DE2031141A1

DE2031141A1 - Commutator motor with a permanent magnet rotor

Info

Publication number: DE2031141A1
Application number: DE19702031141
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-06-24
Filing date: 1970-06-24
Publication date: 1971-12-30

Description

Kommutator-Motor mit einem Dauermagnetläufer Die Erfindung bezieht sich auf einen Kommutator-Motor -mit einem Dauermagnetläufer und einer Erregerwicklung, die im Blechpaket des Ständers befestigt ist und über die Emitter-Kollektor-Strecke mindestens eines Transistors aus einer Stromquelle gespeist wird. Die Erregerwicklung erzeugt im Ständer um 180° elektrisch gegeneinander versetzte Pole, deren Polarität zumindest während des Anlaufs des Motors in Abhängigkeit von der Läuferstellung umgeschaltet wird.Commutator motor with a permanent magnet rotor The invention relates on a commutator motor - with a permanent magnet rotor and an excitation winding, which is fastened in the laminated core of the stator and over the emitter-collector section at least one transistor is fed from a current source. The excitation winding generates poles electrically offset from one another by 180 °, their polarity at least during the start-up of the motor as a function of the rotor position is switched.

DerartigeMotoren werden als Gleichstrommotoren oder Universalmotoren (Wechselstrom-Kommutator-Motoren) eingesetzt.Such motors are called DC motors or universal motors (AC commutator motors) are used.

Bei herkömmlichen Gleichstrommotoren erfolgt die Speisung der Ständerwicklung über einen mechanischen Kommutator, wobei jede einzelne Spule der Ständerwicklung mit zwei Lamellen des Kommutators verbunden ist. Die Stromzuführung erfolgt über Kohlebürsten. Da ein derartiger Kommutator für einen Motorinfolge der mechanischen Kontakte eine ständige Fehlerquelle darstellt, sind in, letzter Zeit Gleichstrommotoren bekanntgeworden, bei welchen der mechanische Kommutator durch elektronische Elemente ersetzt ist.In conventional DC motors, the stator winding is fed via a mechanical commutator, each individual coil being the stator winding is connected to two blades of the commutator. The power is supplied via Carbon brushes. As such a commutator for a motor as a result of the mechanical Contacts which are a constant source of error have recently been DC motors became known in which the mechanical commutator by electronic elements is replaced.

Ein solcher Motor arbeitet bspw. so, daß jede Spule der Ständerwicklung in Reihe mit der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors liegt, dessen Stromdurchlässigkeit in Abhängigkeit von der Läuferstellung gesteuert wird. Bei den Transistoren handelt es sich um Halbleiterelemente, und es müssen für jede Ständerspule mindestens zwei Transistoren vorgesehen werden, wenn der Effekt der echten Kommutierung beibehalten werden soll. Aus wirtschaftlichen Gründen hat man daher bei bekannten Gleichstrommotoren auf diese echte Kommutierung verzichtet und die Ständerspulen werden nur noch in einer Richtung von Strom durchflossen.Such a motor works, for example, so that each coil of the stator winding is in series with the emitter-collector path of a transistor whose current permeability is controlled depending on the rotor position. When it comes to transistors they are semiconductor elements and there must be at least two for each stator coil Transistors be provided when the effect of real commutation should be retained. For economic reasons, one has therefore with known DC motors dispensed with this real commutation and the stator coils are only traversed by electricity in one direction.

Um einen eindeutigen Anlauf des Motors aus jeder Stellung heraus zu garantieren, ist es dadurch erforderlich geworden, mindestens drei um 120° gegeneinander versetzte Ständerspulen im Motor vorzusehen. Aber auch dann, wenn die Hälfte der für die echte Kommutierung erforderlichen Transistoren fortgelassen wird, ist der Aufwand für einen derartigen über Uransistoren gespeisten Gleichstrommotor noch so hoch, daß die Forderung nach einem billigen Motor nicht erfüllt werden kann. Das gleiche gilt für die bisher bekanntgewordenen Universalmotoren, bei.denen der Aufwand für die Ständerspulen und die däzu erforderlichen Steuereinrichtungen ebenfalls keine wirtschaftliche Fertigung zuläßt.To allow the motor to start clearly from every position guarantee, it has become necessary to move at least three by 120 ° against each other staggered stator coils must be provided in the motor. But even if half of the the transistors required for real commutation are omitted Expenditure for such a direct current motor fed via urransistors so high that the demand for a cheap motor cannot be met. The same applies to the previously known universal motors, both of which the Expenditure for the stator coils and the necessary control devices as well does not allow economical production.

Es sind neben den geschilderten relativ teuren Motoren jedoch bereits auch billigere Motoren bekanntgeworden, bei denen die Wicklung aus nur einer Spule oder aus zwei Spulen besteht. Diese bekannten Motoren haben jedoch den Nachteil, daß sie zum Anlauf eine besondere Startvorrichtung,-also eine zusätzliche, meist komplizierte Einrichtung, benötigen und auf diese Weise den durch den einfachen Aufbau des Motors erzielten Vorteil wieder einbüßen.However, there are already relatively expensive motors in addition to the described ones Cheaper motors have also become known, in which the winding consists of only one coil or consists of two coils. However, these known engines have the disadvantage that they have a special starting device for starting, -also an additional one, mostly complex set up, need and this way through the simple Structure of the engine lose the advantage achieved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kommutator-Motor anzugeben, welcher möglichst einfach aus mögl-ichst billigen und einfachen Teilen aufgebaut werden kann, und welcher ohne zusätzlichen Aufwand stets von allein anläuft.The invention is based on the object of specifying a commutator motor, which is built as simply as possible from cheap and simple parts can be, and which always starts by itself without additional effort.

Diese Aufgabe wird für einen Kommutator-Motor der eingangs geschilderten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Luftspalt zwischen Dauermagnetläufer und Ständerblechpaket so ausgebildet ist, daß der Dauermagnetläuf er im Ruhezustand eine Position einnimmt, in welcher seine Polachse und die Polachse des Ständerblechpakets einen spitzen Win kel miteinander einschließen.For a commutator motor, this task is as described above Kind according to the invention solved in that the air gap between the permanent magnet rotor and stator core is designed so that the permanent magnet is in the idle state occupies a position in which its polar axis and the polar axis of the stator core include an acute angle with each other.

Der Motor nach der Erfindung läuft beim Einschalten mit Sicherheit an, da der Läufer im Ruhezustand eine Position einnimmt, welche sicherstellt, daß beim Anschalten der Errererwicklung ein Drehmoment auf ihn ausgeübt wird. Der Läufer wird nämlich bei erregter Wicklung auf kürzestem Wege in eine Position gezogen in welcher sich die Polachsen von Ständer und Läufer fäst decken. Diese Position kann der Läufer jedoch nicht halten, da er einerseits in die folgende Ruheposition gelangen will und andererseits infolge des gewonnenen Schwungs weitergedreht wird und dann bereits von den nächsten Ständerpolpaaren angezogen wird. Als weiterer Vorteil des Motors nach der Erfindung ist sein einfacher und billiger Aufbau anzusehen, der sich insbesondere durch die wenigen verwendeten elektronischen Elemente für eine wirtschaftliche Fertigung günstig auswirkt.The motor according to the invention runs with certainty when switched on because the runner assumes a position in the resting state which ensures that a torque is exerted on it when the Errer winding is switched on. The runner that is, when the winding is energized, it is pulled into a position in the shortest possible distance which the polar axes of the stator and rotor almost coincide. This position can However, the runner does not hold, because on the one hand he can get into the following resting position and on the other hand, because of the momentum gained, it is turned further and then is already attracted by the next stator pole pairs. Another advantage of the Motor according to the invention is to be seen in its simple and cheap construction, the in particular due to the few electronic elements used for a economic production has a favorable effect.

Ausfiihrungsbeispiele aes Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawings shown.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Motors nach der Erfindung. In Fig. 2 ist ein Schaltbild für einen Gleichstrommotor und in Fig. 3 für einen Universalmotor wiedergegeben. Die Fig 4 , 5 und 6 zeigen unterschiedliche Anr-licten eines erfindungsgemäßen Motors, wobei Fig. 6 ein Schmitt durch Fig. 4 längs der Linie VI ist und in Fig. 7 ist ein Blechschnitt für das Blechpaket des Ständers des Motors dargestellt.Fig. 1 shows a schematic diagram of a motor according to the invention. In Fig. 2 is a circuit diagram for a DC motor and in Fig. 3 for a universal motor reproduced. FIGS. 4, 5 and 6 show different arrangements of an inventive device Motors, FIG. 6 being a Schmitt through FIG. 4 along the line VI and in FIG. 7 shows a sheet metal section for the laminated core of the stator of the motor.

Zunächst wird die prinzipielle Wirkungsweise des Motors nach der @pfindung anhand von Fig. 1 erläutert : Des @tänderblechpaket 1 trägt die Erregerwicklung 2, wel-@@ aus der @atterie @ @espeist wird. Der Läufer ist, als @@@@@ end der Fezeie mung U-S ma@ @etisier@er Dauerm@@-netläufer 4 ausgebildet und trägt auf seiner Welle eine exzentrisch gelagerte Scheibe 5, auf welcher der Federarm 6 aufliegt, welcher bei Drehung des Läufers 4 über die Kontakte 7 und'8 abwechselnd die eine oder die andere Hälfte der Erregerwicklung 2 einschaltet. Der Luftspalt zwischen Ständer 1 und Läufer 4 ist an den einander gegenüberliegenden Punkten 9 und 10 verengt. Auf diese Punkte stellt sich der Läufer in der Ruhelage ein, so daß seine Polachse mit der Polachse (beide durch strich-punktierte Linien angedeutet) des Ständers 1 einen spitzen Winkel o( einschließt.First of all, the basic mode of operation of the motor is explained according to the detection explained with reference to Fig. 1: The @ tänderblechpaket 1 carries the excitation winding 2, wel - @@ is fed from the @ battery @ @. The runner is, as @@@@@ end of the Fezeie mung U-S ma @ @ etisier @ er Dauerm @@ - net runner 4 trained and wears on its shaft an eccentrically mounted disc 5 on which the spring arm 6 rests, which alternates when the rotor 4 rotates via the contacts 7 and 8 one or the other half of the excitation winding 2 switches on. The air gap between stator 1 and rotor 4 is at the opposite points 9 and 10 narrowed. The runner adjusts to these points in the rest position, see above that its polar axis coincides with the polar axis (both indicated by dash-dotted lines) of the stand 1 an acute angle o (includes.

Im Finschaltaugenblick wird dadurch der Nordpol N des Läufers 4 in Richtung des Pfeiles 11 gedreht, da er von dem jetzt als Südpol ausgebildeten unteren Pol des Ständers 1 angezogen wird. Bevor die Polachse des Läufers die Polachse des Ständers passiert, öffnet der Federarm 6 den Kontakt 7 und schaltet nach dem Passieren den Kontakt.8 ein, wobei die Ständerpole ummagnetisiert werden, so daß der Nordpol N des Läufers jetzt von dem oberen Ständerpol angezogen wird. Auf diese Weise beginnt der Motor hochzulaufen und stellt sich auf seine durch die Gegen-EMK bestimmte Drehzahl ein. Selbstverständlich reicht es prinzipiell auch aus, wenn die Luftspaltverengung nur an einer Stelle angeordnet wird, jedoch ergeben sich dann u.U. ungünstige Laufeigenschaften des Motors Prinzipiell genauso wie eben beschrieben arbeitet der Gleichstrommotor nach Fig. 2. Die Erregerwicklung besteht aus den beiden Ständerspulen 12 und 13, welche durch Schließen des Schalters 14 über die Emitter-Kollektor-Strecken der Speisetransistoren 15 und 16 aus der Batterie 17 gespeist werden.As a result, the north pole N of the runner 4 in Rotated in the direction of arrow 11, since it is from the lower now formed as a south pole Pole of the stator 1 is attracted. Before the polar axis of the rotor matches the polar axis of the When the stand happens, the spring arm 6 opens the contact 7 and switches after it has passed the Kontakt.8 a, whereby the stator poles are magnetized so that the north pole N of the rotor is now attracted by the upper stator pole. That way starts the motor starts up and sets itself to its speed determined by the back EMF a. Of course, in principle it is also sufficient if the air gap is narrowed is only arranged in one place, but this may result in unfavorable running properties of the motor In principle, the DC motor works in the same way as just described according to Fig. 2. The excitation winding consists of the two stator coils 12 and 13, which by closing the switch 14 via the emitter-collector paths of the Feed transistors 15 and 16 are fed from the battery 17.

Die Stromdurchlässigkeit der Speisetransistoren wird in Abhängigkeit von der Läuferstellung über den Hall generator 18 gesteuert, welcher elektrisch mit den Basen der Speisetransistoren verbunden und mechanisch - wie aus Fig. 4 ersichtlich - am Ständer des Motors im Bereich des Läufers angebracht ist. Nach dem Schließen des Schalters 14 besitzen die pelsetransistoren einen Durchschaltwinkel von fast 18()O, d.h. die zugehörige Ständerspule wird annähernd während einer halben Umdrehung des Dauermagnetläufers von Strom durchflossen, so daß der Motor ein kräftiges Drehmoment entwiskelt. Dieser große Durchsohaltwinkel wird durch den Steuertransistor 19 ermöglicht, welcher im Einschaltaugenblick über den Widerstand 20 an positivem Potential liegt.The current permeability of the supply transistors is dependent controlled by the rotor position via the Hall generator 18, which electrically connected to the bases of the supply transistors and mechanically - as can be seen from FIG - is attached to the stator of the motor in the area of the rotor. After closing of the switch 14, the pelsetransistors have a turn-on angle of almost 18 () O, i.e. the associated stator coil is approximately during a half turn of the permanent magnet rotor, current flows through it, so that the motor a powerful torque developed. This large hold-through angle is made possible by the Control transistor 19 enables which at the moment of switching on via the resistor 20 is due to positive potential.

Eine drehzahlproportionale Spannung wird über die Dioden 21 und 22 von den Ständerspulen 12 und 13 abgegriffen und auf den Kondensator 23 gegeben. Mit steigender Drehzahl wird damit das Potential an der Basis des Steuertransistors 19 immer weniger positiv und dieStromdurchlässigkeit desselben daher immer geringer. Dementsprechend wird auch der Durchschaltwinkel der Speisetransistoren 15 und 16 immer kleiner, wodurch die Ausnutzung der Batterie 17 und damit der Wirkungsgrad des gesamten Motors erheblich verbessert werden kann.A voltage proportional to the speed is generated across diodes 21 and 22 tapped from the stator coils 12 and 13 and applied to the capacitor 23. As the speed increases, the potential at the base of the control transistor increases 19 less and less positive and the current permeability of the same therefore less and less. The turn-on angle of the supply transistors 15 and 16 is also correspondingly always smaller, whereby the utilization of the battery 17 and thus the efficiency of the entire engine can be improved significantly.

Der Regeltransistor 24 ist zur Drehzahlregelung des Motors vorgesehen. Beim Erreichen einer der gewünschten Drehzahl entsprechenden Ansprechdrehzahl wird der Regeltransistor 24 stromdurchlässig und überbrückt den Widerstand.25. Hierdurc-h wird der bereits beschriebene Vorgang der Veränderung des Durchschaltwinkels der Speisetransistoren 15 und 16 intensiviert und der Motor stellt sich mit großer Genauigkeit auf die gewünschte Drehzahl ein.The regulating transistor 24 is provided for regulating the speed of the motor. When a response speed corresponding to the desired speed is reached the control transistor 24 is current-permeable and bridges the resistor. 25. Through this is the process already described of changing the switching angle of the Feed transistors 15 and 16 intensified and the motor turns with great accuracy to the desired speed.

Auch der Universalmotor nach Fig. 3 arbeitet prinzipiell so wie der Motor nach Fig. 1. GleicheTeile sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Spule 26 auf dem Ständerblechpaket 1 wird durch Schließen des Schalters 27 aus der, Wechselstromquelle 28 gespeist, und zw.ar-über die Diode 29 und den Hermetik-Schalter 31 in der einen Richtung sowie über die Diode 30 und. den Hermetik,-Schalter 31 in der anderen Richtung. Der Hermetik-Schalter 31 besitzt einen polarisierten Anker und ist daher durch den Dauermagnetläufer 4 beeinflußbar. Der Kondensator 32 dient als Glättungskondensator der gleichgerichteten Wechselspannung.The universal motor according to FIG. 3 also works in principle like that Motor according to Fig. 1. The same parts are therefore provided with the same reference numerals. The coil 26 on the stator core 1 is turned off by closing the switch 27 the, alternating current source 28 fed, and between the diode 29 and the hermetic switch 31 in one direction and via the diode 30 and. the hermetic switch 31 in the other direction. The hermetic switch 31 has a polarized armature and can therefore be influenced by the permanent magnet rotor 4. The capacitor 32 is used as a smoothing capacitor the rectified AC voltage.

Mit steigender Drehzahl steigt auch die in der teuerwicklung 33 induzierte spannung an und der Transi.stor 34 wird periodisch durchgeschaltet. Von einerbestimmten Drehzahl an kann der Anker des Hermetik-Schalters 31 nicht mehr folgen, sondern bleibt in einer Mittelstellung zwischen den Kontakten -stehen und der Motor wird als kontaktloser Einstrangmotor nur noch über den Transistor 34 gespeist.As the speed rises, the one induced in the expensive winding 33 also rises voltage is applied and the transit gate 34 is switched through periodically. From a certain The armature of the hermetic switch 31 can no longer follow the speed, but instead remains in a middle position between the contacts and the motor will as a contactless single-strand motor, fed only via transistor 34.

Der mechanische Aufbau des Motors nach der Erfindung geht aus den Fig. 4 bis 7 hervor. Der Einfachheit halber ist in den Fig. 4 bis 6 å jeweils nur eine Hälfte des dargestellten Teils gezeigt, da die andere Hälfte im wesentlichen symmetrisch dazu aufgebaut ist.The mechanical structure of the motor according to the invention is based on the Figures 4 to 7 emerge. For the sake of simplicity, in FIGS. 4 to 6 å only one half of the illustrated part is shown, since the other half is essentially is constructed symmetrically to it.

Die Erregerwicklung 35 ist im Blechpaket 1 des Ständers befestigt und zwar in den aus Fig. 7 ersichtlichen Nuten 36 desselben. Das Blechpaket selbst ist auf einem topfförmigen Träger 37 angebracht, welcher die Läuferwelle 38 und ein Wellenlager trägt und mittels der Schraube 39 mit dem Dekkel 40 bzw. der Leiterplatte 41.verbunden ist. Der Deckel 40 trägt das andere Wellenlager und eine Zentral aufhängung 42 zur Geräuschisolierung des Motors. Auf der Leiterplatte 41 sind die elektronischen Bauelemente, wie bspw. die Transistoren, angebracht und in Form von gedruckten Schaltungen miteinandernverbunden.The field winding 35 is fastened in the laminated core 1 of the stator namely in the grooves 36 shown in FIG. 7 of the same. The sheet metal package itself is mounted on a cup-shaped carrier 37, which the rotor shaft 38 and carries a shaft bearing and by means of the screw 39 with the cover 40 or the circuit board 41. Is connected. The cover 40 carries the other shaft bearing and a central suspension 42 to isolate the motor from noise. On the circuit board 41 are the electronic Components, such as the transistors, attached and in the form of printed circuits connected to each other.

Der Aufbau des Ständers mit Topf 37 und Deckel 40 bietet den Vorteil, daß der Dauermagnetläufer 4 bei der Montage des Motors durch den verschlossenen Topf vor Beschädigungen und Spänen geschützt ist und ergibt für den Motor einen kompakten Aufbau im Verbund mit der Leiterplätte 41. Die Verengung des Luftspalts zur Bildung der Haltepunkte ist aus Fig. 7 nochmals zu ersehen, in welcher sich die Punkte 9 und 10 besonders hervorheben. Der Motor nach der Erfindung läßt sich als Gleichstrommotor insbesondere für Tongeräte und als Universalmotor für Haushaltgeräte größerer Leistung einsetzen.The construction of the stand with pot 37 and lid 40 has the advantage of that the permanent magnet rotor 4 during assembly of the motor through the locked Pot is protected from damage and chips and gives the engine a compact structure in combination with the printed circuit board 41. The narrowing of the air gap to form the breakpoints can be seen again from Fig. 7, in which particularly emphasize points 9 and 10. The engine according to the invention can as a DC motor, especially for sound equipment and as a universal motor use for household appliances with greater power.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Commutator motor with one permanent magnet rotor and one on the laminated core of the stator attached via the emitter-collector path of at least one transistor Excitation winding fed from a current source, which when the motor is switched on In the stand around 1800 electrically offset poles, their polarity at least switched over during the start-up of the motor depending on the rotor position is generated, characterized in that the air gap between the permanent magnet rotor (4) and stator core (1) is designed in such a way that the permanent magnet rotor is at rest assumes a position in which its polar axis and the polar axis of the itänderblechpakets enclose an acute angle («) with one another.

2. Motor according to claim 1, characterized in that the air gap electrically offset against each other by 1800 at one point or at at least two Points (9, 10), which are offset from the poles of the stand (1), narrowed is.

3. Rotor according to claim 1 or 2, characterized in that at Training of the same as a DC motor, the field winding from two stator coils (12,13) is built up, which partly via the F.mitter collector - '; trec1re one Feed transistor (15, 16) are fed from the current @ uelle (17), their current permeability Dependence on the position of the permanent magnet rotor by means of a Hall generator (18) connected to the bases of the supply transistors can be controlled which is attached in the stator (1) in the area of the permanent magnet rotor (4).

4. Motor according to claim 3, characterized in that the switching angle of the supply transistors (15, 16) as a function of the speed of the permanent magnet rotor (4) can be changed by means of a control transistor (19), which with its emitter-collector path is connected to the Hall generator (18).

5. Motor according to claim 1 or 2, characterized in that when training same as a universal motor, the exciter winding. consists of a coil (26) which is alternately traversed by current in both directions, and that the feed of the coil after the permanent magnet rotor (4) has started up via the emitter-collector path of a transistor (34), the current permeability of which depends on the position of the permanent magnet rotor by means of a mounted in the stator core (1) Control coil (33), which is connected to the base and collector of the transistor, is controllable.

6. Motor according to claim 5, characterized in that the reversal the direction of current during start-up can be influenced by the permanent magnet rotor (4) Hermetic switch (31) in the supply circuit of the motor is disordered.