DE2245557A1 - Buerstenloser gleichstrommotor mit hallelementen - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm Reichsl Dipl-Ing. Wolfgang Befchel

6 Frankfurt a. M. 1
Paikslraße 13

7204

VICTOR COMPANY OF JAPAN, LTD., Yokohama-City, Kanagawa-Ken,

Japan

Bürstenloser Gleichstrommotor mit Hall-Elementen

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor im allgemeinen und speziell einen bürstenlosen Gleichstrommotor, bei dem Hall-Elemente an vorspringenden Teilen eines Halters vorgesehen sind, wobei diese vorspringenden, Teile zu der zylindrischen Umfangsoberfläche des aus einem Permanentmagneten bestehenden Rotors hinweisend angebracht sind, so daß der magnetische Fluß von dem Permanentmagneten konzentriert wird und durch die vorspringenden Teile verläuft.

Bisher bekannte bürstenlöse Motore sind alle, zweipolig und die, die vier Spulen mit zwei Polen besitzen und auch die mit zv/ei Spulen mit entsprechenden Zwischenabgriffen, wiesen große Schwankungen in dem während einer Umdrehung von 360° erzeugten Drehmoment auf. Insbesondere während der Drehung bei geringen Geschwindigkeiten unterhalb 1000 Umdrehungen pro Minute traten Nachteile auf, wie z.B, starke Vibr fr. ion und Schwankungen in der Drehgeschv/indigkeit.

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Als ein Mittel zur Beseitigung dieser Nachteile ist das Verfahren bekannt, eine große Anzahl von Spulen L zu verwenden, um den durch eine Spule überdeckten Drehwinkel zu verringern. Durch dieses Verfahren steigt unvermeidbar der Preis für den Motor an, und das nicht nur aufgrund der Spulen sondern ebenfalls wegen der Notwendigkeit, eine große Anzahl teurer Hall-Elemente verwenden zu müssen.

Ein anderes Verfahren, von dem zur Vermeidung der oben beschriebenen Nachteile Gebrauch gemacht wird, ist das Anbringen vertikaler Aussparungen in der Oberfläche des Teils von dem Eisenkern des Stators, der dem Rotor zugewandt ist und das Einfügen von Hall-Elementen in diese Aussparungen. Der magnetische Fluß hat jedoch die Eigenschaft, sich an den Stellen geringsten Abstandes zu konzentrieren, und eine hohe magnetische Flußdichte kann nicht immer an den Teilen erhalten werden, an denen die Hall-Elemente in den Aussparungen angebracht sind. Aus diesem Grund sind ein großer Permanentmagnet oder Hall-Elemente mit hoher Empfindlichkeit, d.h. kostspielige Hall-Elemente, notwendig, um Leistungstransistoren mit der Ausgangsspannung der Hall-Elemente zu steuern.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen und brauchbaren bürstenlosen Gleichstrommotor zu schaffen, bei dem die bei bekannten bürstenlosen Gleichstrommotoren auftretenden oben beschriebenen Schwierigkeiten vermieden werden.

Bei einem derartigen bürstenlosen Gleichstrommotor soll die Dichte des durch die Hall-Elemente gehenden magnetischen Flusses hoch sein, und es sollsn Hall-Elemente, mit denen höh.; Hall-Jpannungen erzeugt wellen können, verwendet werden ;;Lmnuii.

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Außerdem soll der mehrpolige bürstenlose Gleichstrommotor unter Verwendung von nur wenigen Hall-Elementen so konstruiert sein, daß ein billiger Motor mit hervorragender Leistungsfähigkeit bei niedriger Drehzahl und ohne Schwankungen im Drehmoment entsteht.

Nach einem Merkmal der Erfindung sind bei dem bürstenlosen Gleichstrommotor die Aussparungen in dem Statorkern schräg verlaufend ausgebildet, um Schwankungen im Drehmoment und Vibrationen zu verringern.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist bei dem bürstenlosen Gleichstrommotor, bei dem Hall-Elemente verv/endet werden, der Zwischenraum zwischen einem einzelnen Hall-Element und der Polfläche des Rotors konstant, und Unterschiede zwischen den Ausgangsspannungen der Hall-Elemente werden klein gehalten.

Ferner kann nach einem weiteren llerkmal der Erfindung bei dem bürstenlosen Gleichstrommotor die Arbeit des Verbindens der Zuführungsleitungen der Hsll-Elemente mit den Enden der Statorwicklung in einer einfachen, aber dauerhaften V/eise ausgeführt werden und eine Unterbrechung der Schaltung aufgrund fehlender Verbindung oder Zuleitungsbruch kann nicht leicht auftreten.

Weitere Vorteile und andere Eigenschaften der Erfindung wer~ den aus der folgenden, näheren Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen offenbar. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß der Erfindung in ". longitudinalem Schnitt;

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Fig. 2 eine Querschnittsansicht, die die Lage des Rotors in bezug auf den Statorkern des in Fig. 1 gezeigten Motors darstellt;

Fig. 3A und 3B Abwicklungen, die entsprechende Ausführungsformen des Hall-Elementshalters in dem Motor gemäß der Erfindung zeigen;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht, die die relative Lage eines Hall-Elementhalters in bezug auf den Rotor darstellt;

Fig. 5 eine relativ vergrößerte teilweise Querschnittsansicht eines Hall-Elementh&lters und eines Hall-Elementes;

Fig. 6A bis 6D entsprechende Abwicklungen, die die Wirkungen des Rotors und der Hall-Elemente erläutern sollen;

Fig. 7 ein elektrisches Verbindungsschema, das die Verschaltungen der Statorwicklungen angibt;

Fig. 8 ein Schaltbild, das die Schaltungen zwischen den Statorwicklungen und Hall-Elementen angibt;

Fig. 9A und 9B entsprechende Seitenansichten, die Anordnungen von Aussparungen in Statorkernen darstellen;

Fig. 10 ein Schaltschema, das die Schaltungen χwischen den Statorwicklungen und Hall-Elementen eines mehrpoligen Motors, der eine Abwandlung des erfindungsgtmaßen Motors darstellt, zeigt;

Flg. 11 tine Seitenansicht «intr sw«ittn AuafUhrungeform des erfindungsgemäßen bürstenlos·» Gleichstrommotors, bei dem Hall-Elemente verwendet werden, in longitudinal·!* Schnitt;

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Fig. 12 eine Seitenansicht eines Hall-Elementhalters, bei der ein Teil weggeschnitten und ein Teil im Schnitt dargestellt ist;

Fig. 13 eine Rückansicht entlang der Linie XIII-XIII, wie sie sich durch Blick in der in Fig. 12 angegebenen Pfeilrichtung ergibt;

Fig. 14 eine Seitenansicht eines Haltegliedes in longitudinalem Schnitt;

Fig. 15 eine Rückansicht entlang der Linie XV-XV, wie sie sich durch Blick in der in Fig. 14 dargestellten Pfeilrichtung ergibt;

Fig. 16 und 17 Querschnittsansichten, die jeweils die relative Lage des Rotors zu dem Hall-Elementhalter zeigen, und

Fig. 18 eine Abwicklung zusammen mit einem Schaltplan, der eine Verschaltungs-Grundanordnung von zylindrischer Form zeigt.

In der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Motors, wie sie in den Figuren 1 bis 9 dargestellt ist, enthält der Statorkern 10 eine Mehrzahl von Eisenblechen in laminierter Form, wobei jedes Blech acht Einschnitte a bis h und eine zentrale Bohrung i, wie in Fig. 2 gezeigt ist, besitzt.Ein Rohr 11 ist fest in die zentrale Bohrung i des Eisenkerns 10 eingepaßt und ist gleichzeitig fest in eine zentrale Bon-, rung einer Motorhalterung oder einer Motorgehäuseendplatte 12 eingepaßt, wodurch der Kern 10 in bezug auf das Motorrahmengestell festgehalten wird. Das Rohr 11 ist .in Lagern darin gehaltert. Wicklungen 14 sind um Teile des. Stators 10. gewickelt und umfassen z.B. acht Wicklungsabschriifcte 21.bis 28, die Ln VIi,;. 7 dargestelLt sind.

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Wie in Fig. 2 dargestellt ist, besitzt der Motor einen Rotor 15 von zylindrischer Form, der den Stator 10 konzentrisch umgibt und im wesentlichen aus einem Permanentmagneten mit zwei N- und zwei S-Polen, die abwechselnd an der inneren Oberfläche desselben angeordnet sind, besteht. Der Rotor 15 wird fest durch ein Rotorgehäuse 16 von zylindrischer Form mit einem geschlossenen Ende, das eine zentrale Bohrung besitzt, in der eine Rotorwelle 17 fest eingepaßt ist, gehaltert. Die Welle 17 ist drehbar in die Lager 13 eingepaßt. Die Welle 17 trägt dadurch drehbar den Rotor 15 und dient gleichzeitig zur Übertragung des Drehmomentes von dem Rotor nach außen. Ein Hall-Elementhalter 18 ist vorgesehen, um zwei Hall-Elemente 19a und 19b, wie in Fig. 3 gezeigt ist, an Stellen zu tragen, die der inneren Oberfläche des Rotors 15 gegenüberliegen. Diese Hall-Elemente 19a und 19b besitzen zwei Stromelektroden und zwei Spannungselektroden und sind von der bekannten Art, die beim Anlegen eines senkrecht auf der Stromflußrichtung stehenden magnetischen Feldes elektromotorische Kräfte in der Richtung erzeugen, die senkrecht sowohl auf der Stromflußrichtung als auch der Richtung des magnetischen Feldes steht. Der gesamte Motor ist in einem Motorgehäuse 20 in Form eines zylindrischen Bechers gekapselt, dessen offenes Ende mit der oben erwähnten Motorgehäuseendplatte 12 abgedeckt ist.

Die in den Figuren 3A und 3B dargestellten Abwicklungen zeigen zwei Ausführungsformen des Hall-Elementhalters 18. Wie dargestellt, ist jeder Hall-Elementhalter 18 eine kammartige Platte, die aus einem magnetischen Material besteht und vier Vorsprünge 18a, 18b, 18c und 18d, die so nach unten ragen, daß sie der inneren Umfangsoberflache des Rotors 15 gegenüberliegen, auf v/eist. Der Querschnitt des Hall-Elementhalters 18 ist gewölbt, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Die äußere Form der Vorspränge 18a bis 18d dei> Ildll-Elomenthalters \3 ist jeweils die Gleiche, und deren Drei te int im wesentlichen gleich der Breite de.:ν Hall-Elömente 19a und I9b.

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In der in Fig, 3A dargestellten Ausführungsform sind die Hall-Elemente 19a und 19b auf VorSprüngen 18b und 18c mit Abständen voneinander, die einem Winkel von 4f>° entsprechen, angeordnet, wie in Fig. 4 dargestellt ist. In der in Fig. 4B dargestellten Ausführungsform sind die Hall-Elemente 19a und 19b an VorSprüngen 18a und 18d an den zwei Enden, die voneinander durch einen Winkel von'135° entfernt sind, angeordnet.

Auf diese Weise dienen die Vorsprünge des Hall-Elementhalters 18 dazu, die Hall-Elemente 19a und 19b an Stellen zu halten, an denen sie dem Rotor 15 gegenüberliegen und weiterhin diese Hall-Elemente genau an Stellen zu bringen, die voneinander um Winkel von 45° und 135° entfernt sind. Diese Vorsprünge besitzen die zusätzliche Funktion, den magnetischen Fluß zu konzentrieren und die magnetische Flußdichte, die auf die Hall-Elemente 19a und 19b übertragen wird, zu erhöhen. Im einzelnen wird, wie in Fig.. 5 dargestellt ist, da das Hall-Element 19a (oder 19b) an dem Vorsprung 18b (18c» 18a oder 18d) des Hall-Elementhalters 18 angebracht ist, der magnetische Fluß nicht zerstreut, wie das bei der herkömmlichen Anordnung, bei der die Hall-Elemente in Aussparungen in dem Eisenkern angeordnet sind, der Fall ist, und der magnetische Fluß konzentriert sich mit hoher Dichte auf die Hall-Elemente 19a und 19b, die aus der Oberfläche der Vorsprünge des Halters 18 hervorragen und in enger Nachbarschaft zu dem den Rotor 15 bildenden Permanentmagneten liegen, Dementsprechend kann mit HallHElementtn der gleichen Empfindlichkeit eine hoher· Hall-Ausgangsspannung von dem erfindungsgemäßen Motor im Vergleich zu frpher erhalten werden .

In den Figuren 9A und 9B sind zwei Ausführungsformen des laminierten Statorkerns 10 in Seitenansichten dargestellt. Im Fall des Statorkerns nach Fig, 9A, bei dem die Aussparungen 10a so ausgebildet sind, daß sie sich in axialer Rich-

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tung erstrecken, und bei dem vier Pole vorhanden sind,*, ist die gegenseitige Lage der Aussparungen 10a des Statorkerns zu dem Hall-Element 19a und 19b derart, daß die ,magnetischen Pole des Permanentmagneten und der erhabene Teil 1Gb zwischen den Aussparungen 10a des Eisenkerns gleichzeitig an vier Stellungen übereinstimmen. Dementsprechend wird eine hohe anziehende Kraft erzeugt, und das bildet eine Ursache für Schwankungen oder Fluktuationen im Drehmoment oder fü,r Vibrationen.

Dementsprechend sind in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Aussparungen 10a¹ in dem Statorkern 10 schräg verlaufend ausgebildet, wie in Fig. 9B gezeigt ist, um dieses Problem zu lösen. Wenn die Aussparungen eines herkömmlichen Statorkerns schräg verlaufend ausgebildet und Hall-Elemente darin eingebaut werden sollen, würde sich die Breite der Aussparungen wegen des Neigungswinkels der schräg verlaufenden Aussparungen ändern, wobei es schwierig wäre, ein exaktes Einstellen der Lage durchzuführen. Im Gegensatz dazu, kann diese Schwierigkeit in der vorliegenden Erfindung vermieden werden, da die Hall-Elemente nicht in dem Statorkern angeordnet werden.

Fig. 7 zeigt acht Wicklungen 21 bis 28, die so angeordnet sind, daß die Wicklungen 21 und 25, 22 und 26, 23 und 27 und 24 und 28 jeweils in Reihe geschaltet sind. Diese Wicklungen sind in einer Schaltung, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist, untereinander verbunden. Wie in Fig. 8 dargestellt ißt, sind die Anschlüsse u, w, ν und χ der Wicklungen 25 bis 28 mit den entsprechenden Kollektoren von vier PNP-Transistören X₁, X₂, X^ und X^ verbunden. Zwei Hall-Elemente i_f9& und 19b sind mit den entsprechenden Basen der Transistoren 3C. und X₂ und X^ und X^ verbunden. Die Emitter dieser Transie tor en X₄J bis X^ sind jeweils über einen Widerstand R₁ mit dem Pluspol einer Stromquelle verbunden, und der gemeinsame Anschluß y der Wicklungen 21 bis 24 ist mit dem Minuspol der Stromquelle

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verbunden. Eine Stromelektrode eines jeden Hall-Elements 19a und 19b ist mit dem Pluspol der Stromquelle verbunden, während die anderen Stromelektroden über Widerstände R₂, %» R^ und einen Stromsteuerkreis 29 mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden sind, und ein geeigneter Strom wird den Hall-Elementen 19a und 19b zugeführt.

Der bürstenlose Gleichstrommotor der oben beschriebenen Bauart und die elektrische Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung arbeiten in dtr folgenden Weise.

In dem Fall, in dem die Hall-Elementö 19a und 19b und die magnetischen Pole des Rotors 15 die in den Figuren 4 und 6A dargestellt· relative Lage zueinander besitzen, erzeugen die N-PoIe ein magnetisches Feld, das genau senkrecht auf dem Hall-Element 19b steht» Aus diesem Grunde wird magnetischer Fluß mit einer Schleife, wie sie in Fig. 6A dargestellt ist, erzeugt und nur in dem Hall-Element 19b wird aufgrund des Hall-Effektes eine Hall-Spannung erzeugt. Da dann entsprechende negative und positive Potentiale an den Basen der Transistoren X* und X^ erzeugt werden» wird nur der Transistor X-j in de« leitfahigen Zustand gebracht. Folglich fließt ein Strom durch die Wicklungen 22 und 26, und Ströme fließen durch die Leiter in den in Fig..2 dargestellte«; Statoraussparungen a_r c, e und g, die den entsprechenden magnetischen Polen N, S₁-N¹ und S¹ gegenüberliegen, woraufhin ein Drehmoment auf den Rotor 15 ausgeübt wird.

Wenn sich dann der Rotor 15 um einen Winkel von 45° dreht und den in Fig. 6B dargestellten Zustand annimmt, kommt der N-PoI gegenüber dem Hall-Element 19a zu liegen. Folglieh wird ein zu dem Hall-Element 19a senkrechtes magnetisches Feld erzeugt, und durch den Hall-Effekt wird eine.Spannung an dem Hall-Element 19a ähnlich wie oben beschrieben, erzeugt. Da keiner der Pole dem Hall-Element 19b zu dieser Zeit

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gegenüberliegt, wird in diesem Element keine Spannung erzeugt und der Transistor X, ist nichtleitend. Wenn eine Spannung bei dem Hall-Element 19a erzeugt wird, wären entsprechend negative und positive Potentiale an den Basen der Transistoren X₁ und X₂ erzeugt, und der Transistor X₁ wird leitend. Demgemäß fließt ein Strom durch die Wicklungen 21 und 25ι und ein Strom fließt durch die Statorwicklungen, die den Statoraussparungen b, d, f und h entsprechen. Als Ergebnis wird ein Drehmoment erzeugt» und der Rotor 15 setzt seine Drehung fort.

Wenn anschließend der S¹-Pol gegenüber den Hall-Elementen 19a und 19b zu liegen kommt, wie in Figuren 6C und 60 dargestellt ist, werden nacheinander di· Transistoren X^ und X^ leitend, und Ströme fließen nacheinander durch die Wicklungen 24 und 26 und durch die Wicklungen 23 und 27, wodurch der Rotor 15 seine Drehung fortsetzt. Da bei der Arbeitsweise der Rotor Jedesmal nach einer Drehung um 45°, wie oben beschrieben, zu den Anfangsbedingungen zurückkehrt, ist die Drehung des Rotors während finer Umdrehung außergewöhnlich gleichmäßig.

Während im vorstehenden die erste Ausführungsform unter Bezugnahme auf einen Vierpolmotor beschrieben worden ist, wird eine größere Anzahl von Polen für die Herstellung eines Motors mit guter Leistungsfähigkeit bei geringer Geschwindigkeit oder mit kleiner Drehmomentschwankung notwendig. In diesem Fall ist die Magnetpolanordnung des Permanentmagneten, der den Rotor 15 bildet, 2n-polig, wobei η eine positive ganze Zahl wie 1, 2, 3 ... ist. D.H., die Anzahl der N-PoIe ist n, und die Anzahl der S-PoIe ist n. Weiterhin ist die Anzahl der Aussparungen in dem Statorkern 4n, und 4n-Wicklungen sind gemäß Fig. 7 vorhanden. Wie in Fig. 10 dargestellt

ist, werden vier Schaltkreise mit η in Reihe geschalteten Wicklungen 21a bis 2 In, 22a bis 22n, 23a bis 23n und ^ im bi:» 24n gebildet. Weiterhin wird der Winkelabütand Ö zwi:■>.-neu den Stellungen der Vor;,px'ürige des Hall-Elementhalt'jrs Id, wie sio

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in Fig. 4 gezeigt sind, gleich 360°/4n gemacht. Auf diese Weise,kann ein Motor für geringe Drehgeschwindigkeit mit mehr als vier Polen leicht hergestellt werden. In diesem Fall kann.ein ausreichender Gleichrichtungseffekt mit. zwei Hallelementen und vier Transistoren,- unabhängig von der Anzahl der Pole, erhalten werden.

Verschiedene Abwandlungen und Zusätze können in die Erfindung, wie sie oben unter Bezugnahme auf nur einige bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, eingeführt werden. Z.B. können zwischen die Hall-Elemente 19a und 19b und die Basen der Transistoren X^ bis X^ Verstärker eingefügt werden« Anstatt die große Anzahl von Spulen in Serie zu schalten, können sie auch parallelgeschaltet werden.

Die zweite Ausführungsform dieser Erfindung, die in Fig. 11 und in den anschließenden Figuren dargestellt ist, ist ein sechspoliger Motor, der einem Fall η =* 3 für den oben angegebenen mehrpoligen Motor entspricht.

In der eine Seitenansicht in longitudinalem Schnitt darstellenden Fig. 11 ist der laminierte Statorkern 10 mit den Statorwicklungen 14 auf das Rohr 11 eingepaßt, welches seinerseits fest in eine zentrale Bohrung der Motorhalterung oder der Motorgehäuseendplatte 12 eingepaßt ist. Obgleich es nicht dargestellt ist, ist der Rotor 15a durch drei Paare von N- und S-Polen magnetisiert. Dadurch wird es notwendig, 3 mal 4, oder 12 Einschnitte vorzusehen, die in der Umfangsoberfläche des Statorkerns 10, die dem Rotor 15a gegenüberliegt, ausgebildet sind. Innerhalb des Rohres 11 ist die Rotorwelle 17 drehbar durch die Lager 13 gehaltert.

Der Rotor 15a umgibt den Statorkern 10, und wie in den Figuren 16 und 17 dargestellt ist, ist ein aus drei Paaren abwechselnd angeordneter Nr-. und S-PoIe bestehender Permanentmagnet an der inneren Umfangsflache des Rotors ausgebildet.

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Das Rotorgehäuse 16 ist zum sicheren Haltern des Rotors 15a fest an der Rotorwelle 17 angebracht. Ein Hall-Elementhalter 30 besitzt einen Aufbau, wie er in den Figuren 12 und 13 dargestellt ist, und wird durch sein zylindrisches Teil 31» das auf das Teil 12a der Motorhalterung 12 paßt, fest gehalftert. Der Hall-Elementhalter 30 ist aus einem magnetischen Material wie Eisen mit einer vergleichsweise hohen Permeabilität hergestellt. Acht zahnartige Vorsprünge 32a bis 32h erstrecken sich longitudinal von dem zylindrischen Teil 31 des Durchmessers D₁ und sind in einem Kreis des Durchmessers Dp angeordnet, wie in Fig. 12 dargestellt ist;. Die acht Vorsprünge 32a bis 32h, die sich von dem Hall-Elementhalter 31 erstrecken, sind mit Winkelabständen von 30° oder 60° zueinander in einer Reihenfolge angeordnet, wie sie in Fig. 13 dargestellt ist. An jedem der acht Vorsprünge ist ein Einschnitt vorgesehen. Wie in den Figuren 16 und 17 gezeigt ist, sind die zwei Hall-Elemente 19a und 19b fest in den Einschnitten der zwei Vorsprünge 32a und 32d angebracht, wobei jedes dieser Hall-Elemente um 60° von benachbarten Vorsprüngen entfernt ist.

Sowohl die zwei Hall-Elemente 19a und 19b, die in den Einschnitten der Vorsprünge 32a und 32d angebracht sind, als auch die anderen Vorsprünge 32b, 32c, 32e, 32f und 32g liegen alle der inneren Umfangsoberflache des Rotors 15a gegenüber. Der durch diese Vorsprünge gebildete Kreis ist konzentrisch zu dem Umfang des zylindrischen Teiles 31. Der äußere Umfang des Teiles 12a auf der Motorhalterung 12, auf dem das zylindrische Teil 31 angebracht ist, bildet ebenfalls einen richtigen Kreis, der konzentrisch zu der Rotorwelle 17 liegt. Durch bloßes Einpassen des zylindrischen Teiles 31 unter Druck auf das ein Kragenteil bildende Teil 12a der Motorhalterung 12 werden die Vorsprünge 32a bis 32h auf einem richtigen, konzentrisch zu der Rotorwelle 17 liegenden Kreis angeordnet, um einen vorher bestimmten Abstand von der inneren Umfangsoberflache des Rotors 15a zu halten. Dementsprechend erhalten die Hall-Elemente 19a und 19b gleiche Abstände Ga

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und Gb zu der inneren Umfangsoberfläche des Rotors 15a, wie in den Figuren 16 und 17 dargestellt ist.

Die Zuführungsleitungen 39a bis 39h der Hall-Elemente 19a und 19b sind mit den zu der Außenseite des Motors führenden Zuführungsleitungen 34 mittels eines gedruckten Schaltkreisbauteilen auf einem flexiblen zylindrischen Schaltbrettchens 33 verbunden, das aus einem flexiblen Material, wie Polypropylen, Polyester usw. hergestellt ist und eine Dicke in der Größenordnung von 2 mm aufweist und das in der Nachbarschaft der Vorsprünge 32a und 32b des Hall-Elementhalters 30 angeordnet ist. Die Enden der Statorwicklungen I4a bis I4d sind ebenfalls mit den Zuführungsleitungen 34 über ein gedrucktes Schaltkreisbauteil auf dem zylindrischen Schaltbrettchen 33 verbunden.

Fig. 18 ist eine Abwicklung des Schaltbrett'chens 33 und stellt eine Ausführungsform dieses Schaltbrettchens dar, wobei die gedruckte Schaltung auf dem Schaltbrettchen 33 durch ein bekanntes Verfahren, z.B. ein Ätzverfahren, aus Kupferfolie hergestellt ist. Auf dem oberen Teil der Grundplatte des Schaltbrettchens 33 sind Einschnitte 36* bie 36h vorgesehen, deren Breiten so bestimmt sind, daß sie den Breiten der Vorsprung« 32a bis 32h des Hall-Elementhalters 30 entsprechen.

Das Schaltbrettchen 33 von zylindrischer Form mit einem Durchmesser, der geringer als der eines durch die Vorsprünge 32a bis 32h gebildeten Kreises ist, sit auf dem Hall-Elementhalter 30 derart von unten her angebracht, daß die Hauptabschnitte der VorSprünge 32a bis 32h des Elementhalters 30 in die entsprechenden Einschnitte 36a bis 36h hineinpassen. Daher sind die Vorsprünge 32f und 32g in den Einschnitt 36fg eingepaßt, während die zwischen den Einschnitten 36a und 36h des Schaltbrettchens ausgebildeten vorspringenden Teile 33a bis 33g in die zurückspringenden Teile 40a bis 40h hineinpassen, wobei ihre Breiten entsprechend aufeinander abgestimmt sind.

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Da das Schaltbrettchen 33 aus flexiblem Material besteht, neigt es ständig zum Öffnen und sich Ausdehnen und muß daher nach dem Einbau auf dem Elementhalter 30 fest in seiner Lage bezüglich des Zwischenraums der Vorsprünge 32a bis 32h gehalten werden.

An den Enden der gedruckten Schaltung auf den vorspringenden Teilen 33a bis 33g des Schaltbrettchens 33 sind Anschlüsse 37a■bis 37m aus Kupferfolie vorgesehen, die mit den entsprechenden Zuführungsleitungen 34a bis 34m verbunden sind.

Die Zuführungsleitungen 39a bis 39d des Hall-Elementes 19b, das auf dem Hall-Elementhalter 30 so befestigt ist, wie es der dargestellten Lage auf dem Schaltbrettchen 33 entspricht, sind mit den entsprechenden Anschlüssen 36a bis 36d durch elektrisch leitendes Material, wie Lötmittel, auf dem Schaltbrettchen befestigt. In gleicher Weise sind die Zuführungsleitungen 39e und 39h des Hall-Elementes 19a mit den entsprechenden Anschlüssen 37i bis 371 durch elektrisch leitendes Material auf dem Anschlußbrettchen verbunden. Hinsichtlich des Schaltbrettchens 33 sind die Enden auf einer Seite der Wicklungen 14a bis I4d der Statorwicklungen 14 entsprechend mit Kupferfolienanschlüssen JBa bis 38d verbunden, die ihrerseits mit Drähten versehen sind und mit Anschlüssen 37e und 37h auf dem Schaltbrettchen verbunden sind, während die Enden auf der anderen Seite mit einen Anschluß 38e verbunden sind, der verdrahtet ist und mit dem Anschluß 37m verbunden ist. Durch Kombination des flexiblen zylindrischen Schaltbrettchens 33 mit dem Hall-Elementhalter 30 werden die Hall-Elemente 19a und 19b, die Wicklungen 14a bis I4d und die Zuführungsleitungen 34a bis 34m leicht und sicher untereinander verbunden.

Ein Halteglied 35 besitzt einen Aufbau, wie er in den Figuren 14 und 15 Gezeigt ist, und ist ein vergleichsweise ieaerndes Kunststoffpreßteil, das aus Polypropylen besteht und in die-

ser Ausführungsform eine Dicke von 0,5 mm aufweist. Das Rohr 11 ist in die zentrale Bohrung 35a eingepaßt, und das Halteglied 35' liegt zwischen dem Hall-Elementhalter 30 und den Statorwicklungen 14. Die sich nach außen erweiternde äußere Kante des Haltegliedes 35 ist mit Einschnitten 35b so versehen, däß^r der obere Teil der Statorwicklungen 14 dicht bedeckt wird/ wodurch vollständige Isolation des Hall-Elementhalters 30 entsteht und gleichzeitig das Schaltbrettchen 33 zwischen der äußeren Kante des Haltegliedes 35 und den Vorsprüngen 32a "bis 32h des Hall-Elementhalters'30 gehalten wird.

Zwischen dem Hall-Elementhalter 30 und dem Rotor 15a werden durch das' Gegenüberliegen der Hall-Elemente 19a und 19b und der Vorsprünge 32b, 32c und 32e bis 32h, die keine Hall-Elemente besitzen, in bezug auf die magnetischen Pole des Rotors 15a magnetische Kreise gebildet.

In dieser Ausführungsform entspricht der Hall-Elementhalter einem Fall, bei dem die Anzahl der Statorpole, Rotorpole und Hall-Elemente entsprechend 12, 6 und 2 ist. Obgleich ein einfacher Aufbau mit zwölf Vorsprüngen, die mit gleichen Abständen von 360°/12 voneinander entfernt angeordnet sind, denkbar ist, besitzt der vorliegende Hall-Elementhalter einen Aufbau, der einem leichten Anschließen der Zuführungsleitungen für die Hall-Elemente 19a und 19b durch Entfernen von VorSprüngen, die an beiden Seiten der Vorsprünge 32a und 32d vorhanden sein sollten,- angepaßt ist, woraufhin die Hall-Elemente 19a und 19b in ihre Lage gebracht werden, die in den Figuren 12 und 13 gezeigt ist.

Im folgenden wird ein zwischen dem Rotor und dem Stator gebildeter magnetischer Kreis an Hand der Figuren 16 und 17 beschrieben»

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Es wird angenommen, daß sich der Rotor 15a in der in Fig. gezeigten Drehstellung hinsichtlich des festen und stationären Hall-Elementhalters 30 befindet. Dann liegt das Hall-Element 19b dem N-PoI des Rotors gegenüber. Zu diesem Zeitpunkt liegen die Vorsprünge 32c und 32e den entsprechenden S-Polen gegenüber, und der Vorsprung 32g liegt dem N-PoI gegenüber. Daher bildet sich ein magnetischer Weg, wie durch den Pfeil angedeutet ist, in dem Hall-Elementhalter 30 aus. Da durch den N-PoI ein magnetisches Feld auf das Hall-Element 19b senkrecht zu diesem einwirkt, wird nur in dem Hall-Element 19b eine Spannung erzeugt. Durch diese Spannung fließt ein Strom in einer speziellen Wicklung, und der Rotor 15a wird zum Drehen in der durch den Pfeil angezeigten Richtung gebracht.

Es wird angenommen, daß der Rotor 15a um 30 rotiert ist, um eine Stellung, wie in Fig. 17 dargestellt ist, einzunehmen. Dann liegt das Hall-Element 19a zu diesem Zeitpunkt dem N-PoI des Rotors 15a gegenüber. Die Vorsprünge 32b und 32h liegen den entsprechenden S-Polen gegenüber, während der Vorsprung 32f dem N-PoI gegenüberliegt. Daher bildet sich ein magnetischer Weg, wie er durch den Pfeil dargestellt ist, in dem Hall-Elementhalter 30 aus. Auf diese Weise wirkt durch den N-PoI ein magnetisches Feld auf das Hall-Element 19a senkrecht zu diesem, und es wird nur in dem Hall-Element 19a eine Spannung erzeugt. Die Hall-Elemente 19a und 19b liegen der inneren Umfangsoberflache des Rotors 15a, getrennt durch Abstände Ga und Gb, gegenüber. Durch geeignete Verringerung dieser Abstände Ga und Gb kann magnetischer Fluß in diesen Hall-Elementen konzentriert werden. Die Schwankung dieser Abstände Ga und Gb kann sowohl durch geeignetes Regeln der Gleichmäßigkeit der Kreisform des Kreises mit dem Durchmesser D₂t der durch die Vorsprünge 32a bis 32h des Hall-Elementhalters 30 gebildet wird, und des Kreises mit dem Durchmesser D₁ des zylindrischen Teils 31, das auf dem Motorhalter 12 befestigt ist als auch durch die Konzentrizität der Kreise mit den Durchmessern D- und D₂ hinsichtlich der Rotor-

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welle 17 verringert werden, wodurch Fehler in der Ausgangsspannung der beiden Elemente 19a und 19b äußerst stark verringert werden. Dann wird der Aufbau der elektrischen Schaltung sehr einfach.

In den Fällen, in denen die Anzahl der Pole des Motors gleich 2n ist und die Anzahl der verwendeten Hall-Elemente £ ist, sollte der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Elementen

vorzugsweise auf ■ χ — χ ρ festgelegt werden (wobei ρ eine ungerade Zahl wie 1, 3, 5, .... ist), damit die Hall-Elemente abwechselnd und nacheinander N- und S-Polen gegenüberliegen. Die Anzahl der Vorsprünge des Hall-Elementhalters 30 kann gleich 2n χ ί gemacht werden.· Jedoch ist es ebenfalls möglich, keine Vorsprünge an den Stellen vorzusehen, die jeweils zu einem der Vorsprünge 32d und 32a, an denen die Hall-Elemente 19a und 19b befestigt sind, benachbart liegen* In diesem Fall ist die Anzahl der Vorsprünge gleich 2n χ £ - 28.

Es ist ebenfalls möglich, die Anzahl der Vorsprünge, wenn erforderlich, weiter zu verringern, wenn sichergestellt ist, daß der magnetische Weg durch die Hall-Elemente ungeschwächt bleibt. In einem derartigen Fall ist es notwendig, daß die den Hall-Elementen entsprechenden Vorsprünge gerade soweit voneinander entfernt angeordnet werden, wie es praktisch notwendig ist, um das Gleichgewicht des durch jedes Hall-Element fließenden magnetischen Flusses aufrechtzuerhalten* In diesem Fall wird die Anzahl der VorsprUnge gleich 2n χ C - t x. z, worin ζ eirie positive ganze Zahl einschließlich IIuiL ist. Es LaI Jedoch offensichtlich, daß die Zahl der Vorsprünge in keinem FaLL kleiner als 2C sein kann. Im allgemeinen kann daher die Anzahl der Vorsprünge gleich 2n χ £ - 2t - t% 2. gemacht werden.

Die erste Ausführungform dieser Erfindung betrifft einen· vierpoligen Motor, der Zwei Hall-Elemente besitzt, und bei 'eiern" η - 2, £ = 2, während ρ = i'für aen Fall von Fig. 3A und ρ =' ψ

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für den Fall von Fig. 3B ist. Daher ist der Winkelabstand zwischen den Hall-Elementen für Fig. 3A χ i χ 1 = 45°

und für Fig. 3B - χ ^ χ 3 = 135°. Wenn zwei Vor Sprünge an

Stellen vorgesehen sind, die jedem Vorsprung, an dem ein Hall-Element befestigt ist, benachbart liegt, wird die Anzahl der Vorsprünge gleich 2n χ c - 6χ ζ, und daher folgt für ζ = 2, daß die Anzahl 2x2x2-2x2 = 4 ist.

Die zweite Ausführungsform der Erfindung betrifft einen sechspoligen Motor, der zwei Hall-Elemente enthält, d.h. bei dem η = 3 und c = 2 ist. Da ρ gleich 5 ist, ist der Winkelabstand

zwischen den Hall-Elementen χ ^ χ 5 = 150°, und die Anzahl der Vorsprünge ist gleich 2nx € - 2β - & χ ζ und es ist 2x3x2-2x2-2x0=8 für z=0, weil keine Vorsprünge an den Stellen vorgesehen sind, die irgendwelchen Vorsprüngen, an denen ein Hall-Element befestigt ist, benachbart sind.

Als Folge davon ist der Winkelabstand £§*— χ — χ ρ der optimale Wert, um die Stromwellenform, die durch die Statorwicklun^en fließt, vollständig ausgeglichen zu machen. Wenn dieser Winkel abweicht, bricht die Gleichmäßigkeit der Kufvenwellenform zusammen und ein unebenes Drehmoment wird erzeugt. Ggf. wird der Motor aufhören sich zu drehen, wenn ein Abweichungs-

Winkel von ^7-— χ -r erzeugt wird.

ObgLeich jede der vorstehenden Ausführungsfuruon der Erfindung in einem Fall betrachtet wird, in dem PNP-'l'ransistoren verwendet werden, iüt die Handhabung des Motors gerum-diö gleiche, wenn NPN-Transistoren verwendet werden, abgoneheii davon, daß die Stromversorgung die entgegengesetzte Polarität erhält.

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Weiterhin ist es offensichtlich, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in keiner Weise auf Außenrotormotoren, wie oben beschrieben, beschränkt sein soll, da die im vorstehenden angegebene Erläuterung in gleicher Weise auf Innenrotormotoren angewendet werden kann.

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Claims (7)

1.) Bürstenloser Gleichstrommotor,

adurch gekennzeichnet, daß er einen Rotor (15), der im wesentlichen aus einem Permanentmagneten mit einer mit η N-Polen und η S-Polen magnetisierten Umfangsoberflache besteht, wobei η eine positive ganze Zahl ist, einen Statorkern (10) mit 2ÖlAussparungen (10a, 10a') in seiner Umfangsoberflache, die der magnetisieren Umfangsoberfläche des Rotors gegenüberliegen, 2 6n Statorwicklungen (21 bis 28), die so gewickelt sind, daß sie den Aussparungen entsprechen, und einen Hall-Elementhalter (18, 30) zum Halten der Hall-Elemente enthält, wobei dieser Hall-Elementhalter Vorsprünge (18a bis 18d, 32a bis 32h) aufweist, die der Umfangsoberfläche des Rotors gegenüberliegen und mit Abständen in 360°/2 Cn-Intervallen für das Hindurchtreten eines konzentrierten magnetischen Flusses angeordnet sind, und daß

360° er ferner fest in Intervallen von P (ρ ist eine ungerade ganze Zahl) auf den Vorsprüngen des Hall-Elementhalters angebrachte Hall-Elemente (19a, 19b) und 2i mit den entsprechenden Hall-Spannungselektroden der Hall-Elemente verbundene Schaltelemente (X₁ bis X^) enthält, und daß der Hall-Elementhalter ein Medium zum Hindurchtreten des von dem Rotor durch das Hall-Element fließenden magnetischen Flusses bildet, daß die 2tn Statorwicklungen 21 aus η in Reihe oder parallelgeschalteten Wicklungen bestehende V/icklungsschaltkreise bilden, daß die Enden auf einer Seite der Wicklungsschaltkreise mit den 2^ Schaltelementen in der Weise entsprechend verbunden sind, daß die 2£-Wicklungsschaltkreise leitend oder nichtleitend in Übereinstimmung mit der Leitung oder Nichtleitung der Schaltelemente gemacht werden, und daß die Leitung oder Nichtleitung der Schaltelemente durch die Hall-Spannungen der £ Hall-Elemente steuerbar ist.

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2. Bürstenloser Gleichstrommotor.nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die 2 ί> η in dem Statorkern vorgesehenen Aussparungen (10a¹) in bezug auf die Achse des Statorkerns schrägverlaufend angebracht sind.

3. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,. : daß die Anzahl der Hall-Elemente gleich zwei ist.

4. Bürstenloser Gleichstrommotor-nach Anspruch 1, 'dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente Transistoren sind, deren Basen mit den entsprechenden Hall-Spannungselektroden der Hall-Elemente verbunden sind.

5. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hall-Elementhalter einen zylindrischen Teil besitzt, der konzentrisch zu der Rotorwelle (17) fest auf dem Stator gehalten wird und daß der Hall-Elementhalter weiterhin eine Vielzahl von Vorsprüngen besitzt, deren äußere Enden in einem Kreis angeordnet sind und einen konstanten kleinen Abstand zu der magnetisierten Umfangsoberfläche des Rotors aufrechterhalten, daß der Hall-Elementhalter einen Teil des Weges des von dem Rotor kommenden und durch die Hall-Elemente fließenden magnetischen Flusses.derart bildet, daß die Dichte des magnetischen Flusses, der durch jedes Hall-Element verläuft, an den äußeren Enden der Vorsprünge groß wird und die magnetischen Flußdichten in allen Hall-Elementen gleichmäßig werden.

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6. Bürstenloser Gleichstrommotor, nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Vorsprünge des Hall-Elementhalters, die einem beliebigen Vorsprung, dessen oberes Ende ein Hall-Element trägt, benachbart liegen, in einem größeren Abstand von dem Vorsprung angeordnet sind als' die anderen Vorsprünge voneinander und daß die Anzahl der Vorsprünge des Hall-Elementhalters gleich 2ύη - (2 6 +2z) gemacht wird, wobei ζ eine positive ganze Zahl einschließlich Null bezeichnet.

7. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin ein zylindrisches Schaltbrettchen (33) aus vergleichsweise federndem Material enthält, das entlang der inneren Seite eines Kreises, auf dem die äußeren Enden der Vorsprünge des Hall-Elementhalters liegen, angeordnet ist und in geeigneter Weise so beschaltet ist, daß es sowohl die Zuführungsleitungen der Hall-Elemente als auch die Zuführungsleitungen der Statorwicklungen (21a bis 21n, 24a bis 24n) mit den Zuführungsleitungen des Schaltbrettchens verbindet, und daß ein Halteglied (35) aus Isolationsmaterial zwischen dem Hall-Elementhalter (30) und den Statorwicklungen derart zwischengeschaltet ist, daß es das Haltebrettchen durch Anpressen gegen den Hall-Elementhalter festhält, und zur gleichen Zeit isoliert und gegen die Statorwicklungen schützt.

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