DE2225442C3

DE2225442C3 - Kollektorloser Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2225442C3
Application number: DE2225442A
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1972-05-25
Filing date: 1972-05-25
Publication date: 1984-06-28
Also published as: DE2225442A1; DE2225442B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kollektorlosen Gleichstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Anis Spruchs 1.

Ein derartiger kollektorloser Gleichstrommotor, der einen zylindrischen, radialen Luftspalt aufweist, ist aus der DE-AS 11 35 083 (vgl. Fig. 1 sowie deren Beschreibung in Spalte 4, Zeile 38 bis Spalte 5, Zeile 27) bekannt Demzufolge weisen Polschuhe sichelförmige Verlängerungen auf und durch diese unsymmetrische Ausbildung der Statorpole ist der magnetische Widerstand drehwinkelabhäng'.g veränderlich. Dadurch wird ein Reluktanzhilfsmoment erzeugt, welches zum elektromagnetisch entwickelten Drehmoment im Winkel und damit auch zeitlich versetzt ist.

Ein anderer kollektorloser Gleichstrommotor dieser Gattung ist aus der DE-OS 20 31 141 bekannt. Dort ist zur Erreichung eines sicheren Anlaufs mit einfachen Mitteln vorgesehen, den Luftspalt zwischen Dauermagnetläufer und Ständerblechpaket so auszubilden, daß der Dauermagnetläufer im Ruhestand eine Position einnimmt, in welcher seine Polachse und die Polachse des Ständerblechpakets einen spitzen Winkel miteinander einschließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art bei einfachem, wirtschaftlich vorteilhaften Aufbau ein insgesamt möglichst gleichmäßiges Drehmoment zu erhalten. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Der Motor hat einen ebenen, axialen Luftspalt und kommt mit einem Hallgenerator als Drehstellungsdetektor aus, da ein gleichmäßiges Drehmoment erzielt ist.

Durch die Anordnung des magnetisch-leitenden Teiles am Stator zwischen den einander gegenüberstehenden Ringmagneten wird das Reluktanzhilfsmoment derart wirksam, daß zusammen mit dem elektro-magnetischen Drehmoment über die gesamte Umdrehung ein konstantes Gesamtdrehmoment erzielt wird.

Es sind Schrittschaltwerke bekannt, bei denen für eine Umdrehung auf komplizierte Weise ein überlagerbares Korrekturmoment erzeugt wird, um während einer Umdrehung auf einen verbesserten Drehmomentverlauf zu kommen. Hierfür werden auf verlängerten Achsen Nebenmagnete verwendet, was den Aufwand vergrößert (DE-OS 10 06 806). Außerdem wird niemals ein gleichmäßiger Lauf über viele Umdrehungen angestrebt.
Die DE-OS 19 21931 schließlich beschreibt einen Motor mit ebenem Luftspalt, dessen Stator mit drei Spulen ein lückenloses Drehfeld erzeugt. Der Rotor enthält zwei Anordnungen aus je einer Weicheisenscheibe und darauf befestigten und einander gegenüberstehenden Magneten, die zwischen sich die eisenlosen Flach-

fi5 spulen und eine die Spalte tragende Platte als Stator einschließen. Magnetisch-leitende Teile sind im Stator nicht vorgesehen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung erlauben zu-

sätzliche Verbesserungen des Drehmomentenverlaufes, insbesondere eine exakte Lage und einen gewünschten Verlauf des Reluktanzhälfsmoments einfach und raumsparend zu realisieren.

Bei einem erfindungsgemäßen Motor gelingt es mit einem ebenen Luftspalt mit zwei Flachspujen, ein praktisch konstantes Drehmoment zu erzielen, wozu nach dem Stand der Technik sonst mindestens zwei um 90° el. gegeneinander versetzte, separate Wicklungen, die im allgemeinen im Betrieb von Impulsen entgegengesetzter Polarität durchflossen werden, erforderlich sind.

Dadurch ergeben sich wesentliche Einsparungen für einen gattungsgemäßen Motor auch bei hoher Laufgüte sowohl bei der Herstellung des Motors, wie auch bei den erforderlichen elektronischen Bauelementen, da für die weggefallenen Wicklungen auch keine elektronischen Steuerglieder mehr erforderlich sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrommotor, gesehen längs der Linie I-I der Fi g. 2. Auch sind die benötigten Schaltungselemente schematisch in F i g. 1 dargestellt.

Fig.2 einen Längsschnitt durch den Motor nach Fig. !,gesehen längs der Linie U-Il der F ig. 1,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf einen Teil des Permanentmagnetrotors nach den F i g. 1 und 2, gesehen längs der Linie IH-III der F i g. 2, wobei die Achse aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.

Fig.4 ein Schaubild zur Erläuterung der Wirkungsweise des ^: lotors nach den F i g. 1 bis 3.

In den f i g. 1 und 2 ist ein kollektorloser Gleichstrommotor dargestellt, dessen Rotor 1 und dessen Stator 2 einen axialen Luftspalt begrenzen.

F i g. 1 zeigt einen Draufsicht auf eine aus einem isolierenden Werkstoff bestehende Platte 10, auf der zwei eisenlose Flachspulen 11, 12 angeordnet sind, welche sich diametral gegenüberliegen. Zur Befestigung ist die Platte 10 mit Befestigungslöchern 13 versehen. In der Mitte der Platte 10 befindet sich eine Ausnehmung 14, durch die eine Welle (Drehachse) 15 ragt, die an ihrem unteren Ende in (nicht dargestellten) Lagern gelagert ist.

Wie Fig. 2 zeigt, sind auf dieser Welle im Abstand voneinander zwei Weicheisenscheiben 16 und 17 befestigt, auf denen Ringmagnete 18 bzw. 19 befestigt sind. Die Art der Magnetisierung des Ringmagneten 18, welche zu derjenigen des Ringmagneten 19 spiegelbildlich ist, geht aus F i g. 3 hervor. Danach verlaufen die Pollükken 22 hier nicht genau radial nach außen, sondern unter einem Winkel af zu einem gedachten Radiusvektor 23, welcher durch die jeweilige Pollücke 22 verläuft. In F i g. 3 ist die ungefähre Richtung der Längsachse einer Pollücke 22 mit der Zahl 24 bezeichnet.

Da sich der Rotor 1, der im wesentlichen aus den Teilen 16 bis 19 sowie der zugeordneten Welle 15 besteht, in Richtung des Pfeiles 25 (Fig. I und 3) bewegt, erkennt man, daß die Pollücken 22 entgegen der Drehrichtung gegenüber dem Radiusvektor 23 verdreht sind. Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 sind die Pollücken 22 außerdem noch gekrümmt. Die zeichnerische Darstellung zeigt den Verlauf der Krümmung. Die Flachspulen 11 und 12 sind in Ausnehmungen der Platte 10 befestigt, und ihre Anschlüsse 27 bis 30 sind direkt nach außen geführt. In Fig. 1 sind die magnetisch aktiven, radial verlaufenden Abschnitte der Flachspule 11 mit 33 und 34 und diejenigen der Flachspule 12 mit 35 und 36 bezeichnet. Wie man aus F i g. 1 klar erkennt, verlaufen diese Spulenabschnitte 33 bis 36 nicht direkt radial, also z. B. in Richtung der in F i g. 1 eingezeichneten Radiusvektoren 37 oder 38, sondern sind, in Richtung der jeweiligen Radiusvektoren gesehen und unter Bezug auf einen (!) Umlaufsinn zueinander, d. h. abwechselnd, gejensinnig geschrägt, schließen also jeweils mit diesen Radiusvektoren 37 bzw. 38 einen Winkel α ein.

Außerdem sind diese Spulen noch gesehnt, d. h. sie sind kürzer als die zugehörige Polteilung, was ebenfalls zur Verbesserung des Drehmomentenverhaltens beiträgt.

Neben der Flachspule 12 ist ein Hallgenerator 42 befestigt. Versuche haben ergeben, daß die dargestellte Lage des Hallgenerators 42, nämlich ungefähr auf dem Radiusvektor 37, der unter 45° (90° el.) zur Verbindungslinie der beiden Flachspulen 11 und 12 verläuft, für die Steuerung optimal ist.

Jeweils entgegengesetzt zur Drehrichtung sind die im Anschluß an die Flachspulen 11 und 12 keilförmig ausgebildeten Weicheisenteile 45, 46 angeordnet. Diese Weicheisenteile schließen sich, wie dargestellt, direkt an die Flachspulen 11 bzw. t2 an und verjüngen sich, von dort ausgehend, entgegen der Drehrichtung. Solche Formteile dienen dazu, an diesen Stellen des Stators einen magnetischen Widerstand zu erzeugen, der sich in Umfangsrichtung sägezahnförmig ändert.

In vielen Fällen hat es sich gezeigt, daß bereits eines der beiden Weicheisenteile 45 oder 46 genügt, in diesem Fall kann z. B. anstelle des Weicheisenteils 46 in der dort vorgesehenen Öffnung der Hallgenerator 42 befestigt werden.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, sind zum Steuern des Stromes in den beiden Flachspulen 11 und 12 zwei Transistoren 49 und 50 vorgesehen, deren Emitter jeweils an einen Minuspol 51 einer Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. Der Kollektor des Transistors 49 ist mit dem Anschluß 27, der Kollektor des Transistors 50 mit dem Anschluß 29 verbunden. Die Anschlüsse 28 und 30 sind mit dem Pluspol 52 der Gleichspannungsquelle verbunden. Die Basis des Transistors 49 und die Basis des Transistors 50 sind an die Steuerausgänge des Hallgenerators 42 angeschlossen, dessc.i beide anderen Anschlüsse an den Minuspol 51 und — über einen Widerstand 53 — an den Pluspol 52 angeschlossen sind.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Motors nach den F i g. 1 bis 3 wird Bezug genommen auf die Darstellung in F i g. 4. Dort ist in der unteren Reihe mit 55 eine Kurve bezeichnet, welche das elektromagnetische Moment M_ei darstellt, das bei laufendem Motor im Rotor 1 erzeugt wird. Wie man klar sieht, treten im Momentenverlauf Lücken auf, die in F i g. 4 mit 56 bezeichnet sind. Diese Lücken 56 ergeben ein ungleichmäßiges Drehmoment.

Durch die Weicheisenteile 45 und 46 wird nun erfindungs gemäß ein zusätzliches Reluktanz-Drehmoment MRd erzeugt, dessen Form in F i g. 4 in der oberen Reihe dargestellt ist und wobei Flächenteile unter dem Kurvenverlauf mit 57 bis 59 bezeichnet sind. Dieses Drehmoment hat durch die bei den Weicheisenteilen 45 und 46 gewählte Formgebung bei der Form der Pollücken 22 und bei der Lage der magnetisch-aktiven Spulenabschnitte 33 bis 36 die in F i g. 4 dargestellte unsymmetrische Form. Hierbei sollte die in F i g. 4 mit 58 bezeichnete Fläche in der Größe möglichst der Fläche 59 enisnre-

chen. Die untere Begrenzung der Flache 58 stellt ein Bremsmoment dar, während die obere Fläche 59 ein positives Drehmoment ergibt. Man kann sich die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Prinzips am besten so vorstellen, daß die Fläche 58 Energie darstellt, die ί durch das elektromagnetische Moment 55 erzeugt und im magnetischen Feld des Motors gespeichert wird und daß die Fläche 59 die Energie darstellt, die in den Momentenlücken 56 durch das magnetische Feld di_s Motors freigegeben wird 'jnd diesen dort antreibt. — D-.irch π« die Überlagerung der Momentenkurven 57 und 55 ergibt sich das in F i g. 4 mit 60 bezeichnete Summenmoment /W^,,, das bei geeigneter Bemessung im Bereich des Nennmomentes praktisch konstant gehalten werden kann. I)

Beim Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 bis J ist besonders darauf hinzuweisen, daß durch die Krümmung der Pollücken 22 in Verbindung mit dem Verlauf der magnetisch-aktiven Abschnitte 33 bis 36 der Flachspulen 11, 12 und deren Schrägung erreicht wird, daß jo die aktiven Flächenteile 57, 59 des in F i g. 4 dargestellten Kurvenverlaufs Reluktanzmomentes 57 genau an der Stelle wirksam werden, an der sie im Momenterverlauf benötigt werden. Ohne diese Maßnahme wäre es erforderlich, die Weicheisenteile 45 über oder unter den :ϊ Flachspulen 11, 12 arizuzordnen, wodurch deren Wikkelhöhe wesentlich reduziert würde. Durch diese Anordnung vermeidet man aber diesen Nachteil, d. h., man kann die volle Wickelhöhe ausnutzen, wie das aus F i g. 2 klar hervorgeht, erhält aber dennoch den gewünschten Momentenverlauf. Wie man aus den Fig. 1 und 3 zusammengenommen erkennt, verlaufen die Pollücken 22 fast unter einem rechten Winkel zu den magnetisch-aktiven Spulenabschnitten 33 und 36, dagegen praktisch parallel zu den magnetisch-aktiven Spuienabschnitten 34 und 35. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Pollükken 22 beim Vorbeilaufen an den geformten Weicheisenteilen 45 oder 46 mit diesen und den benachbarten magnetisch-aktiven Spulenabschnitten gleichzeitig in Wechselwirkung treten können.

Wenn bei einem erfindungsgemäß ausgeführten Elektromotor die Magnetisierung des permanent-magnetischen Rotors im Luftspalt in Drehrichtung eine annähernd rechteckförmige Induktionsverteilung aufweist, ist das in Sonderfällen auch für die Konstanz des Gesamt-Drehmoments M_g„ von Vorteil.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem permanenimagnetischen Rotor, einem zwei Wicklungen aufweisenden Stator, der in Verbindung mit dem Rotor ein Lücken aufweisendes Drehmoment erzeugt, einem die Rotorlage erfassenden Drehstellungsdetektor, iti dessen Abhängigkeit steuerbare Schalter die Statorwicklungen an eine Gleichstromquelle schalten, wobei für eine drehwinkelabhängig veränderliche Ausbildung des magnetischen Widerstandes in dem Statorteil des magnetischen Kreises im Bereich des Luftspaltes ein Teil aus magnetischleitendem Werkstoff vorgesehen ist, das sich auf dem größeren Teil seiner Erstreckung entgegen der Drehrichtung des Rotors verjüngt zur Erzeugung eines zeitlich versetzten Reluktanzhilfsmoments, welches in die Lücken des elektromagnetischen Drehmoments wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor mit axialem Luftspalt der Rotor (26) aus zwei jeweils an einer Weicheisenscheibe (16, 17) befestigten und einander gegenüberstehenden Ringmagneten (18, 19) besteht, die zwischen sich eine die als eisenlose Flachspulen (11,12) ausgebildeten Wicklungen tragenden Platte (10) aus isolierendem Werkstoff als Stator (2) einschließen, und daß das Teil aus magnetisch-leitendem Werkstoff (45, 46) im Luftspalt zwischen den Ringmagneten (18,19) angeordnet ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (45, 46) aus magnetisch-leitendem Werkstoff im Anschluß an die Flachspule (11) angeordnet und an deren Form angepaßt ist.

3. Motor nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (45, 46) aus magnetischleitendem Werkstoff in einer Richtung verjüngt ist, die parallel zur Ebene des Luftsnaltes verläuft.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben der einen Flachspule das als Weicheisenteil (45) ausgeführte Teil aus magnetisch-leitendem Werkstoff für die Erzeugung des Reluktanzhilfsmomentes und an einer magnetisch gleichwertigen Stelle des Stators, vorzugsweise an der analogen Stelle im Bereich der anderen Flachspule (12), als Drehstelldetektor ein die Drehstellung des Rotors erfassendes, magnetisches Fühlelement (Hallgenerator 42) vorgesehen ist.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Polen des permanentmagnetischen Rotors (1) Pollücken (22) vorhanden sind, die unter einem vorgegebenen Winkel (x¹) zu einem von der Drehachse (15) ausgehenden Radiusvektor (23) verlaufen.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen (24) der Pollücken (22) gegenüber dem zugeordneten Radiusvektor (23) von diesem aus jeweils entgegen der Drehrichtung (25) verdreht sind.

7. Motor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pollücken (22) gekrümmt ausgebildet sind.

8. Motor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachspulen (11, 12) leicht gesehnt sind.

9. Motor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch-wirksamen, von innen nach außen verlaufenden Abschnitte (33 bis 36) jeder Flachspule (11; 12) in Richtung der jeweiligen Radiusvektoren gesehen gegeneinander geschrägt sind.

10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägungswinkei (x) der Spulenabschnitte (33 bis 36) etwa gleich dem Winkel {«") ist, den die Pollücken des Rotors (22) mit dem jeweils zugeordneten Radiusvektor (23) bilden.