bestehenden Dauermagneten, weil dadurch nicht isotropes Ferritmaterial verwendet werden kann, das eine höhere Rem.. enz und eine höhere Koerzitivkraft aufweist, als isotrope Materialien. Auch dies trägt zu einer 1 rhöhung des erreichbaren Drehmoments bei. In gleicher Richtung wirkt, daß zwischen den einzelnen Magneten nur sehr wenige nicht nutzbare Magnetflüsse auftreten. Die Anordnung der Drehstellungsdetektoren auf einer Seitenfläche des Stators gegenüber einem Magnetring am Boden des glockenförmigen Rotors ermöglicht es, die Drehstellungsanordnung auf einem sehr kleinen Raum unterzubringen. Außerdem wird durch die Anordnung der Detektorspulen nahe der Peripherie des Stators eine verhältnismäßig große tangentielle Geschwindigkeit des Induktionsfeldes bezüglich der Spulen erreicht, durch die elektromotorische Kraft, die auf diese Leiter einwirkt, in den Spulen Induktionsimpulse mit steilem Anstieg und erhöhter Amplitude erzeugt. Dadurch wird die Drehstellungsabtastung wesentlich genauer. ^

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Statorkern aus einem ferromagnetischen Pulver hergestellt, das mit einer isolierenden plastischen Masse vermischt ist.

Durch diese Anordnung vermindern sich die Wirbelströme und der Wirkungsgrad des Motors wird verbessert. Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Motors ist der Statorkern aus einer isolierenden, nicht ferromagnetischei) Masse hergestellt. Auch hier wird die Bildung von Wirbelströmen unterdrückt

Bei einer noch anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Motors ist der Statorkern ringförmig gestaltet und von der Welle durchdrungen, auf der der glockenförmige Rotor befestigt und die in dem Gehäuse, in dem auch der Statorkern gehaltert ist, über zw^i Kugellager gelagert ist Durch diese Anordnung wird eine besonders raumsparende Bauform erreicht

Die Merkmale der Ansprüche 2 bis 4 sind an sich bekannt Für die Unteransprüche wird daher nur Schutz im Zusammenhang mit dem Hauptanspruch begehrt

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Darstellung von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Motor,

F i g. 2 einen Längsschnitt entlang der Wellenachse,

F i g. 3 eine schematische Darstellung der Schaltung der Spulen,

F i g. 4 einen Querschnitt durch den Dauermagnetring für den Drehstellungsdetektor,

F i g. 5 einen Axialschnitt durch den Drehstellungsdetektor.

Fig.6 die Anordnung der Detektorspulen des Drehstellungsdetektors.

Die F i g. 1 bis 6 zeigen den erfindungsgemäßen Motor mit einer unbeweglichen eisenlosen Wicklung, die einen Rotor mit multipolarer Magnetisierung in sehr hohe Drehgeschwindigkeit versetzt Wegen der geringen Hysterese-Verluste und Wirbelströme, die in den die elektrischen Leiter haltenden Teile auftreten, ergibt sich ein sehr hoher Wirkungsgrad.

Der Rotor 4 dieses Mi'ors bildet ein Schwungrad, das gegenüber dem Stator eine glatte Oberfläche aufweist. Dieser als Schwungrad ausgebildete Rotor umfaßt acht Dauermagnete Ai. A2. ... 4e. die aus zylindrischen Segmenten geringer Dicke bestehen und die kleine Abstände voneinander aufweisen. Die Dauermagnete sind auf der inneren Oberfläche einer aus Eisen bestehenden Glocke, zum Beispiel durch Kleben, angeheftet, diese Glocke ist mit einer Welle O fest verbunden. Die Welle O wird von Kugellagern getragen die in einem Gehäuse 6,7 entfernbar befestigt sind (F i g. 2). Die Dreiphasen-Wicklung des Stators besitzt nur eine geringe radiale Dicke. Sie überdeckt einen festen ringförmigen Statorkern 5, der aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität bestehen kann, zum Beispiel aus einem ferremagnetischen Pulver, das mit einer isolierenden plastischen Masse vermischt ist Der Statorkern 5 kann aber auch aus einer isolierenden, nicht ferromagnetischen Masse hergestellt sein. Die Leiter der Motorwicklung sind durch Kleben am Stator befestigt. Vorzugsweise ist die Wicklung ganz in eine isolierende Verkleidung aus gehärtetem plastischem Werkstoff eingebettet, das am Statorkern fest anhaftet.

F i g. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Abwicklung der dreiphasigen Motorwicklung. Es ist zu erkennen, daß diese Wicklung aus dünnen Scheibenspulen besteht, die auf der äußeren zylindrischen Oberfläche des Statorkerns angeordnet sind. Die erste Phase umfaßt die Scheibenwicklungen 0t und Bi', die zweite Phase die Scheibenwicklungen Bi und Bi\ die dritte Phase die Scheibenwicklungen Bj und Bi'. Die für das Drehmoment wirksamen Leiter, die zur erzeugenden Linie der zylindrischen Oberfläche ausgerichtet sind.

bilden Leitungsbündel, die bezüglich der Polbereiche des Rotors entsprechend angeordnet sind. Die Achsen dieser Polbereiche sind in der Abwicklung gemäß Fig.3 durch parallele Linien /Vi. N\\ S2, 52', Nj. Ni' ... Ss, Se' dargestellt.

Zur Kommutierung des Motors dient ein Drehstellungsdetektor. Es wird ein Detektor mit elektromagnetischer Induktion geringen Raumbedarfs verwendet, der sich in der Anordnung gemäß F i g. 2 leicht unterbringen läßt. Der Drehstellungsdetektor besteht aus einem to sehr flachen multipolaren Dauermagneten A9, der sich vor einer dreiphasigen Detektorwicklung dreht, die sich in Form eines Kranzes auf der vorn befindlichen Fläche des Statorkerns 5 befindet. Der Dauermagnet -49 und die Wicklung, in der durch den Dauermagneten Λ<> die Drehstellungsinduktionsspannungen erzeugt we:rden, sind in den Fig.4 bis 6 gesondert dargestellt. Die Detektorwicklung besteht aus dünnen, annähernd trapezförmigen Detektorspulen, deren Seiten gemäß den Radien angeordnet sind. Die Detektorspulen weisen drei Phasen auf: b\ + b\\ te + te' und te + te'. Der Dauermagnet Av ist selbst eine dünne Scheibe, die von parallel zur Motorwelle verlaufenden Feldlinien durchsetzt wird. Sie erzeugt in den scheibenförmigen Detektorspulen dreiphasige Wechselströme, die die zugehörige Kommutierungseinrichtung steuert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   J. Koilektorloser Gleichstrommotor, insbesondere für Gyroskope, mit einem Gehäuse, mit einem glockenförmigen Rotor hoher Massenträgheit aus magnetischem Material an dessen axial verlaufendem Teil innen in radialer Richtung sich erstreckende Dauermagnete wechselnder Polarität befestigt sind, mit einem innerhalb des Rotors angeordneten Stator, bestehend aus einem Statorkern aus wirbelstromfreiem Material mit darauf aufgesetzt befestigten, gegeneinander versetzten flachen Statorwicklungen, die in Abhängigkeit von der Rotorstellung über einen Halbleiterschalter an eine Gleichstromquelle schaltbar sind, weiche Rotorstellung durch einen ebenfalls innerhalb des glockenförmigen Rotors angeordneten induktiven Drehstellungsdetektor erfaßbar ist, der aus am Ständerkern befestigten flachen Detektorspulen und aus am Rotor befestigten Dauermagneten wechselnder Polarität besteht, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor mit drei um 120° gegeneinander versetzten Statorwicklungen (ft. ft'; ft, &'; Bi, Bi') und entsprechenden Detektorspulen (in, b\'; te, bi'; bi, bi') die Dauermagnete (At bis A») des Rotors aus zylindrischen Segmenten geringer Dicke bestehen und kleine Abstände voneinander aufweisen, daß die Dauermagnete für den Drehstellungsdetektor durch entsprechend magnetisierte Zonen eines flachen Ringes (Ai) gebildet sind, die an dem radialen Teil des glockenförmigen Rotors (4) gegenüber der einen Stirnseite des Statorkerns (5) befestigt sind, an welcher Stirnseite die Detektorspulen, die trapezförmige Gestalt haben, angeordnet sind, und daß die Statorwicklungen auf dem S»ato»kern aufgeklebt sind.
2. 2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorkern (5) aus einem ferromagnetischen Pulver besteht, das mit einer isolierenden plastischen Masse vermischt ist.
3. 3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorkern (5) aus einer isolierenden, nichtferromagnetischen Masse hergestellt ist.
4. 4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorkern (5) ringförmig gestaltet und von der Welle durchdrungen ist, auf der der glockenförmige Rotor (4) befestigt ist und die in dem Gehäuse (6), in dem auch der Statorkern (5) gehaltert ist, über zwei Kugellager gelagert ist.