DE2239167C2 - Kollektorloser Gleichstrommotor mit axialem Luftspalt - Google Patents

Description

Gleichstrommotor nach dem Hauptpatent 22 25 442 gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE-AS 15 38 831 ist ein Elektromotor bekannt, bei dem ein veränderlicher magnetischer Widerstand im Stator in Form eines Kranzes von mit Induktionswicklungen versehenen, axial gerichteten Polen mit einer Erregerwicklung vorgesehen ist. Diese Anordnung weist eine Bifilarwicklung auf, womit der unerwünschte Einfluß einer Gegen-EMK auch dort unterdrückt werden soll, jedoch ist diesem Stande der Technik in keiner Weise zu entnehmen, daß die im Betrieb wirkenden Kräfte in den örtlich unterschiedlich positio- * nierten Erregerspulen im Sinne einer Laufruheverbesserung des Motors Symmetrien werden.

Bei dem hier vorliegenden Flachmotor geht es um die Symmetrierung der Kräfte und nicht um Maßnahmen, die Folgen starker Gegen-EMKe zu beherrschen.

Aus der einen mechanisch robusten Motor mit zylindrischem Luftspalt zeigenden US 30 25 443 ist ebenso eine Bifilarwicklung bekannt, wobei außerdem über Dioden eine Rückspeisung erfolgt. Die Dioden dort sind geschaltet wie bei einer Anordnung nach der Druckschrift »Feinwerktechnik« 74 (1970) Heft 1, Seite 12—18, Dort wird während der stromlosen Phasen aus der Ständerwicklung eine induzierte Spannung zu Regelungszwecken ausgekoppelt. Die Dioden in der US 30 25 443 sind aber nicht an einen gesonderten Punkt geführt, so daß man mit ihrer Hilfe im Normalfall keine Drehzahl-proportionale Spannung auskoppein kann, sondern nur unter besonderen Umständen, z. B. dann, wenn der Motor im Bremsbetrieb arbeitet (vgl. Spalte 7,

Iff).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Weiterbildung des Gegenstandes des Hauptpatents, insbesondere im Hinblick auf einen ruhigen, vibrationsfreien Lauf des dort beschriebenen Motors. Die Lösung wird mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 erreicht

Nach der Erfindung werden im Betrieb jeweils in beiden Spuien elektromagnetische Kräfte erzeugt. Hierdurch werden bei einem Flachmotor die magnetischen Zugkräfte weitgehend Symmetrien und die Laufgeräusche verringern sich entsprechend. Da außerdem hier beide Spulen praktisch zu gleichen Teilen an der Erzeu gung des antreibenden Moments mitwirken, werden die

;5 Lager entsprechend entlastet.

In Weiterbildung der Erfindung geht man dabei mit Vorteil so vor, daß an beide Leiter je eine Diode zum Entnehmen der bei gesperrtem Schaltglied entsprechenden 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 muß, 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
Die Verwendung von über Dioden aus einer Wicklung ausgekoppelten Spannungswerten zu Regelzwekken ist an sich auch aus der DE-PS 12 38 998 bekannt, während die Druckschrift »Feinwerktechnik« eine solche Regelschaltung Z2igt

Die Erfindung wird nachstehend mit dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrommotor, gesehen längs der Linie 1-1 der F i g. 2; in F i g. 1 sind auch die für den Antrieb dieses Motors benötigten Schaltungselemente dargestellt,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch den Motor der Fig. 1, gesehen längs der Linie H-II der Fig. 1,
Fig.3 eine schematische Draufsicht auf einen Teil des permanentmagnetischen Rotors nach den F i g. 1 und 2, gesehen längs der Linie ΠΙ-ΙΙΙ der F i g. 2, wobei die Drehachse aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist, und

F i g. 4 ein Schaubild zur Erläuterung der Wirkungsweise des Motors nach den F i g. 1 bis 3.

F i g. 1 zeigt eine 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 Motorwelle 15 ragt, die an ihrem unteren Ende in (nicht dargestellten) Lagern gelagert ist. Wie F i g. 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 F i g. 3 hervor. Danach verlaufen bei dieser Ausführungsform die Pollücken 22 zwischen ungleichnamigen Polen nicht genau radial nach auswärts, sondern unter einem Winkel ad zu einem gedachten Radiusvektor 23, welcher durch die jeweilige Poilücke 22 verläuft. In F i g. 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 W?lle 15 besteht, in Richtung de.* Pfeiles 25 (F i g. 1 und 3) bewegt erkennt man, daß die Pollükken 22 entgegen der Drehrichtung gegenüber dem Radiusvektor 23 verdreht sind. Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 sind die Pollücken 22 außerdem in vorteilhafter Weise noch gekrümmt

Die Flachspulen 11 und 12 sind in Ausnehmungen der Platte 10 befestigt Wie F i g. 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 Anschluß A, der aus der Spule 11 herausgeführt ist, und erstreckt sich ausgehend hiervon im 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.

In genau derselben Weise erstreckt sich parallel zum Leiter 27 der Leiter 28 von einem Anschluß A' an der Spule 11 zu einem Anschluß fan der Spule 12.

Neben der Flachspule 12 ist ein Hall-Generator 42 befestigt, und zwar etwa auf einem Radiusvektor 37, welcher unter 45° (90° elektrisch) zur Verbindungslinie der beiden Spulen 11 und 12 verläuft

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 F i g. 2 hervorgeht, so daß auf seinen beiden Seiten gleich große Luftspalte 46 und 47 gebildet werden.

Wie in F i g. 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 £'des Leiters 28 verbunden. Die Anschlüsse A 'und fsind 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.

Fig.4 erläutert d:s Wirkungsweise des Motors nach den F i g. 1 bis 3. Dort ist in der zweiten Reihe mit 55 eine Kurve bezeichnet, v. eiche das durch den Strom in den Leitern 27 und 28 erzeugte Drehmoment darstellt, das bei laufendem Motor im Rotor 26 erzeugt wird. Wie man klar sieht, treten im Momentenverlauf Lücken auf, die in F i g. 4 mit 56 bezeichnet sind. Diese Lücken 56 sind deshalb ungünstig, weil sie in ungünstigen Fällen den Anlauf des Motors verhindern und ein ungleichmäßiges Drehmoment ergeben.

Durch die in dem Formstück 45 gespeicherte magnetische Energie wird ein zusätzliches Reluktanz-Drehmoment erzeugt, das als Kurve in F i g. 4 in der ersten und zweiten Reihe dargestellt und mit 57 bezeichnet ist. Es hat die in F i g. 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 Momen'.enkurven 57 und 55 ergibt; bei geeigneter Bemessung kann das Summenmoment 60 über dem gesamten Drehwinkel praktisch konstant gehalten werden.

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 imager des Rotors nicht mit einseitigen Kräften beiastet Ferner wird erreicht, daß die auf den Rotor wirkenden magnetischen Kräfte ebenfalls symmetrisch sind und daher die Laufgeräusche eines erfindungsgemäß ausgebildeten Motors besonders klein werden.

Legt man in der in F i g. 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, so erhält man an diesem Punkt eine Spannung U₆₄, deren Verlauf in F i g. 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 49 nur die Spule 11 und mi? dem Transistor 50 nur die Spule 12 schalten und bei einer solchen Schaltung in der gleichen Weise mit den Dioden 62 u-:d 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 aufweisen, wie dies in Fig.4 durch die strichpunktierte Linie

65 dargestellt ist, die um einen Betrag Au größer ist als der Spitzenwert 0 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, weiche doppelt so groß ist wie diese Taktfrequenz und daher wesentlich leichter geglättet weiden kann. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung, bei der die induzierten Spannungen U₆₄ jeweils in beiden Spulen U und 12 induziert werden, erreicht man eine äußerst gleichmäßige Form der induzierten Spannungswellen, so daß man diese besonders gut für Regelzwecke verwenden kann.

In Fig. 1 ist zwischen dem Minuspol 51 der Gleich-Spannungsquelle und dem Punkt 64 ein Potentiometer

66 dargestellt, an dessen Abgriff 67 ein Glättungskondensator 68 angeschlossen ist, an welchem eine drehzahlproportionale Gleichspannung abgenommen wer-

den kann. Diese drehzahlproportionale 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 werden, wie man sie z. B. als Antriebe für Plattenspieler verwendet.

Durch die Erfindung erhält man also mit einfachen und preiswerten Mitteln eine wesentliche Verbesserung der Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Gleich-Strommotors.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

40

45

55

60

65

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit axialem Luftspalt, mit einem permanentmagnetischen Rotor, einem zwei Wicklungen aufweisenden Stator, der in Verbindung mit dem Rotor ein Lücken aufweisendes Drehmoment erzeugt, einem die Rotorlage erfassenden Drehstellungsdetektor, in 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 magnetisch-leitendem Werkstoff vorgesehen ist zur Erzeugung eines zeitlich versetzten Reluktanzhilfsmoments, welches in den Lücken des elektromagnetischen Drehmoments wirksam ist, wobei die als eisenlose Flachspulen ausgebildeten Wicklungen mit einer sie tragenden Platte den Stator bilden, nach Patent2225442, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Fiachspuien durchgehend mit iwei parallelen Leitern (27,28) jeweils einer der steuerbaren Schalter (Transistoren 49,50) vorgesehen ist

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus zwei parallelen Leitern (27, 28) bestehende Statorwicklung bifi(ar ausgebildet ist

3. Motor nach Anspruch ! oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an beide Leiter je eine Diode (62, 63) zum Entnehmen der bei gesperrtem zugeordnetem Schaltglied (49, 50) entstehenden induktiven Spannungs-pitzen (υ&) angeschlossen ist