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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 Stücken
aufweisendes Drehmoment erzeugende Wicklung und Mittel zum Speichern magnetischer
Energie zur Überwindung dieser Momentenlücken aufweist, nach Patentanmeldung P 22
25 442.8.
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Die Erfindung nach dem Hauptpatent vereinfacht den Aufbau von kollektorlosen
Gleichstrommotoren und der zugehörigen Schaltung ganz wesentlich. Beispielsweise
benötigt der in der Siemens-Zeitschrift 1966, Seiten 690 bis 693, beschriebene Motor
zur Erzeugung eines Drehfelds vier getrennt ansteuerbare Spulen, zu deren kontaktloser
A1steuerung man zwei Hallgeneratoren und wenigstens vier Transistoren benötigt;
hierbei sind die Schaltelemente eines etwaigen Drehzahlreglers nicht berücksichtigt.
Nach der Erfindung dagegen benötigt ein solcher Motor nur zwei Spulen, einen einzigen
Hallgenerator und zwei Ansteuertransistoren. Dies eröffnet die Möglichkeit, solche
Motoren wesentlich preis wert er zu bauen als bisher.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Ausbildung eines
sogenannten Flachmotors, bei dem die Wicklungen als Flachspulen ausgebildet sind.
Ein solcher Motor, bei dem beiderseits der Flachspulen je ein Ringmagnet umläuft,
reagiert sehr empfindlich auf ferromagnetische Teile, die unsymmetrisch im Luftspalt
angeordnet sind. Nach der Erfindung benötigt man mindestens ein ferromagnetisches
Teil im Luftspalt, welches zusammen mit den Ringmagneten zur Speicherung magnetischer
Energie und zur Erzeugung eines Hilfs-Antriebsmoments in den Momentenlücken dient.
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Wird dieses ferromagnetische Teil aus irgendwelchen Gründen unsymmetrisch
im Luft spalt angeordnet, was oft nicht völlig zu vermeiden ist, so ergeben sich
beim Vorbeilaufen der Pollücken starke axiale magnetische Kräfte, die einen unruhigen
Lauf des Motors bewirken und die Lager zusätzlich belasten. Beides ist unerwünscht.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, hier eine Verbesserung
zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs genannten Motor dadurch
erreicht, daß bei Ausbildung des Motors als Flachspulen aufweisender Flachmotor
die' Mittel zum Speichern magnetischer Energie als an mindestens einer Stelle des
vom magnetisch aktiven Teil des Rotors überstrichenen Bereichs
nebeneinander
und mit Abstand yoneinander angeordnete ferromagnetische Elemente ausgebildet sind.
Es hat sich gezeigt, daß bei einer solchen Konstruktion der axiale magnetische Zug
auch dann wesentlich kleiner wird als bei'einem einzigen Eisenteil, wie es das Ausführungsbeispiel
des Hauptpatents zeigt, wenn diese ferromagnetischen Elemente nicht genau symmetrisch
im Luftspalt, also in dessen Mittelebene, angeordnet sind, und daß man auf-diese
Weise mit sehr einfachen Mitteln einen ruhigen Motorlauf;erzielen kann. Zudem ergibt
sich auf sehr einfache Weise die Möglichkeit, durch entsprechende Dimensionierung
und Orientierung dieser Teile Größe und Verlauf des gewunschten Reluktanzmoments
zu bestimmen. Ferner werden die Wirbelströme in diesen Elementen verringert.
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Eine besonders einfache Ausbildung ergibt sich in weiterer Ausgestaltung
der Erfinduhg-dadurch, daß die ferromagnetischen Elemente als senkrecht zur Ebene
des Luftspalts angeordnete Stanzteile aus Weicheisen ausgebildet sind.
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Solche Stanzteile-können z.B. durch Feinstanzen äußerst maßgenau und
dabei sehr preiswert hergestellt werden Ihre Befestigung am Stator ist sehr einfach,
da man sie z.B.
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einfach in Schlitzen des die Flachspulen tragenden Bauteils einrasten,
festkleben oder sonstwie befestigen kann.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen kollektorlosen
Gleichstrommotor, gesehen längs der Linie I-I der Fig. 2; in Fig. 1 sind auch elektronische
Schaltelemente für den Betrieb des Motors schematisch dargestellt, Fig. 2 einen
Längsschnitt durch den Motor nach Fig. 1, gesehen längs der Linie II-II der Fig.
1,
Fig. 3 einen Schnitt, gesehen längs den Linien III-III der Fig.
1, in vergrößertem Maßstab, Fig. 4 bis 6 schematische Darstellungen zum Erläutern
der Wirkungsweise der Erfindung, Fig. 7 eine raumbildliche Darstellung einer beispielsweisen
Ausführungsform eines ferromagnetischen Elements, wie es bei der Erfindung verwendet
wird, Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf einen Teil des Permanentmagnetrotors
nach den Fig. 1 und 2, gesehen längs der Linie VIII-VIII der tig 2, wobei die Achse
und die Tragteile des Permanentmagneten der Ubersichtlichkeit wegen nicht dargestellt
sind; Fig. 8 ist gegenüber den Fig. 1 und 2 in einem etwas verkleinerten Maßstab
dargestellt, und Fig. 9 ein Schaubild zur Erläuterung der Wirkungsweise eines Flachmotors
nach den vorhergehenden Fig.
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Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine aus einem isolierenden Werkstoff
bestehende Platte 10, welche Ausnehmungen aufweist, in denen zwei eisenlose Flachspulen
II und 12 befestigt sind, welche sich diametral gegenüberliegen. Die Platte 10,
die auch die (nicht dargestellten) Schaltungselemente des Motors trägt, weist vier
Befestigungslöcher 13 auf. In ihrer Mitte befindet sich eine Ausnehmung 14, durch
welche eine Welle 15 ragt, die an ihrem unterem Ende in (nicht dargestellten) Lagern
gelagert ist. Wie Fig. 2 zeigt, sind auf dieser Welle, durch eine Distanzhülse 20
in einem genau vorgegebenen Abstand voneinander gehalten, zwei Weicheisenscheiben
16 und 17 befestigt, auf denen axial polarisierte Ringmagnete 18 bzw. 19 befestigt
sind. Die genaue Form der Polarisierung des Ringmagnets 18, welche zu derjenigen
des Ringmagnets 19 spiegelbildlich ist, geht aus Fig. 8 hervor. Danach verlaufen
die Pollücken 22 hier nicht genau radial nach auswärts, sondern unter einem Winkel
alpha zu einem gedachten Radiusvektor 23, welcher durch die jeweilige Pollücke 22
verläuft. In Fig. 8 ist die ungefähre
Richtung der Längsachse einer
Pollücke 22 mit 24 bezeichnet.
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Da sich der Rotor 26, der im wesentlichen aus den Teilen 16 bis 20
sowie der zugeordneten Welle 15 besteht, in Richtung des Pfeiles 25 (Fig. 1 und
8) bewegt, erkennt man, daß die Pollücken 22 entgegen der Drehrichtung gegenüber
dem Radiusvektor 23 verdreht sind. Bei der in Fig. 8 dargestellten bevorzugten Ausführungsform
sind die Pollücken 22 außerdem noch in einer Weise gekrümmt, welche aus der zeichnerischen
Darstellung klar hervorgeht.
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Die Flachspulen 11 und 12 haben Anschlüsse 27 bis 30, welche direkt
nach außen geführt sind.-Zweckmäßig wickelt man beide Spulen bifilar, wobei dann
ihre Mittelanschlüsse direkt durchverbunden werden können und nicht gesondert herausgeführt
werden müssen. Dies ist in der Zusatzanmeldung P 22 .... vom 9.8.72ausführlich beschrieben.
Die Spulen sind gesehnt, also jeweils kürzer als der zugehörige Polbogen, und ihre
magnetisch aktiven Abschnitte 3,3 und 34 bzw. 35 und 36 verlaufen jeweils etwa parallel
zueinander.
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Neben der Spule 12 ist ein Hallgenerator 42 auf der Platte 10 befestigt,
und zwar liegt er auf eiytn, Radiusvektor 37, welcher einen Winkel von.450 (900
elektrisch) mit der gemeins-amen Achse der Spulen 11 und 12 einschließt.
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Ferner sind auf der der Drehrichtung entgegengesetzten Seite der
Spule 11 und an sie anschließend zwei ferromagnetische Elemente 45 und 46 angeordnet,
welche wie dargestellt nebeneinanderliegen, aber einen Abstand voneinander aufweisen,
der von ferromagnetischen Teilen frei ist. Die Form der (identischen) Elemente 45
und 46 geht klar aus den Fig. 3 und 7 hervor. Sie werden zweckmäßig durch Feinstanzen
(ein besonders genaues Stanzverfahren) aus Weicheisenech hergestellt und sind zu
ihrer in Fig0 3 mit 47 bezeichneten Längsachse symmetrisch. An ihrem der Drehrichtung
zugewandten stumpfen Ende 48 haben sie jeweils Anfassungen 49; hieran schließt sich
ein Abschnitt 50 von etwa konstanter Dicke an und dieser Abschnitt bildet auf seinen
beiden Seiten gleich große Luftspalte 51 und 52. Es eg dabe auf dcr daß
auch
bei sorgfältigster Montage diese Luftspalte 51 und 52 meist nicht genau identisch
sein können. Durch die Erfindung werden aber die nachteiligen Folgen solcher Asymmetrien
sehr stark gemildert, um die Laufruhe des erfindungsgemäßen Motors möglichst groß
zu machen. - Anschließend an den Abschnitt 50 folgt die keilförmig sich verJüngende
Spitze 53, welche ganz vorne zweckmäßig mit einer Rundung 54 (Fig. 7) abschließt,
die in eine entsprechende hohle Rundung 55 ddr Platte 10 eingerastet ist. Zweckmäßig
werden die ferromagnetischen Elemente 45 und 46 meist noch mit der Platte 10 verklebt,
was gleichzeitig mit dem Verkleben der Spulen 11 und 12 erfolgen kann. Dabei läßt
man zweckmßig die Unterseite der Elemente 45, 46 mit der Unterseite der Platte 10
fluchten, wie das Fig. 3 klar zeigt, Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1, wobei
die Form der Ringmagnete 18 und 19 und die Lage ihrer Pollücken 22 in einer bestimmten
Stellung mit strichpunktierten Linien eingetragen ist. Diese Linien zeigen also
den vom magnetisch aktiven Teil des Rotors überstrichenen Bereich des Stator.
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In Fig. 6 sind die Längsachsen der Elemente 45 und 46 eingetragen.
Diese Achsen schnsiden sich außerhalb des Ringmagnets 18, und die Spitze 56 ihres
Schnittwinkels ist der Drehrichtung 25 zugewandt. Hierdurch wird es möglich, beide
Elemente innerhalb eines gedachten Dreiecks mit den Eckpunkten 57, 58 und 59 unterzubringen,
wobei die Eckpunkte 57 und 58 auf dem Rand der Spule 11 und der Eckpunkt 59 auf
der strichpunktierten Linie liegt, welche den äußeren Rand des Ringmagneten 18 andeutet.
Auf diese Weise nimmt das Volumen der Elemente 45 und 46, das zur Speicherung magnetischer
Energie dient, ausgehend von der Basislinle 57-58 des gedachten Dreiecks in Richtung
zu seiner Spitze 59 hin ab; wobei das Element 45 etwa parallel zu dieser Basislinie
liegt, so daß dort das größe Speichervolumen liegt. Ersichtlich ergeben sich im
Rahmen dir Uberlegunget vielfältigo konstruktive Möglichkeiten für die hnordYIung
der ferromagnetischen Elemente Zum Beispiel kö$te zan auch Stifte (nach Art von
Nägeln
ohne Köpfe) aus Weicheisen in die Platte 10 einschießen und mit diesen Stiften,
die jeweils einen bestimmten Abstand voneinander aufweisen, das gedachte Dreieck
zwischen den Punkten 57, 58 und 59 so ausfüllen, daß sich der gewünschte Momentenverlauf
ergibt, wobei auch die Höhe der einzelnen Stifte variiert werden kann, z.B. so,
daß diese Höhe in Richtung zum Punkt 59 hin abnimmt. Dabei müßten auch diese Stifte
symmetrisch im Luftspalt angeordnet werden.
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Aus Fig. 6 erkennt man ferner, wie nach der Lehre des Hauptpatents
die Pollücken 22 jeweils etwa senkrecht zu dem magnetisch aktiven Spulenabschnitt
33 verlaufen, dagegen praktisch parallel zu dem magnetisch aktiven Spulenabschnitt
34, was analog für die Spule 12 gilt. Hierdurch wird es nach der Lehre des Hauptpatents
ermöglicht, die ferromagnetischen Elemente 45, 46 neben und nicht über oder unter
der Flachspule 11 anzuordnen, da die Pollücken 22 hierbei beim Vorbeilaufen an den
Elementen 45, 46 gleichzeitig auch mit dem benachbarten, magnetisch aktiven Spulenteil
(z.B. 33) in Wechselwirkung treten können, wie das Fig. 6 klar zeigt.
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Fig. 4 zeigt, was geschieht, wenn ein massives ferromagnetisches
Element 62 unsymmetrisch in. einem Luft spalt 63 zwischen zwei miteinander verbundenen,
in der Drehrichtung 25 umlaufenden Ringmagneten 18 und 19 angeordnet ist, deren
Pollücken 22 gerade vorbeilaufen.
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Man erhält dann zwei ungleiche Luftspalte 64 und 65.
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Da der magnetische Leitwert des kleineren Luftspalts 65 wesentlich
größer ist, entsteht hier ein großer Fluß, während auf der Seite des größeren Luftspalts
64 dieser Fluß wesentlich kleiner ist. Dies ist in Fig. 4 durch magnetische Feldlinien
schematisch angedeutet. Diese ungleichen Flüsse haben zur Folge, daß das Element
62 in seiner die Pollücken 22 überbrückenden Stellung nicht etwa von beiden Ringmagneten
18, 19 gleich stark angezogen wird; vielmehr entsteht eine Axialkraft K in Richtung
zum kleineren Luftspalt 65 hin, und zwar jedes Mal dann, wenn eine Pollücke 22 am
Element 62 vorbeiläuft. Im Betrieb werden hierdurch periodische Erschütterungen
des
Motors erzeugt, die seine Laufruhe beeinträchtigen.
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Fig. 5 zeigt denselben Vorgang bei Verwendung von zwei getrennten
ferromagnetischen Elementen 66 und 67. Die Anordnung entspricht im übrigen derjenigen
nach Fig. 4, und es werden deshalb für gleiche oder gleichwirkende Teile dieselben
Bezugszeichen verwendet wie dort.
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Zwischen den Elementen 66 und 67 liegt hier eine Luftstrecke 68.
Diese verringert beim Vorbeilaufen einer Pollücke 22 den magnetischen Leitwert,
den die Elemente 66 und 67 zwischen den beiden ungleichnamigen Polen (N, S3 des
Ringmagnets 18 bzw. des Ringmagnets 19 bilden. Dadurch wird der Querfluß hier weitaus
geringer, und die Kräfte, welche auf die Elemente 66 und 67 in Richtung nach unten
wirken, sind wesentlich kleiner. - Es kommt also darauf an, die ferroinagnetischen
Elemente so auszubilden und anzuordnen, daß der magnetische Leitwert in der Luftspaltebene
und quer zur Pol lücke möglichst klein wird. Wie Fig. 6 zeigt, überbrücken zwar
die einzelnen Elemente 45 und 46 immer noch die Pollücke 22, wenn diese an ihnen
vorbeiläuft, doch ist die axiale magnetische Zugkraft gegenüber einem einzigen,
massiven Element, wie es das Hauptpatent zeigt, ganz wesentlich reduziert.
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Durch die Anfasungen 49 und das spitz zulaufende Ende 53 erreicht
man zudem ein weiches Ansteigen und Abfallen dieser (verringerten) Axialkraft, was
alles zum ruhigen Lauf des Motors beiträgt. Falls eine weitere Reduzierung des axialen
magnetischen Zuges gewünscht wird, ist dies z.B. durch die zuvor bereits erwähnte
Lösung mit Stiften möglich, doch hat es sich gezeigt, daß die im Ausführungsbeispiel
dargestellte Lösung, die fertigungstechnisch außerordentlich einfach ist, in vielen
Fällen sehr gute Resultate liefert.
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Fig. 1 zeigt die elektronischen Schaltelemente, die zum Betrieb des
Motors an einer Gleichstromquelle dienen, welche als Batterie 70 (von z.B. 24 Volt)
dargestellt ist. Zum abwechselnden Einschalten der Spulen 11 und 12 (oder von Teilwicklungen
jeweils beider Spulen, falls eine bifilare Wicklung
verwendet wird),
dienen zwei npn-Transistoren 73, 74, deren Emitter am Minuspol 75 der Batterie 70
angeschlossen sind.
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Der Kollektor des Transistors 73 ist mit dem Anschluß 27, der Kollektor
des Transistors 74 mit dem Anschluß 29 verbunden, während die Anschlüsse 28 und
30 an den- Pluspol76 der Batterie 70 geführt sind. Die Basis des Transistors 73
ist an den einen und die Basis des Transistors 74 an den anderen Steuerausgang des
Hallgenerators 42 geführt; die beiden anderen Anschlüsse des Hallgenerators 42 sind
an den Minuspol 75 bzw. - ueber einen Vorwiderstand 77 - an den Pluspol 76 angeschlossen.
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Im Betrieb werden die Transistoren 73 und 74 abwechselnd durch den
Hallgenerator 42 eingeschaltet, wenn die entsprechenden Pole der Ringmagnete 18
und 19 an diesem vorbeilaufen, und hierdurch wird das in Fig. 9 mit 80 bezeichnete
elektromagnetische Antriebsmoment erzeugt, das wie dargestellt Momentenlücken ai
aufweist, da die Wicklung nur einsträngig ist. Diese Lücken 81 sind deshalb ungünstig,
weil sie den Anlauf des Motors verhindern können und ein ungleichmäßiges Drehmoment
ergeben.
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Durch die Formstücke 45 und 46 wird ein zusätzliches Reluktanz-Drehmoment
82 erzeugt, das in Fig. 9 in den beiden obersten Reihen dargestellt ist und das
einen unsymmetrischen Verlauf bezüglich der Abszisse aufweist, d.h. daß es abwechselnd
als Bremsmoment (Abschnitte 85) und als Antriebsmoment (Abschnitte 84) wirkt. Hierbei
ist im Verlauf einer Periode jeweils die Fläche 83 unterhalb der Abszisse gleich
groß wie die Fläche 84 oberhalb der Abszisse. Man kann sich die Wirkungsweise am
besten so vorstellen, daß die Fläche 83 Energie darstellt, die durch das elektromagnetische
Drehmoment 80 bereitgestellt und im magnetischen System des Motors gespeichert wird,
und daß die Bläehe 84 diejenige Energie darstellt, die während der Momentenlücken
81 vom magnetischen Feld des Motors abgegeben wird und diesen dort antreibt. Durch
die Überlager ung der Nomentenkurven 80 und 82 ergibt sich das in igo 9 mit 86 bezeichnete
SumeumomenLp
das bei geeigneter Bemessung im Bereich des Nennmoments
praktisch konstant gehalten werden kann. Die genaue ,Form des Reluktanzmoments 82
kann durch Formgebung, Anordnung und Orientierung der Elemente 45 und 46 exakt festgelegt
werden, wobei man gewöhnlich empirisch durch Verändern dieser Parameter eine günstige
Lösung ermittelt.
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Durch die Erfindung erhält man also mit einfachen und preiswerten
Mitteln eine Reduzierung der im Motor beim Betrieb periodisch wirksamen axialen
Zugkräfte.
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Die Erfindung kann in gleicher Weise auch bei Motoren mit höherer
Polpaarzahl verwendet werden, wie man sie z.B.
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für den Antrieb von Plattenspielern o.dgl. benötigt. Soll die Drehzahl
z.B. halbiert werden, wobei man sonst acht Spulen, vier Hallgeneratoren etc. benötigen
würde, so genügen hier zwei einsträngige Wicklungen, zwei Hallgeneratoren und wenigstens
an zwei Stellen vorgesehene ferromagnetische Elemente, z.B. nach Art der dargestellten
Elemente 45 und 46.