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Kollektorloser Gleichstrommotor (Zusatz zur Patentanmeldung P 22
25 442.8) Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem
permanentmagnetischen Rotor, welcher Motor mindestens eine im Betrieb ein Lücken
aufweisendes Drehmoment erzeugende Wicklung und Mittel zum Speichern von magnetischer
Energie zur Überwindung dieser Momentenlücken aufweist, nach Patentanmel= dung P
22 25 442. 8 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Weiterbildung des Gegenstands
des Hauptpatents, insbesondere im Hinblick auf ei= nen ruhigen, vibrationsfreien
Lauf des dort beschriebenen Motors.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs genannten kollektor=
losen Gleichstrommotor dadurch erreicht, daß die mindestens eine Wicklung, welche
in an sich bekannter Weise zwei Spulen aufweist, durchgehend mit zwei parallelen
Leitern ausgeführt ist, und daß zum Anschließen der beiden sich durch beide Spulen
erstreckenden Leiter an eine Spannungsquelle jeweils ein Schaltglied, vorzugsweise
ein Halbleiterm schalter, vorgesehen ist, so
daß im Betrieb jeweils
in beiden Spulen elektromagnetische Kräfte erzeugt werden. Hierdurch wird bei einem
Flachmotor die axiale magnetische Zugkraft weitgehend symmetrisch und die Laufgeräusche
verringern sich entsprechend. Da außerdem hier beide Spulen praktisch zu,'gleichen
Teilen an aer Erzeugung des antreibenden Drehmoments mitwirken, werden die Lager
entsprechend entlastet.
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In Weiterbildung der Erfindung geht'man dabei mit Vorteil so vor,
daß an beide Leiter je eine Diode zum Entnehmen der bei gesperrtem Schaltglied entstehenden
induktiven Spannung angeschlossen ist. Die über die beiden Dioden entnommenen induktiven
Spannungen sind bei einer solchen Schaltung außerordentlich gleichmäßig und untereinander
gleich, was besonders für Regelzwecke von großer Wichtigkeit ist, da eine drehzahlabhängige
Spannung, die man durch Zusammenschalten dieser beiden Dioden zu einer Einweg-Gleichrichterschaltung
erhält, an sich eine sehr große Welligkeit aufweist und daher großer Wert darauf
gelegt werden muB, daß diese wellige Spannung wenigstens gute Symmetrieeigenschaften
aufweist. Durch die Erfindung wird es möglich, diese Forderung voll zu erfüllen,
und es wird eine qualitativ hochwertige Regelung auch ohne Verwendung. eines gesonderten
Tachogenerators ermöglicht.
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Weitere Einzelehiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel. Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen
kollektorlosen Gleichstrommotor, gesehen längs der Linie I-I der Fig. 2; in Fig.
1 sind auch die für den Antrieb dieses Motors benötigten Schaltungselemente dargestellt,
Figur 2 einen Längsschnitt durch den Motor der Fig. 1, gesehen längs der Linie II-II
der Fig. 1,
Figur 3 eine schematische Draufsicht auf einen Teil
des Permanentmagnet-Rotors nach den Fi91 und 2, gesehen längs der Linie III-III
der Fig. 2, wobei die Drehachse aus Gründen der Vbersichtlichkeit nicht dargestellt
ist, und Figur 4 ein Schaubild zur Erläuterung der Wirkingsweise des Motors nach
den Fig. 1 bis 3b Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine aus einem isolierenden Werkstoff
bestehende Platte 10, auf der zwei eisenlose 1achspulen 11, 12 angeordnet sind,
welche sich diametral gegenüberliegen. Zur Befestigung ist die Platte 1Q mit Befestigungslöchern
13 versehen. In der Mitte der Platte 10 befindet sich eine Aus nehmung 14, durch
die eine Motorwelle 15 ragt, die an ihrem unteren Ende in (nicht dargestellten)
Lagern gelagert ist. Wie Fig. 2 zeigt, sind auf dieser Welle 15 im Abstand voneinander
zwei Weicheisenscheiben 16 und 17 befestigt, auf denen Ringmagnete 18 bzw. 19 befestigt
sind. Die Art der Magnetisierung des Ringmagnets 18, welche zu derjenigen des Ringmagneten
19 spiegelbildlich ist, geht aus Fig. 3 hervor. Danach verlaufen bei dieser Ausführungsform
die Pollücken 22 zwischen ungleichnamigen Polen nicht genau radial nach auswärts,
sondern unter einem Winkel Z zu einem gedachten Radiusvektor 23, welcher durch die
jeweilige Pollücke 22 verläuft. In Fig. 3 ist die ungefähre Richtung der Längsachse
einer Pollücke 22 mit 24 bezeichnet. Da sich der Rotor 26, der im wesentlichen aus
den Teilen 16 bis 19 sowie der zugeordneten Welle 15 besteht, in Richtung des Pfeiles
25 (Fig.
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1 und 3) bewegt, erkennt man, daß die Pollücken 22 entgegen der Drehrichtung
gegenüber dem Radiusvektor 23 verdreht sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3
sind die Pollücken 22 außerdem in vorteilhafter Weise noch gekrümmt.
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Die Flachspulen 11 und 12 sind in Ausnehmungen der Platte 10 befestigt.
Wie Fig. 1 schematisch zeigt, sind beide Spulen 11
und 12 durchgehend
aus zwei parallelen Leitern 27 (durchgehende Linien) und 28 (gestrichelte Linien)
gewickelt. Es handelt sich also um eine sogenannte bifilare Wicklung. Der Leiter
27 beginnt an einem AnschlußA, der aus der Spule 11 herausgeführt ist, und erstreckt
sich ausgehend hiervon entgegen dem Uhrzeigersinn durch die Spule 11; daran anschließend
erstreckt sich dieser Leiter 27 zur Spule 12, die er im Uhrzeigersinn durchläuft,
und zwar bis zu einem aus der Spule 12 herausgeführten Anschluß E. Jede Spule hat
eine Vielzahl von Windungen.
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In genau derselben Weise erstreckt sich parallel zum Leiter 27 der
Leiter 28 von einem Anschluß A' an der Spule 11 zu einem Anschluß E' an der Spule
12.
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Neben der Flachspule 12 ist ein Hall-Generator 42 befestigt1 und zwar
etwa auf einem Radiusvektor 37, welcher unter 450 (90° elektrisch) zur Verbindungslinie
der beiden Spulen 11 und 12 verläuft.
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Entgegengesetzt zur Drehrichtung ist im Anschluß an die Spule 11 ein
keilförmiges Formstück 45 aus magnetisch leitendem Werkstoff, z.B. Eisen, angeordnet.
Es schließt sich, wie dargestellt, direkt an die Spule 11 an und verjüngt sich von
dort ausgehend entgegen dem Drehsinn. Dieses Formstück 45 dient dazu, im Zusammenwirken
mit dem Rotor dann magnetische Energie zu speichern, wenn die Spulen 11, 12 erregt
sind und diese magnetische Energie in den Momentenlücken wieder abzugeben, um so
durchgehend ein Drehmoment zu erhalten. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel hat
das Formstück 45 an allen Stellen dieselbe Höhe bzw. Dicke wie die Spulen 11 und
12, deren Höhe aus Fig. 2 hervorgeht, 8o daß auf seinen beiden Seiten gleich große
Luftspalte 46 und 47 gebildet werden.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, sind zum Steuern des Stromes in den beiden
Leitern 27 und 28 zwei Transistoren 49 bzw. 50 vorgesehen, deren Emitter jeweils
an einen Minuspol 51 einer Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. Der Kollektor
des Transistors 49 ist mit dem Anschluß A des Leiters 27, der Kollektor des
Transistors
50 mit dem Anschluß El des Leiters 28 verbunden.
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Die Anschlüsse A' und E sind jeweils mit dem Pluspol 52 der Gleichspannungsquelle
verbunden. Die Basis des Transistors 49 und die Basis des Transistors 50 sind jeweils
an einen der Steuerausgänge des Hall-Generators 42 angeschlossen, dessen beide anderen
Anschlüsse an den Minuspol 51 und - über einen Einstellwiderstand 53 - an den Pluspol
52 der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.
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Fig. 4 erläutert die Wirkungsweise des Motors nach den Fig. 1 bis
3. Dort ist in der zweiten Reihe mit 55 eine Kurve bezeichnet, welche das durch
den Strom in den Leitern 27 und 28erzeugte Drehmoment darstellt, das bei laufendem
Motor im Rotor 26 erzeugt wird. Wie man klar sieht, treten im Momentenverlauf Bücken
auf, die in Fig. 4 mit 56 bezeichnet sind. Diese Momentenlücken 56 sind deshalb
ungünstig, weil sie in ungünstigen Fällen den Anlauf des Motors verhindern und ein
ungleichmäßiges Drehmoment ergeben.
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Durch die in dem Formstück 45 gespeicherte magnetische Energie wird
ein zusätzliches Reluktanz-Drehmoment erzeugt, dessen Form in Fig. 4 in der ersten
und zweiten Reihe dargestellt und mit 57 bezeichnet ist. Es hat die in Fig. 4 dargestellte
unsymmetrische Form. Dabei gilt, daß die Fläche 58 jeweils der Fläche 59 entspricht.
Die untere Begrenzung der Fläche 58 stellt ein Bremsmoment dar, die obere Begrenzung
der Fläche 59 dagegen ein positives, also antreibendes Drehmoment. Mit 60 ist das
Summenmoment bezeichnet, das sich durch die Überlagerung der Momentenkurven 5? und
55 ergibt; bei geeigneter Bemessung kann dieses Summenmoment über dem gesamten Drehwinkel
praktisch konstantgehalten werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausführung der einsträngigen Wicklung aus
zwei parallelen Leitern wird erreicht, daß auf den Rotor 26
ein
praktisch symmetrisches Drehmoment ausgeübt wird, welches die Lager des Rotors nicht
mit einseitigen Kräften belastet.
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Ferner wird erreicht, daß die auf den Rotor wirkenden axialen magnetischen
Kräfte ebenfalls symmetrisch sind und daher die Laufgeräusche eines erfindungsgemäß
ausgebildeten Motors besonders klein werden.
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Legt man in der in Fig. 1 dargestellten Weise an den Kollektor des
Transistors 49 eine Diode 62 und an den Kollektor des Transistors 50 eine Diode
63 und führt deren Anoden an einen Punkt 64, 80 erhält man an diesem Punkt eine
Spannung u64, deren Verlauf in Fig. 4 in der untersten Reihe dargestellt ist. Diese
Spannung, deren Betrag der Drehzahl des Motors proportional ist, hat, wie dargestellt,
eine große Welligkeit. Würde man mit dem *) Transistor 50 nur die Spule 12 schalten
und bei einer solchen Schaltung in der gleichen Weise mit den Dioden 62 und 63 die
induzierte Spannung während der Schaltpausen abnehmen, so könnte es bei Unsymmetrien
im Motoraufbau vorkommen, daß die in den Einzelspulen induzierten Spannungen starke
Unsymmetrien sufweisen, wie dies in Fig. 4 durch die strichpunktierte Linie 65 dargestellt
ist, die um einen Betrag du größer ist als der Spitzenwerta der induzierten Spannung
von der anderen Spule. Bei einer Regelschaltung wäre eine solche Unsymmetrie sehr
unerwünscht und würde zu zusätzlichen Glättungsmaßnahmen zwingen, die aber recht
schwierig durchzuführen wären, weil diese Unsymmetrien dieselbe niedrige Frequenz
haben wie die Taktfrequenz eines der Transistoren 49 oder 50, also die Maschinenfrequenz
des Motors, während eine Spannung u64 mit untereinander identischen induzierten
Spannung eine höhere Grundfrequenz hat, welche doppelt so groß ist wie diese Taktfrequenz
und daher wesentlich leichter geglättet werden kann. Durch die erfindungsgemäße
Ausbildung, bei der die induzierten Spannungen u64 jeweils in beiden Spulen 11 und
12 induziert werden1 erreicht man eine äußerst gleichmäßige Form der induzierten
Spannungswellep, so daß man diese besonders gut für Regelzwecke verwenden kann.
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*)Transistor 49. nur die Spule 11 und mit dem
In Fig.
1 ist zwischen dem Minuspol 51 der Gleichspannungsquelle und dem Punkt 64 ein Potentiometer
66 dargestelltg an dessen Abgriff 67 ein Glättungskondensator 68 angeschlossen ist,
an welchem eine drehzahlproportionale Gleich spannung abgenommen werden kann, die
z.B. zum Betrieb eines Drehzahlmessers 69 dienen kann. Diese drehzahlproportiosale
Gleichspannung kann jedoch auch in gleicher Weise zum Betrieb einer Drehzahlregelschaltung
für den erfindungsgemäßen Motor dienen Die Erfindung kann in gleicher Weise auch
bei Motoren mit höherer Polpaarzahl angewendet erden, wie man sie z.B. als Antriebe
für Plattenspieler verwendet. Wird z.B. die Polpaarzahl verdoppelt, wozu man sonst
acht Spulen, vier Hallgeneratoren etc. benötigen würde, so genügen hier zwei bifilare,
einsträngige Wicklungen mit zwei Hallgeneratoren, wobei man wenigstens zwei Elemente
nach Art des Elements 45 vorsehen muß.
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Durch die Erfindung erhält man also mit einfachen und preiswerten
Mitteln eine wesentliche Verbesserung der Eigenschaften eines erfindungsgemäßen
Gleichstrom-Motors.