DE2321022A1 - Kollektorloser gleichstrommotor - Google Patents

Description

• Kollektorloser Gleichstrommotor Zusatz zur Patentanmeldung P 22 25 442.8 Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit mindestens nahezu ebenem Luftspalt, dessen Stator mindestens eine nach dem Prinzip der eisenlosen Wicklung ausgebildete, sich in den Luftspalt erstreckende Flachspule aufweist und bei dem ein zur Steuerung der Komutierung dienendes, von der Drehstellung des Rotors gesteuertes Glied vorgesehen ist, wobei die Flachspule im Betrieb mit einem permanentmagnetischen Rotor zusammenwirkt und zusammen mit diesem ein Lücken aufweisendes, impulsartiges, elektromagnetisches Antriebsmoment erzeugt, ferner mit mindestens einem mit dem magnetisch aktiven Teil des Rotors zusammenwirkenden, ferromagnetisch8n Element zum Erzeugen eines in den Lücken des elektromagnetischen Antriebsmoments wirksamen, antreibenden Reluktanzmoments, nach Patentanmeldung P 22 25 442.8 (eigene Akte DT - 13+ ), Die Erfindung nach dem Hauptpatent vereinfacht den Aufbau von kollektorlosen Gleichstrommotoren und der zugehörigen Schaltung ganz wesentlich. Zum Beispiel benötigt der in der Siemens-Zeitschrift 1966, Seiten 690 - 93, beschriebeneMotor zum Erzeugen eines Drehfeldes 4 getrennt ansteuerbare Wicklungen, zu deren kontaktlosen Ansteuerung man zwei Hallgeneratoren und wenigstens 4 Leistungstransistoren benötigt.
• Nach der Erfindung benötigt ein solcher Motor zum Beispiel nur 2 Stranghälften, einen einzigen Hallgenerator und 2 Leistungstransistoren, das heißt, ein solcher Motor kann als einsträngiger Motor ausgebildebt werden.
• Verwendet man bei solchen Motoren eine Drehzahlregelung, so ist es wichtig, daß der Strom den Wicklungen möglichst genau dann zugeführt wird, wenn die in den Wicklungen durch den permanentmagnetischen Rotor induzierten Spannungen jeweils etwa ihr Maximum haben, das heißt, wenn Stator und Rotorpole etwa um 900 elektrisch gegeneinander versetzt sind. Im Interesse eines guten Wirkungsgrades und eines gleichmäßigen Laufes sollte der Strom in den Wicklungen möglichst nur in den Zeitbereichen um diese Punkte herumfixen, das heißt, der Strom fließt in einem solchen Fall jeweils nur während eines relativ kleinen Prozentsatzes einer Rotorumdrehung und man erhält deshalb große Momentenlücken, die nach der Lehre des Hauptpatents durch das Reluktanzmoment gefüllt werden müssen, damit man an der Motorwelle ein etwa gleichmäßiges Moment zum Antrieb eines anzutreibenden Gerätes erhält.
• Die vorliegende Erfindung befasst sich alto mit der Erzielung eines solchen gleichmäßigen Moments, insbesondere bei geregelten Antrieben.
• Erfindungsgemäß geht man zu diesem Zweck bei einem eingangs genannten kollektorlosen Gleichstrommotor so vor, daß das am Stator vorgesbhene, im Betrieb mit dem magnetisch aktiven Teil des Rotors in Wechselwirkung tretende aktive Eisenvolumen des mindestens einen ferromagnetischen Elements in Drehrichtung gesehen in einem ersten Winkel bereich vorzugsweise monoton zu - und in einem zweiten Winkelbereich vorzugsweise monoton abnimmt, und daß der zweite Winkelbereich grösser ist als der erste Winkelbereich.
• Auf diese Weise gelingt es, den gewünschten Momentenverlauf des Reluktanzmoments relativ zu dem von der mindestens einen Flachspule erzeugten Elektromagnetischen Antriebsmoment zu erhalten.
• Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.
• Es zeigen: Fig.1 einen Schnitt durch einen Erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrom-Motor, gesehen längs der Linie I-I der Figur 2.
• Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Motor nach Fig.1, gesehen längls der Linie II-II der Fig.l.
• Fig.3 einen Schnitt, gesehen längs der Linie III-III der Fig.1, in vergrössertem Maßstab.
• Fig.4 eine schematische Draufsicht auf einen Teil des Permanentmagnet-Rotors nach den Fig. 1 und 2, gesehen längs der Linie IV-IV der Fig. 2, wobei die Achse und die Tragteile des Permanentmagneten der Obersichtlichkelt wegen nicht dargestellt sind; Figur 4 ist gegenUber den Figuren 1 und 2 in einem etwas verkleinerten Maßstab dargestellt, Fig.5 eine Regelschaltung für den drehzahlgeregelten Betrieb des in den Figuren 1 - 4 dargestellten Motors, Flg.6 Schaubilder zum Erläutern der vorhergehenden Figuren, Fig.7+8 zwei schematische Darstellungen zur Erläuterung einer stabilen und einer labilen Ruhestellung des Rotors, Fig.9 ein zweites Ausführungsbelsplel eines erfindungsgemässen Glelchstrommotors, Fig.lo einen Schnitt, gesehen längs der Linie X-X der Fig.9, Fig.ll ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Gleichstrommotors, Fig.12 einen Schnitt, gesehen längs der Linie XII-XII der Fig. 11, Fig.13 ein viertes Ausführungsbeisplel eines erfindungsgemässen Glelchstrommotors, Fig.14 einen Schnitt, gesehen längs der Linie XIV-XIV der Fig.13, Fig.15 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Gleichstrommotors, Fig.16 ein sechstes Ausführunosbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors, und Fig.17 einen Schnitt, gesehen längs der Linie XVII-XVII der Figur 16.
• In der folgenden Beschreibung werden für gleiche oder gleich wirkende Teile in den verschiedenen Figuren jeweils diesslben Bezugszeichen verwendet und diese Teile werden gewohnlich nur einmal beschrieben.
• Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine aus einem isolierenden Werkstoff bestehende Platte lo, welche Ausnehmungen aufweist, in denen zwei elsenlose Flachspulen 11 und 12 befestigt sind, welche sich diametral gegenüberliegen. Die Platte lo, die auch die (nicht dargestellten) Schaltungselemente des Motors 9, sowie des zugehörigen Reglers trägt, weist 4 Befestigungslöcher 13 auf. In ihrer Mitte hat sie eine Ausnehmung 14, durch welche eine Welle 15 ragt, die an ihrem unteren Ende in (nicht dargestellten) Lagern gelagert ist. Wie Fig.2 zeigt, sind auf dieser Welle 15 durch eine Distanzhülse 20 in einem genau vorgegebenem 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.4 hervor. Danach verlaufen die Pollücken 22 hier nicht genau radlal nach auswärts, sondern unter einem Winkel-delta zu einem gedachten Pvadiusvektor 23, welcher durch die jeweilige Pollücke 22 verläuft.
• Die Ringmagnete 18 und 19 weisen, wie aus der untersten Zelle von Fig.6 hervorgeht, eine etwa trapezförmige Magnetisierung auf. Es ist auch eine rechteckförmige oder eine sinusförmige Magnetisierung möglich die Darstellung bei den vorliegenden Ausfiihrungsbeispielen bezieht sich jedoch auf die in Fig.6 dargestellte Art der Magnetisierung und es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß bei einer andern Form der Magnetisierung sich auch eine andere Anordnung der im folgenden beschriebenen ferromagnetischen Elemente ergibt.
• In Fiq.4 ist die ungefähre Richtung der Längsachse einer Pol lücke 22 mit 24 bezeichnet. Da sich der Rotor 26, der im wesentlichen aus den Teilen 16 - 20 sowie der zugeordneten Welle 15 besteht, in Richtung des Pfeiles 25 (Fig.1 und 4) dreht, erkennt man, daß die Pollücken 22 entgegen der Drehrichtung gegenüber dem Radiusvektor 23 verdreht sind. Bei der in Fig.4 dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die Pollücken 22 außerdem noch entgegen der Drehrichtung gekrümmt, wie das aus der zeichnerischen Darstellung klar hervorgeht.
• Die Flachspulen 11 und 12 haben Anschlilsse 27 - 30, die 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 Patentanmeldung P 22 39 167 vom 9.8.72 ausfiihrlich beschrieben.
• Die Spulen sind gelehnt, also jeweils kürzer als der zugehörige Pol bogen und ihre magnetisch aktiven Abschnitte 33 und 34 bzw. 35 und 36 verlaufen jeweils etwa parallel zueinander. - Wie sich aus den Fig. 1 und 4 ohne weiteres ergibt, ist der Motor 9 4polig ausgebildet, so daß einem mechanischen Winkel von 1So° ein elektrischer Winkel von 3600 entspricht.
• tuben der Spule 12 ist ein Hallgenerator 42 auf der Platte 1o befestigt, und zwar liegt er auf einem Radiusvektor 37, welcher einen Winkel von 45° 0 (900 elektrisch) mit der gemeinsamen Achse der Spulen 11 und 12 einschließt. Seine Anschlüsse sind mit 43 bezeichnet.
• Ferner sind auf der der Drehrichtung entgegengesetzten Seite der Spule 11 und an sie anschließend ferromagnetische Elemente 45 angeordnet, welche*ie dargestellt, nebeneinanderliegen, aber einen Abstand voneinander aufweisen, der von ferromagnetischen Teilen frei ist. Die Form der (identischen) Elemente 45 geht klar aus Fig.3 hervor.
• Die Elemente 45 sind als zylindrische Stifte aus Weicheisen ausgebildet. Wie Fig.1 zeigt, nimmt ihr mit den Rotorpolen in Wechselwirkung tretendes aktives tisenvolumen in Drehrichtung gesehen in einem ersten Winkelbereich alpha etwa monoton zu und dann in einem zweiten Winkelbereich beta etwa monoton ab, wobei beta bei einem geregelten Antrieb, wie er im folgenden dargestellt und beschrieben wird, grösser ist als alpha.
• Das Maximum des aktiven Eisenvolumens ist in Drehrichtung um einen Winkel gamma gegenüber der Längsachse 46 versetzt, welche senkrecht zu der die Mitten der beiden Spulen 11 und 12 verbindenden Achse verläuft. Wie man erkennt, befindet sich der in Drehrichtung gesehen vorderste Eisenstift 45' direkt neben der Spulenseite 33 und am Außenumfang des von den Rotormagneten 18 und 19 berstrichenen Gebiets. Längs dieses Außenumfangs ist auch die größte Zahl von Stiften 45 angeordnet, während in den dazu parallelen Bahnen immer weniger Stifte angeordnet sind, wie das aus Fig.1 klar hervorgeht.
• Wegen der Symmetrie des Motors bezüglich seiner Drehachse können mit Vorteil auch einige oder mehrere der Stifte 45 auf der diametral geyenüberliegenden Seite des Stators lo angeordnet werden. So könnte man bei Fig.1 zum Beispiel die 5 mit 45" bezeichneten Stifte weglassen und dafür die 5 mit 48 bezeichneten4 diametral gegenüberliegenden Stifte vorsehen, wodurch die auf den Rotor 26 wirkenden axialen Kräfte gleichmäßiger würden und sich im übrigen an der lWirkungsweise des Motors nichts ändern würde.
• Die Elsenstifte 45 dienen dazu, im Betrieb des Motors ein zusätzliches Moment von ganz bestimmter Form zu erzeugen, welches das von den Spulen 11 und 12 erzeugte, elektromagnetische Antriebsmoment ergänzt. Dieses Antriebsmoment weist bei einem Motor der dargestellten Art Lücken auf, da der Hallgenerator 42 zyklisch die Spulen 11 und 12 nacheinandereinschaltet und mindestens während der Komutierung in keiner der beiden Spulen ein Strom fließt. Hierbei entsteht eine Momentenlücke, die gemäß der Hauptanmeldung P 22 25 442.8 durch ein magnetisch erzeugtes Moment ausgefüllt wird, das als Reluktanzmoment bezeichnet wird.
• ei einem Motor, dessen Drehzahl auf einen konstanten ert geregelt wird, hat es sich als zweckmäßig und vorteilhaft erwiesen, die Zeit, während der in den Spulen 11 oder 12w ein Strom fließt, noch kürzer zu machen, das heißt, die für die Komutierung an sich erforderliche Pause stark zu verlängeren.
• Man erhält in diesem Fall nur kurze, impulsartig antreibende elektromagnetische Momente und relativ große Momentenlücken. Das Reluktanzmoment muß also in einem großen Winkelbereich wirksam werden, um die Momentenlücken des elektromagnetischen Moments voll auszufüllen und an der Welle 15 ein von Pendelmomenten im wesentlichen freies Abtriebsmoment zur Verfügung stellen zu können.
• Fig. 5 zeigt eine Regelschaltung der erwähnten Art. An die Anschlüsse 27 und 29 der beiden Flachspulen 11 und 12 sind 2 Dioden 68 bzw. 69 angeschlossen, deren Kathoden mit einer Leitung 70 verbunden sind, an welcher man im Betrieb eine wellige Spannung u70 erhält, deren Amplitude der Drehzahl des Rotors 26 proportional ist.
• Der Hallgenerator 42, dessen einer Anschluß an eine Minusleitung 61 angeschlossen ist, ist über einen Widerstand 83 in Serie mit der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 84 an eine Plusleituna 60 geführt. Die Ausgangsspannungen des Hallgenerator2werden den Basen zweier npn-Transistoren 38 und 39 zugeführt, deren Emitter mit der Minusleitung 61 und deren Kollektoren mit den Spulenanschlüssen 27 bzw. 29 verbunden sind.
• Die Spannung u70 wird einer phasenschiebenden Siebkette 85 zugeführt, und zwar über einen Spannungsteiler mit einem Potentiometer 86 und einem damit in Reihe liegenden NTC-Widerstand 87, welcher zur Kompensation der temperaturabhängigen remanenten Induktion des Rotors 26 dient, welche Induktion mit steigender Temperatur abnimmt.
• Die phasenschiebende Siebkette 85 besteht beim vorlieg-enden Ausführungsbeispiel aus drei in Reihe geschalteten R-C-Gliedern, von denen das erste gebildet wird von den Widerständen 86,87 und einem Kondensator 88, das zweite von einem Widerstand 89 und ei nein Kondensator 90 und das dritte von einem Widerstand 93 und einem Kondensator 94. Zwischen dem Kondensator 88 und dem Kondensator 9o liegt eine Zener-Diode 95, deren Anode über einen Widerstand 96 mit der Minusleitung 37 verbunden ist. Diese Zener-Diode bewirkt, daß das Potential am Punkt o, welches im Betrieb positiver ist als das Potential an der Plusleitung 60, um einen konstanten Betrag in negativer Richtung verschoben wird, so daß das Potential an der Anode der Zener-Diode 95 kleiner ist als das Potential der Leitung 60. Eine solche Siebkette bewirkt einmal eine Phasenverschiebung der Phase der Spannung u70 (Fig. 5 und 6),um etwa 1800, wobei es sich gezeigt hat, dass die Kondensatoren ziemlich große Toleranz-en haben können. Fereer bewirkt diese Siebkette 85 eine Glättung der stark welligen Spannung u70, so daß man an dem in Fig.S mit 97 bezeichneten Ausgang der Siebkette 85 eine Spannung u97 erhält, wie sie in Fig 6 dargestellt ist.
• Größe und Phasenlage dieser Spannung U97 sind durch die Dimensionierung der Siebkette 85 festlegbar.
• Diese Spannung u97 wird der Basis eines pnp-Transistors loo zugführt, dessen Emitter an der Plusleitung 60 liegt, während sein Kollektor über einen Widerstand lol, einen Knotenpunkt 102 und einen Widerstand lo3 mit der Minusleitung 61 verbunden ist. Der Punkt lo2 ist mit der Basis des Transistors 84 verbunden.
• Wie man ohne weiteres erkennt, bewirkt ein Negativwerden des Punktes 97 gegenüber der Plusleitung 60, daß der Transistor loo und mit ihm auch der npn-Transistor R4 leitend werden.
• Da die Spannung U97 eine relativ geringe Welligkeit haben kann, kann man den Ein-und Ausschaltvorqang sehr "weich" machen, wodurch sich in Fig.6 in der 3.Reihe von oben dargestellte Form des Stromes in den Motorwicklungen 11 und 12 ergibt. Man erhält hierdurch einen ruhigen Lauf des Motors, sehr geringe Funkstörungen und niedrige Spannung spitzen beici beschalten. Der Wirkungsgrad ist sehr gut, da die Wirklungen wie dargestellt gerade im Spannungsmaximum Strom erhalten. Falls der Ein-und Ausschaltvorgang schnell verlaufen sol, um Verluste in den Transistoren 38 und 39 zu vereien, kann dies ebenfalls durch entsprechende Bemessung der Siebkette 85 erreicht werden.
• Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt: "wenn die Drehzahl des Motors 9 unterhalb der am Potentiometer 86 eingestellten Soll-Drehzahl liegt, hat die induzierte Spannung u70 einen relativ kleinen Wert, und deshalb ist auch der in Fig.6 mit um bezeichnete Gleichspannungsanteil der geglätteten und phasenverschobenen Spannung U97 relativ klein, so daß der Transistor loo fast ständig an seiner Basis ein Potential erhält, das negativer ist als das Potential der Leitung 60. Deshalb sind der Transistor loo und mit ihm der Transistor 84 zunächst ständig oder fast ständig leitend, so daß die Komutierung des Ankerstroms von der Wicklung 11 zur Wicklung 12 oder umgekehrt durch den Hallgenerator 42 bewirkt wird.
• Beim Erreichen der Volldrehzahl wird der Gleichspannungsanteil Um so groß, daß die Basis des Transistors loo teilweise positiver wird als sein Emitter. Während dieser Zeit sind die Transistoren loo und 84 gesperrt und der Hallgenerator 42 kann keine hallspannung erzeugen , so daß. auch die Transistoren 38 und 39 gesperrt bleiben. Erst wenn durch die Welligkeit der Spannung u97 die dosis des Transistors loo negativ relativ zum Emitter wird, wird dieser Transistor leitend und mit ihm der Transistor 84, so daß der Hallgenerator 42 Strom erhält und je nach dem augenblicklichen magnetischen Feld von Rotor 26 entweder der Transistor 38 oder der Transistor 39 eingeschaltet wird. Man erhält dann Beispiel Stromkurven, wie sie in Fig. 6 in der 3. Reihe von oben dargestellt sind. Der Hallgenerator 42 wirkt hierbei also praktisch als UND-Gliedwvdas heißt, er bewirkt eine logische VerknUpfung der durch die Richtung des magnetischen Flusses vom Rotor 26 gegebenen Information mit der vom Transistor loo kommenden elektrischen Information.
• zeigt die Drehzahl über die Soll-Drehzahl hin-aus an, so werden die Transistoren loo und 84 praktisch ständig gesperrt und dem Motor 9 wird überhaupt keine Energie mehr zugeführt, so daß seine Drehzahl wieder sinkt.
• Mit einer solGt,en Regelung wird also die Breite und / oder Stärke der Stromimpulse beeinflusst. Man erhält auf diese Weise eine ausgezeichnete Regeldynamik und einen schnellen, überschwinßfreien Hochlauf des geregelten Motors. Der Wirkungsgrad ist sehr gut, da die Stromimpulse in den Wirklungen 11 und 12 die richtige Phasenlage relativ zur induzierten Spannung u70 haben.
• Die Ströme i38 und i39 in den beiden Wicklungen 11 und 12 erzeugen am Rotor 26 ein elektromagnetisches Antriebsmoment Mel, dessen Verlauf in Fig. 6 in der 4. Reihe von oben mit strichpunktierten Linien dargestellt ist. Uieses Moment weist ersichtlich sehr große Lücken auf, welche größer als 900 elektrisch sein können und in diesen Lücken wird das durch die eingangs beschriebenen ferromagnetischen Elemente 45 erzeugte Reluktanzmoment el wirksam, dessen Verlauf in Fig.4 ebenfalls in der 4. Reihe von oben dargestellt ist.
• Hierbei wird erfindungsgemäß erreicht, daß Mel und Mrel wie dargestellt, etwa spiegelbildlich zueinander verlaufen und daß das REluktanzmoment in den Lücken des elektromagnetischen Moments Mel, also Beispiel zwischen den Zeitpunkten tl und t2 in Fig. 6 einen im wesentlichen konstanten Verlauf hat. Dies ist deshalb wichtig, weil man nur so ein praktisch konstantes Abtrieksmoment über dem gesamten Drehwinkel erreichen kann, wie es in manchen Anwendungsfällen, zum Beispiel beim Antrieb von Tonbandgeräten oder Plattenspielern, erforderlich ist.
• Addiert man die beiden tiomente Mei und Mrel, so erhält man ein praktisch konstantes e.esaFtmoment. Dieses Gesamtmoment ist sozusagen in de Motor einprogrammiert, das heißt, ein solcher Motor kann zum Antrieb eines Geräts dienen, das ein Antriebsmoment in dieser Größenordnung benötigt, also zum Beispiel zum Antrieb eines Lüfters, eines Druckwerks, eines Tonbandgeräts, eines Plattenspielers oder dergteichen. Wie man aus Fig. 5 erkennt, ist der Aufwand für die Drehzahl regelung eines Motors dieser rt ausserordentlich gering.
• In Fig.6 ist in der untersten Reihe auch ein Teil des Verlaufs der Induktion B über dem (abgewickelten) Rotor 26 dargestellt.
• Wie man erkennt, hat diese Induktion einen etwa trapezförmigen Verlauf mit schmalen POllücken und breiten Polen.
• Die Figuren 7 und 8 dienen zur Erläuterung der Form des Reluktanzmoments.
• ei Fig. 7 befindet sich der Rotor 26, dessen Pol lücken 22 bis 22 ''' (vergl. Fig.4) mit strichpunktierten Linien angedeutet sind, in einer stabilen Ruhelage, welche dem Punkt llo der Fig. 6 entspricht. In dieser Lage be inden sich alle Eisenstifte 45 zwischen zwei gegenüberliegenden Polen des Rotors 26, das heißt, beide Pol lücken 22 und 22 ' dieser Pole liegen außerhalb der Stifte 4.S. Erhält der Motor 9 keinen Strom, so bleibt der Rotor 26 in dieser Ruhelage, das heißt, das Reluktanzmoment hat hier die Größe o.
• wird der Rotor 26 aus dieser Lage in Drehrichtung 25 weiteres dreht, so ist dazu ein antreibendes Moment erforderlich, da der Rotor 26 immer das Bestreben hat, sich in eine Lage zu drehen, in der sich das Maximum des aktiven Eisenvolumens der Stifte 45 im Bereich eines seiner Pole befindet.
• Dieses antreibende Moment wird im Betrieb von den stromdurchfiossenen Spulen 11 bzw. 12 erzeugt, deren antreibendes Moment in Fig. 6 mit 111 bezeichnet ist, während das bremsende Moment - durch die Stifte 45 - mit 112 bezeichnet ist.
• Die gezeigte Anordnung der Stifte 45 bewirkt dabei den spiegelbildlichen Verlauf der Kurven 111 und 112, bezogen auf das mittlere ,rsotriebsnioment des Motors 9.
• Etwa 650 elektrisch nach dein Punkt 111 gelangt der Rotor 26 in die Stellung nach Fig.P, in der sich besonders viele Stifte 45 im Bereich der Pollücke 22 befinden und die im Bereich der Pole Lefindliche Zahl von Stiften minimal ist. Wie man in Fig. 8 deutlich erkennt, sind die Stifte 45 in Reihen angeordnet, die zur Pol lücke 22 etwa parallel verlaufen.Der gesamte magnetische Widerstand des magnetischen hreises,und damit die im Luftspalt gespeicherte magnetische Energie, wird in dieser Stellung am größten. Wie aus Fig.8. ersichtlich, zieht ein Teil der Stifte 45 den Pol P des Rotors 26 an, ein anderer Teil dag8-gen den Pol P' des Rotors 26, so daß diese Stellung eine labile Ruhelage des Rotors 26 ist, welche dem Punkt 113 in Fig.6, also einem o-Durchgang des Reluktanzmoments entspricht.
• Wie man ferner aus Fig.6 erkennt, müssen die Punkte 11o und 113 möglichst symmetrisch zum elektrischen Moment 111 liegen,das seinerseits in vorteilhafter Weise gleichphasig mit der Spannung U70 ist. Dies wird praktisch erreicht durch entsprechende Wahl des Winkels gamma (Fig.1)5 während die Winkel alpha und beta die Form des Reluktanzmoments festlegen. Damit sich das Reluktanzmoment mit dem elektrischen Moment zum gewünschten konstanten Abtriebsmoment des Motors ergänzt, sollte an den Punkten llo und 113 das elektrische Moment 111 etwa die Größe dieses Abtriebsmoments erreicht haben, das heißt, das elektrische Moment 111 muß vor dem Punkt llo einsetzen und nach dem Punkt 113 enden, was durch die Auslegung des Reglers (Fig.5) erreicht wird.
• Wie ie Figuren 7 und 8 zeigen, ferner wie nach der Lehre des Hauptpatents die Pol lücken 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 neben und nicht über oder unter Flachspule 1 anzuordnen da die Pol lücken 22 hierbei beim Vorbei laufen an den Elementen 45 gleichzeitig auch mit dem benachbarten magnetisch aktiven Spulenteil (z.b.33) in Wechselwirkung treten können.
• Wie nan Fig. weiter entnehmen kann, nirnint die Dichte der Stifte 45 unter Pol lücke 22 bei weiterer Drang des Rotors 26 langsamer ab, als sie zunächst zugenommen hdt. Ebenso nimmt die Zahl der unter den Polen P und 9' insgesamt befindlichen Stifte 45 langsamer zu, so daß sich die magnetische Energie langsamer vermindert, als sie zugenommen hat. Folglich ist das antreibende Reluktanzmoment, das in Fig. 6 mit 114 bezeichnet ist, kleiner als das bremsende Reluktanzmoment 112, wirkt aber über einen größeren Drehwinkel, der im wesentlichen dem Winkel beta der Fig.1 entspricht. Nach dem Gesetz von der Erhaltung der Energie muß die im bremsenden Bereich 112 aufuewendet.e Energie, die in Fig. 6 mit einem -Zeichen bezeichnet ists gleich der im antreibenden Bereich 114 abgegebenen Energie sein, die in Fig. 6 mit + bezeichnet ist. (Dabei sind die Ummagnetisierungsverluste in den Stiften 45 nicht berücksichtigt).
• Wie man aus Fig. 6 erkennt, hat das antreibende Reluktanzmoment 114 die Größe des antreibenden Moments, für das der Motor 9 ausgelegt ist.
• Man erkennt also, daß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Größe und Wirkungsbereich des bremsenden Reluktanzmoments 112 im wesentlichen durch den Winkel alpha (Fig.1) gegeben ist, in welchem der magnetische Wiederstand, in Drehrichtung gesehen, ab nimmt und daß Größe und Wirkungsbereich des antreibenden Reluktanzmoments 114 durch den Winkel beta gegeben sind, in welchem der magnetische Widerstand zunimmt.
• Damit das Reluktanzmomerit in jenen Stellungen des Rotors wirkt, in denen es nach das elektromagnetische Moment sinnvoll ergänz; ist die Lage der Jeicheisenstifte 45 relativ zu den Spulen 11 und 12, die durch den Winkel gamma in Fig.1 definiert ist, geeignet zu wählen. Dazu kann man von der Tatsache Gebrauch machen, daß sich der Rotor 26 in der in Fig. 7 dargestellten Stellung in einem stabilen Gleichgewicht befindet, weil die gespeicherte magnetische Energie ein Minimum hat, während bei der in Fig.8 dargestellten Stellung die magnetische Energie ein Maximum erreicht und daher in dieser Stellung ein labiles Gleichgewicht herrscht. Das Relutanzmoment ist also in diesen beiden Stellungen gleich o. Wie dargelegt, sollten diese beiden o-Durchgänge llo und 113 etwa syimimetrisch zum antreibenden elektrischen Moment 111 liegen.
• Die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich bei jedem Pol des Rotors 26, das heißt, bei einem 4 poligen Rotor, wie er im Ausführungsbeispiel dargestellt ist, tritt 4mal ein bremsendes und 4mal ein antreitUendes Moments sowie 4mal ein labiles und 4 mal ein stabiles Gleichgewicht pro Umrehung auf.
• Falls der Rotor 26 in anderer Weise magnetisiert ist, als dies in der untersten Reihe von fig. 6 dargestellt ist, also zum Beispiel bei schmalen Polen und breiten Pol lücken, oder bei sinusforulliger Magnetisierung, kann das Reluktanzmoment in ganz entsprechender Weise durch Variation des magnetischen Widerstandes des magnetischen Kreises beeinflusst werden, doch ergitt sich dann für die Winkel alpha, beta und gamma der Fig.l eine andere Bedeutung.
• Die Figuren 9 - 17 zeigen andere Ausführungsforrlen für Ausbil-Jung und Anordnung der ferropmagnetischen Elemente, und zwar bei einem Motor, dessen Aufbau demjenigen des Motors nach den Figuren 1 - 4 in allen wesentlichen Teilen entspricht. Auch bei diesen Ausführunqsformen ist die in Fig.6, unten, dargestellte Magnetisierung und die in Fig.6 darstellte Form des elektromagnetischen tioments Mcl voraussetzt, Bei den Figuren 9 und lo wird ein einziges Formstück 117 verwendet, und zwar ein tunststoffkörper mit eingelagertem Weicheisenpulver oder eingelagerten Ferriten, Auch ein Formstück aus Weichferrit kann verwendet werden. Die eingetragenen Winkel haben dieselbe Bedeutung wie bei Figur 1) hierzu kann auf die vorstehende Beschreibung hingewiesen werden.
• Bei den Figuren i1 und 12 werden 3 verschieden lange, aber gleich breite gestanzt2 Weicheisentücke 118, 119 und 120 verwerdet, welche durch ihre Form und Anordnung etwa dieselbe Wirkung haben wie die Stifte 45 nach dem ersten Ausführungsbeispiel.
• Die Figuren 13 unn 14 zeigen die Verwendung von 3 gleich langen, zylindrischen Weicheisenstiften 122, 123 und 124, von denen der mittlere Stift 123 dicker ist als die beiden äußeren.
• Fi. 15 zeigt ebenfalls die Verwendung von gleich breiten und hier auch gleich großen gestanzten eicheiserstücken 127 und 1 28, welche unter einem Spitzen Winkel zueinander angeordnet sind und zwar so dass sie sich yegenseitig etwas überlappen.
• Die Figuren 16 und 17 zeigen einen Ferromagnetischer. Körper 131, welcher ijberall qleich breit ist, dessen Dicke aber senkrecht zur Ebene der Statorplatte lo variabel ist. Fig.17 zeigt diese nickenvariation aus Cründen der Anschaulichkeit übertrieben stark dargestellt. Im Winkelbereich alpha nimmt die Picke in Drehrichtung gesehen zu, irn Winkelbereich beta ab. Der Körper 131 besteht wie das Formstück 117 aus einem Kunststoff mit eingelagertem Weicheisenpulver oder eingelagerten Ferriten oder aus einem entsprechend geformten Weichferrit.
• ie man ohne weiteres erkenn nimmt bei allen Ausführungsformen nach den Figuren 9 - 17 das magnetisch aktive Eisenvolumen in einem ersten Winkelbereich alpha zu und in einem zweiten, größeren Winkelbereich beta ab, wobei die Lage des Maximums durch den Winkel galnma bestimmt ist.

Claims (10)

A n s p r ü c h e

1. Kollektorloser Gleichstromotor mit mindestends nahezu ebeeines Luftspalt. dessen Stator mindestens eine nach dem Prinzip der eisenlosen Wicklung ausgebildete, sich in den Luftspalt erstreckende Flachapule aufweist, und bei dem ein zur Steuerung der Kommutierung dienendes, von der Drehstellung des ktotors gesteuertes Glied vorgesehen ist, wobei die Flachspule im Betrieb mit einem permanentmagnetischen Rotor zusammenwirkt und zusammen mit diesem ein lückenaufweisendes, impulsartiges eletromagnetische Antriebsmoment erzeugt, ferner mit mindestends einem att dem magnetisch aktiven Teil des Rotors zusammenwirkenden ferromagnetischn Element zum Erzeugen eines in den Lücken des elektromagnetischen Antriebsmoments wirksamen antreibenden reluktanzmoments, nach Patentanmedung P 22 25 442.8 (eigene Akute DT-134), d a d u r c h g e k e n n z e i c h -.

n e t , daß am Stator (10) vorgesehene, im Betrieb mit dem Rotor (26) in Welchselwirkung tretende aktive Einsenvo-Lumen des mindestens einen ferromagnetischen Elements (45, 48; 117; 118, 119, 120; 122, 123, 124; 127, 128; 131) in Drehrichtung (25) gesehen in einem ersten Winkelbereich (alpha) vorzugsweise monoton zu - und in einer zweitenn Winkelbereich (beta) vorzugsweise monoton abnimmt, und daß der zweite Winkelbereich vorzugsweise wenigstens gleich groß ist wie der erste Winkelbereich.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nzeichnet, daß der zweite Winkelbereich (beta) an den ersten Winkelbereich (alpha) anschließt.

3. Gleichstromotor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß erster und zweiter Winkelbereihh zusammen etne Größe von etwa 100 bis 1800 elektrisch, aufweisen.

tt. Gleichstrommotor nach mindestens einem der Ansprüche 1-3 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Sunde des ersten Winkelbereichs in Drehrichtung gesehen etwa 180 bis 1300 elektrisch + n. 360° elektrisch vor der radialen Mittelachse der mindestzens einen Flachspule liegt, wobei der Wert von n gleich 0, 1, 2.... etc. sein kann.

5. Gleichstrommotor nach mindestens einem der Ansprüche 1-4 d a d u r c h g e k e n u z e i c h n e t, daß eine stabile Rotorstellung (110; Fig.7), in welcher sich das maximale aktive Eisenvolumen in Wechselwirkung mit einem Rotor pol (p) befindet, etwa mit dem Beginn des elektromagnetischen Antriebsmmoments (111) zuammenfällt.

6. Gleichstrommotor nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h tt e t, daß eine stabile Rotorsterllung zeitlich auf den beginn des Stromes in der mindestens einen Flachapule (11, 12) folgt.

7. Gleichstrommotor nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n £ e i c h n e t, daß eine stabile Rotorstellung (110) etwa mit einer Größe des elektromagnetischen Antriebammoments (111) zusammenfällt, welche dem durchschnittlichen Antriebsmmoment entspricht, auf das der Motor (9) ausgelegt ist.

5. Cleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine labile Rotorstellung (Fig. 8), in der sich ein Teil des akaktiven Einsenvolumens im Bereich einer Pollücke (22) des Rotors (26) befindet und das Reluktanzmoment (112, 114) eine Nullstelle (113) durchläuft, etwa mit dem Ende eines Impulses des elektromagnetischen Antriebsmmoments (111) zusammenfällt.

9. Gleichstrommotor nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z o i c h n e t, daß das Ende des Stromes in der mindestens einen Flachspule (11, 12) im Betrieb zeitlich auf eine labile Rotorstelung (113) folgt

10. Gleichstrommotor nach Anspruch 8 oder 9 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine labile Rotorstellung (113) etwa mit einer Größe des elektrisehen Antriebsmoments zusammenfällt welche dem durch schnittlichen Abtriebsmoment entspricht, auf das der Motor ausgelegt ist.

11. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei einem Motor, dessen Rotor (26) Pollücken (22) aufweist, welche z.B.

von der Drehachse (15) aus gesehen nach außen/ entgegen der Drehrichtung verlaufen, das aktive Einsenvolumen in Drehrichtung gesehen in einen ersten Winkelbereich von etwa 25 bis 70° elektrisch zunimmt.

12. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei eines Motor, dessen Rotor (26) Pollücken (22) aufweist, welche von der Drehachse (15) aus gesehen nach außen z.B. entgegen der Drehjrichtung verlaufen, das aktive Einsenvolumen in Drehrichtung gesehen in einem zweiten Winkelbereich von 65 bis 110° el abnimmt.

13. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h $ e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens ein Teil des aktiven Eiseuvolumens in Drehrichtung (25) gesehen vor der mindestens einen Flachspule (11) liegt, daß mindestens der an dieses Eisenvoluwen anschließende Abschnitt (33) der Flachapule (11) gesehnt ist, und daß ein Teil (45') des aktiven einsenvolumens in dem Zwickel zwischen dea Außenumfang der vom Rotormagneten (18 ,19) überstrichenen Statorfläche und dem gesehnten Spulenabschnitt liegt.

14. Gleichstrommotor nach mindestsns einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das aktive Eisenvolumen in mehrere einzelne, mit Abstand voneinander angeordnete ferromsgnetische Elemente unterteilt ist.

15. leichstrommotor nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die einzelnen ferromsgnetischen Elemente (45; 117; 122, 123; 124) als zylindrische Weicheistenstücke ausgebildet sind, welche etwa senkrecht zur Luftspaltebene verlaufen.

16. Gleichstromotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei einem Motor dessen Rotor Pollücken aufweist, welche von der Drehachse aus gesehen nach auß z.B. entgegen der Drehrichtung verlaufen, mindestens ein Teil der Weicheisenstücke in Reihen angeordnet sind, welche mit dem Verlauf einer über ihnen liegenden Pollücke (22) etwa übereinstimmen. j 17. gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei ein Hotor, dessen Rotor Pollücken aufweist, welche von der Drehachse aus gesehen nach außen z.B. entgegen der Drehrichtung verlaufen das aktive Eisenvolumen der im aereich des Außenumfangs der vom Rotormagneten (18, 19) überstrichenen Statorfläche angeordneten Weicheisentücke über einen größeren Winkelbereich verteilt ist als das aktive Eisenvolumen der in dazu parallelen, radial zur Drehachse (15) des Motors versetzten Bahnen liegenden Weicheisenstücke.

18. Gleichstromotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e nn z e i c h n e t, daß mindestens ein Teil (45, 48) der Weicheisentücke in einer zur Drehachse des Motors ungefähr punktsymetrischen Verteilung angeordnet ist.

19. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Weicheisenstücke mindestens teilweise unterschiedliche aktive Eisenvolumina aufweisen (Fig. 13, 14).

20. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g o k e n n z e i c h n e t, daß die zylindrischen Weicheisenstücke einen etwa kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

21. Gleichstrommotor nach mindestens einem der ansprüche 1-19, d a d u r c h g e ke n n z e i c h n e t, daß die Weicheisenstücke einen etwa recheckförmigen Querschnitt, bezegen auf den Luftspaltebene, aufweisen.

22. Gleichstrommotor nach Anspruch 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Weicheisenstücke als längliche Blechstücke ausgebildet sind, welche mindestens teilweise etwa tangential zur Motordrehachse verlaufend im Luftspalt angeordnet sind.

(Fig. 11, 12).

23. Gleichstrommotor nach Anspruch 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens zwei gleichgroße längliche blechstücke (127, 128) vorgesehen sind, von denen das eine (128) etwa im ersten Winkelbereich (alpha) in Drehrichtung (25) gesehen schräg nach innen verlaufend angeordnet ist, während das zweite (127) etwa im zweiten Winkelbereich (beta) und etwa tangential verläuft (Fig. 15).

24. Gleichstrommotor nach Anspruch 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sich beide Blechstücke (127, 128) in einen den ersten und zweiten Winkelbereich übergreifenden Zwischenbereich erstrecken (Fig. 15).

25. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüchen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens ein ferromagnetisches Element als Formstück (117; 131) aus einem Weichferrit ausgebildet ist.

26. Gleichstrommotor nach mindestens einem der Ansprüche 1-24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens ein ferromagnetisches Element als Formstück (117;131) aus eine mit Eisenpulve vermischten Kunststoff ausgebildet ist.

27. Gleichstrommotor nach Anspruch 25 oder 26, d a d u r c h g e k e n n z e e i c h n e t, daß die Abmessungen des Formstückes (117) bei mindestens nahezu gleichbleibender Dicke vorzugsweise in radialer wichtung variabel sind (Fig. 9, 10).

28. Gleichstrommotor nach Anspruch 25 oder 26, d r d u r c 1 g e k e n n z e i c h n e t, daß die Abmessungen des Formstückes (131) bei mindestens nahezu gleichbleibender Breite vorzugsweise in Dickenrichtung variabel sind (Fig. 16, 17).

29. Gleichstrommotor nach mindestends einem der vorhergehenden Ansprüche, , d a d u r c h g « k e n n z e i c h n e t , daß das elektromagnetische Antriebsmoment im Betrieb zeitlich etwa symmetrisch zu dem Zeitpunkt verläuft, an dem die in der mindestens einen Flachspulespule (11, 12) induzierte EMK ein Maximum durchläuft.

30. Gleichstrommotor nach Anspruch 29, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß bei einem drehzahlgeregelten Motor, bei dem die Drehzahol mindestens überwiegend durch Steuerung des Stromflußwinkels geregelt wird, der Stromflußwinkel im Betrieb wesentlich kleiner als 180, vorzugsweise um 90° (jeweils elektrisch) ist.

31. Gleichstro-notor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüchen, d a d u r c h g e k e n n 9 e i c h n e t t daß die Rotorpole eine etwa trapezförmige Magnetisierung aufweisen.

32. Gleichstrommotor nach mindestens einen der Ansprüche 1-30, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t e daß die Rotorpole eine etwa rechteckförmige Magnetisierung aufweisen.

33. Gleichstrommotor nach mindestens einem der Ansprüche 1-30, d a d u r c h g e k tr n n z e i c h n e t , daß die Rotor-Pole ein. etwa sinusförmige Magnetisierung aufweisen.