DE2328729A1 - Kollektorloser motor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Motor, der aus einem eisenlosen Rotor, gleichrichtenden Mitteln in Verbindung mit den Rotorspulen und einem Stator mit Gleichfeldpolen abwechselnder Polarität und dazwischen angeordneten Polen wechselnder Polarität besteht und der mit einer steuernden Wechselspannungsquelle verbunden ist.

Es ist bekannt, daß kollektorlose Motoren, insbesondere bei kleinen Leistungen, einen höheren Wirkungsgrad aufweisen, weil sie geringere Reibungsverluste aufweisen. Aus dem selben Grunde werden auch Schleifringe nach Möglichkeit vermieden.

Der Kollektor wird dabei durch eine Anzahl elektronischer Schalter ersetzt» die durch aufeinanderfolgende Ansteuerung die Kommutierung übernehmen. Als elektronische Schalter sind dabei alle möglichen Arten' steuerbarer Elemente anwendbar, die meistens auch gleichrichtende Mittel sind, um die Stromrichtung zu bestimmen. Die Anzahl der elektronischen Schalter entspricht überwiegend der Anzahl der Wicklungen« Seltener xver- · den auch mehrere Wicklungen, in geeigneten Verbindungen miteinander, von einem gemeinsamen elektronischen Schalter geschaltet.

Auch für die Ansteuerung der elektronischen Schalter sind, viele unterschiedliche Methoden bekannt« Angefangen von vereinfachten elektromechanischen Kollektoren mit geringer Reibung über magnetisch angekoppelte Steuerwicklungen, optische Systeme mit Lichtquellen und Photoelementen bis zu Hallelementen und anderen magnetisch gesteuerten Halbleiterbauelementen sind auch hierfür fast alle geeigneten Mittel untersucht und teilweise auch speziell dafür entwickelt worden«

Die Wahl der elektronischen Schalter und der Alisteuermittel richtet sich allgemein einerseits nach den Forderungen _a wie Wirkungsgrads Leistung.? Drehzahl₉ Gleichmäßigkeit des Laufes und andererseits nach dem Aufwand., wie Arbeitsaufwand zur Herstellung beziehungsweise Preis der Bauelementeσ

4Ö9840/OSSB

Da spezielle Bauelemente ohne wesentliche andere Anwendungsmöglichkeiten wegen der relativ geringen Herstellungsstackzahlen relativ te_uer sind, werden vorzugsweise als elektronische Schalter Dioden, Transistoren, Thyristoren und andere derartige gleichrichtende Bauelemente verwendet,, die von Zusatzwicklungen gesteuert werden, soweit nicht -die Steuerung der elektronischen Schalter direkt durch Magnetfelder möglich ist.

Die Stromzuführung erfolgt am häufigsten auf die als Stator benutzten Antriebsspulen mit ebenfalls stillstehenden Schaltern. Rotierende Permanentmagnaten steuern die Schalter über die zusätzlichen Steuerwicklungen oder durch ihr, relativ zu den stationären Bauelementen, wechselndes Magnetfeld. Im Umkehrfall erhalten die rotierenden Spulen ihre Ernergie über Schleifringe, oder, soweit dieser Aufwand zulässig erscheint, über rotierende Transformatoren, die dann oft in Zusatz.creisen auch noch eine Steuerwechselspannung zuführen. Die Antriebsenergie kann dabei derart umgeformt sein, dai3 praktisch Wechselstrommotoren nach bekannten Prinzipien entstehen, oder sie steht nach Gleichrichtung wieder als Gleichspannung zur Verfügung.

Um den Aufwand für einen solchen Motor mit rotierenden eisenlosen Antriebsspulen, der schnell und gleichmäßig laufen kann, einigermaßen gering zu halten_} ist auch ein kollektorloser Motor bekannt, der ähnlich wie ein Kurzschlußläufer, aber mit durch gesteuerte Gleichrichter als elektronische Schalter steuerbarem Kurzschlußverhalten, funktioniert. Hierbei ist nur die Übertragung der Steuerwechselspannung zum Rotor über einen einfachen rotierenden Transformator notv/endig, der bei genügend empfindlichen Bauelementen und geringeren Leistungen sogar durch kapazitive Übertragungsmittel ersetzt werden kann. Die gesteuerten Gleichrichter«, beispielsweise Transistoren, liegen mit ihren gesteuerten Kollektor-Emitter-Strecken jeweils parallel su. den einzelnen Antriebswicklungen des Rotors» Die Ansteuerung aller Gleich»

409840/0663 ' » 3 -

richter erfolgt phasengleich, über die parallel an die einzige Transformatorwicklung geschalteten Steuerstrecken dieser Transistoren. Der Stator besteht dabei aus jeweils einander abwechselnden Gleichfeldpolen wechselnder Polarität und vYechselfeldpolen, die aus einer ftechselspannungsquelle gespeist werden, deren Frequenz groß gegen die Drehfrequenz des Motors ist. Diese Frequenz ist gleich der Steuerfrequenz zu wählen und muß gleichbleibende Phasenlage aufweisen· Eine Änderung der Phasenlage (Phasenumkehr) ergibt eine Drehriehtungsänerung. Zur Erzeugung sind Zerhacker vorgesehen.

Auch dieser Motor bildet einen Kompromiß zwischen Forderungen und Aufwand. Jeder Wicklung muß ein gesteuerter Gleichrichter zugeordnet sein. Der rotierende Transformator muß von den Magnetkreisen des Motors entkoppelt sein und erfordert neben dem zusätzlichen Wicklungsaufwand auch ein großes Bauvolumen. Auch ist der Wirkungsgrad, -bedingt durch das Antriebsprinzip, geringer als er durch andere kollektorlose Motoren erreichbar ist.

Der Zweck der Erfindung ist die Vermeidung der erwähnten Hachteile mit möglichst geringem Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hohen Wirkungsgrad, einen großen Drehzahlbereich ohne wesentliche Geschwindigkeitsschwankungen, Kleinheit des Aufbaus, geringen Material- und Arbeitsaufwand zur Herstellung und Ausführbarkeit für einen weiten Leistangsbereich (Größenordnung Milliwatt bis Kilowatt) gleichzeitig zu erzielen. Auch sollen weder spezielle Bauelemente noch besondere Präzision oder Technologie gefordert werden. Der Anteil an manuellem Herstellungsaufwand soll möglichst gering sein.

Diese komplexe Aufgabenstellung mit nach herkömmlichen Gesichtspunkten teilweise widersprüchlichen Forderungen wird, ausgehend von dem zuletzt genannten Motor, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die steuernde Wechselspannungsquelle allein mit Koppelspulen auf einem oder mehreren Statorpolen

409840/0668

wechselnder Polarität verbunden ist und als Antriebsquelle dient und daß der Rotor nur Antriebsspulen aufweist, die gleichzeitig als Koppel- und Steuerspulen dienen und einzeln oder in Gruppen über die gleichrichtenden Mittel miteinander verbunden sind.

,Der Stator besteht vorteilhaft aus einem fast geschlossenen Ring von Gleichfeldpolen, vorzugsweise aus oxydkeramischem Magnetwerkstoff, in den nur relativ kleine Statorpole wechselnder Polarität, vorzugsweise aus Spulen auf Ferritkernen, in den Gleichfeld-Polgrenzen eingefügt sind.

Bei den häufigsten herkömmlichen gleichrichtenden Mitteln, wie z.B. Dioden und Transistoren, ergibt sich eine vorteilhafte einfache Schaltung, indem jeweils zv/ei Spulen oder Spulengruppen des Rotors einmal direkt und einmal über die gleichrichtenden Mittel verbunden sind. Bei gesteuerten gleichrichtenden Mitteln steuert jeweils eine der Spulen oder Spulengruppen durch beide Spulen oder Spulengruppen.

Als VYechselspannungsquelle sind ein oder mehrere Hochfrequenzgeneratoren mit belastungsabhängigem Strom für einen guten Wirkungsgrad günstig eingesetzt, deren Generatorspulen vorzugsweise selbst auf Statorpole wechselnder Polarität gewikkelt sind. Die Wechselspannungsquelle kann optimal zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades bemessen werden. Die Frequenzübersetzung (Generator- und Drehfrequenz) kann dabei ebenfalls auf maximalen Wirkungsgrad ausgelegt werden.

Der Wirkungsgrad wird natürlich auch durch einen geeigneten magnetischen Rückschluß beeinflußt. Mit Rücksicht darauf und auf eine technologisch einfache Herstellung bildet der Stator, aus Ferritwerkstoff gepreßt, gespritzt, gegossen oder dergleichen, das Motorgehäuse und gleichzeitig den Rückschluß, und die Gleichfeldpole, vorzugsweise aus oxydkeramischem Werkstoff, sind darin eingelegt und vorzugsweise eingeklebt oder eingepreßt.

409840/0668 - 5 -

~^b " 2328723

Einen wesentlichen Einfluß auf den ?/irkungsgrad hat auch die Anordnung der Koppelspulen auf den Statorpolen wechselnder Polarität. Sie sollen möglichst nahe an den Rotorspulen liegen und mit ihren Polkernflächen in einer Ebene abschließen, während die Polkerne die Rotorspulen als Rückschluß für den Wechselfeldfluß umschließen. Das Streufeld wird so besonders gering gehalten»

Eine Wechselspannungsquelle kann vorteilhaft jeweils mit mehreren, vorzugsweise zwei einander radial gegenüberstehend angeordneten Polen wechselnder Polarität verbunden sein· Damit wird nicht nur der Schaltungsaufwand verringert, sondern auch die Gleichmäßigkeit des Laufes verbessert, !"ertigungsunsymmetrien des Rotors werden dadurch ausgeglichen, Insbesondere bei einer Ausführung für größere Leistungen ist es vorteilhaft, mehrere Wechselspannungsquellen und Wechselpole bzw. zur Anzahl der Y/echselspannungsquellen doppelte oder mehrfache Anzahlen von Polen wechselnder Polarität, vorzugsweise in jeder Gleichfeldpolgrenze einen, anzuordnen.

Zur Drehrichtungswahl werden am günstigsten die Wechselspannungsquellen zwischen unterschiedlichen Gleichfeldpolgrenzen (Ii - S bzw. S-F) einzeln einschaltbar oder umschaltbar ausgebildet.

Die Drehzahlregelung kann auf eine an sich bekannte Art durch eine analoge oder digitale Gleichstrom- oder Widerstandsregelung der Wechselspannungsquelle erfolgen« Mehrere, verschiedenen Drehrichtungen zugeordnete Wechselspannungsquellen .können auch durch Umschaltung oder Umsteuerung in die Regelung einbezogen sein. -

Der Rotor kann auf an sich bekannte Art aus zwei oder mehr überlappt angeordneten Antriebsspulenanordnungen bestehen. Mit diesen sind jeweils die zugeordneten gleichrichtenden Mittel verbunden. Die Dimensionierung des Rotors ist unabhängig von der Betriebsspannung· Für Motoren mit verschiedenen Betriebsspannungen können daher die gleichen Rotoren verwendet werden.

40 &8 40/0668

- 6-

Als gleichrichtende Mittel können Dioden mit hoher Knickspannung eingesetzt werden, auch wenn dies zunächst im Sinne eines hohen Wirkungsgrades unvernünftig erscheint. Überraschenderweise werden damit jedoch die bremsenden Momente der induzierten EMK derart vermindert, daß sich der Wirkungsgrad gegenüber Dioden mit niedriger Knickspannung verbessert, loch vorteilhafter können jedoch als gleichrichtende Mittel gesteuerte Gleichrichter verwendet werden. Das könnenmit Kollektor und Emitter antiparallel verbundene Transistoren -sein, die über diese Strecken zwei Spulen oder Spulengruppen miteinander verbinden, deren gemeinsame Verbindungsstelle, vorzugsweise über strombegrenzende Widerstände, mit den Basisanschlüssen verbunden sind.

Solche Bauelemente ergeben ähnliche Eigenschaften wie die ebenso verwendbaren bipolaren (symmetrischen) Transistoren, die auf gleiche Art zwisehen zwei Spulen oder Spulengruppen eingeschaltet sind, während die Basis wieder über einen Widerstand mit der gemeinsamen Verbindungsstelle dieser Spulen verbunden ist. Der Aufwand verringert sich "hierdurch bei gleichem Wirkungsgrad. Auf die gleiche Art lassen sich bei Motoren noch größerer Leistung als gleichrichtende Mittel auch Thyristoren und ähnliche gesteuerte Gleichrichter in an sich bekannter Art einschalten.

Zwischen die Spulen oder Spulengruppen und die gleichrichtenden Mittel können phasendrehende Mittel, insbesondere Zusatzspulen, eingeschaltet sein. Sie werden vorzugsweise in die Zuführung des steuernden Anschlusses gesteuerter Gleichrichter, z.B. in Reihe mit dem bereits erwähnten Widerständen zur Basisstrombegrenzung oder an deren Stelle eingeschaltet, um den Gleichrichterwirkungsgrad zu verbessern.

Die gleichrichtenden Mittel können für mehrere Spulenverbindungen gemeinsam als integriertes Bauelement ausgebildet sein, das am besten in Scheiben- oder Ringform auf oder im Rotor angebracht ist.

409840/0S63

Wie an sich bekannt, können auch bei diesem Motor die Rotorspulen in gedruckter Schaltung ausgeführt sein, was sonst bei dieser Motorgattung wegen der Koppel- und Steuerspulen nur teilweise möglich ist.

Das einfache Prinzip des Motors eröffnet viele Möglichkeiten herkömmlicher und neuer Art für die technologische Herstellung. So kann der Stator, wie bereits erwähnt, aus magnetisch leitendem Werkstoff mit geringen "Verlusten hergestellt werden. Eine besonders einfache und"billige Herstellung ergibt sich, wenn das Stator-Motorgehäuse in Form zweier gleicher Schalen ausgebildet ist, zwischen deren leicht verkürzten einstückig darin enthaltenen Polkernen wechselnder Polarität und den ebensoviel kursieren permanenten Magnetringen mit Aussparungen für die Pole wechselnder Polarität ein scheibenförmiger Rotor liegt. Das gesamte Stator-Gehäuseteil läßt sich so in zwei Hälften in einem Werkzeug herstellen. Für den präzisen Aufbau des Luftspaltes genügt das einseitige überschleifen der Hälften. Die Gleichfeldmagnetpole werden auf übliche Art hergestellt.

Die schalenförmigen Gehäuseteile können je ein Achslager enthalten oder aufnehmen. In den Aussparungen der Pole etwa gleichen Durchmessers wie diese Achslager können die gleichrichtenden Mittel auf dem Rotor und eventuell weitere Bestandteile, wie Tachogenerator und WechselSpannungsgeneratoren angeordnet sein.

Die Stator-Motorgehäuseschalen können aber auch außerhalb der wesentlichen Rückflußquerschnitte Ausnehmungen für die Wechselspannungsgenerator-Bauteile und deren Verbindungen enthalten, so daß nur noch die Anschlüsse für die Gleichstromspeisung oder bei Bedarf auch eine Wechselstromspeisung und eventuell Stellgrößenanschlüsse (Sollwert) für die Regelung herausgeführt sind.

409840/0668

Die Erfindung wird nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen erklärt, die die vielfältigen Variationsmöglichkeiten teilweise mit willkürlichen Merkmalkombinationen darstellen, um mit relativ wenigen Beispielen die vielfältigen Möglichkeiten zu erklären, die mit der Erfindung gegeben werden.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Pig. 1: eine schematische Darstellung des Antriebsprinzips,

Fig· 2: eine schematische Darstellung des Antriebsprinzips mit Rücksicht auf die Kreisbewegung,

Fig· 3: eine Generatorschaltung für einen Pol wechselnder Polarität,

Fig. 4: eine Generatorschaltung für zwei Pole wechselnder Polarität,

Fig. 5: eine Generatorschaltung für zwei Pole wechselnder Polarität mit abweichender Zusammenschaltung der Pole und Regelung im Zusammenhang mit Fig. 4,

Fig. 6: Rotorschaltungen mit Dioden als gleichrichtende Mittel,

Fig. 7: eine Rotorschaltung mit zwei Transistoren als gleichrichtende Mittel,

Fig. 8: eine Rotorschaltung mit einem bipolaren Transistor,

Fig. 9: eine Rotorschaltung mit einem bipolaren Transistor mit der Reihenschaltung der Rotorwicklungen,

Fig. 10: eine Rotorschaltung mit einem bipolaren Transistor mit der Parallelschaltung der Rotorwicklungen,

Fig. 11: eine Rotorschaltung mit einem bipolaren Transistor mit Reihen- und Parallelschaltungen der Rotorwicklungen,

Fig. 12: die Ansicht eines vierpoligen Motors mit axialem Luftspalt,

Fig. 13: den zugehörigen Schnitt A-A zu Fig. 12,

Fig. 14: einen Schnitt durch einen sechspoligen Motor riit radialem Luftspalt,

409840/0668 _₉_

Pig. 15: eine konstruktive Ausführung eines achtpoligen Motors mit Axialspalt,

Fig. 16: eine Draufsicht auf das Statorteil des Motors nach Fig. 15,

Pig. 17: eine Rotorplatte für den Motor nach Fig. 15,

Pig. 18: eine verbesserte Ausführung eines Motors in Abwandlung der Grundform nach Pig. 15·

Die schematische Darstellung in Pig. 1 läßt das Antriebsprinzip erkennen. Zwischen zwei Sieichfeldpolen 1; 2, die in wechselnder Polarität Έ und S angeordnet sind, befindet sich ein Pol wechselnder.Polarität 3· Eine Wechselspannungsquelle ist mit einer Feldspule 5 verbunden. Über diesen Polen 1; 2; 3 befindet sich eine Antriebsspule 6, die mit einem Gleichrichter 7 verbunden ist. Diese Anordnung ähnelt äußerlich der bekannten Anordnung des Linearmotors, jedoch erstreckt sich die Antriebsspule 6 über einen Gleichfeldpol und mindestens teilweise über einen Pol wechselnder Polarität 3· Sie erhält damit während öines Polwechsels ständig ein Wechselfeld induziert, das einen Wechselstrom erzeugt, vondem eine Halbwelle unterdrückt wird· Dieser gleichgerichtete Wechselstrom in der Antriebsspule 6 erzeugt seinerseits auch ein Gleichfeld, das entsprechend den Pfeilen 8 in Fig. 1 die Bewegung der Antriebsspule 6 vom ITord- zum Süd-Pol bewirkt, bis die nur teilweise dargestellte folgende Antriebsspule 9 die gleiche Bewegung fortsetzt.

Es genügen die dargestellten drei Pole und auf dem Rotor aufeinanderfolgende Antriebsspulen der dargestellten Art, ver- · bunden mit Gleichrichtern, zur ständigen Bewegung. Die Antriebsspulen brauchen dabei nicht mit je einem getrennten Gleichrichter versehen zu werden, sondern es können Gruppen von Spulen mit einem Gleichrichter zusammengeschaltet werden, so daß bereits zwei Gleichrichter genügen, die parallel zu je zwei gegenüberliegenden Spulen oder zwischen diese Spulen

- 10 409840/0668

- ΛΟ -

geschaltet sind. Da der Halbwellenstrom, wie in Fig. 2 dargestellt, jeweils die beiden miteinander verbundenen Spulen 11; 13 über den Gleichrichter 15 und die Spulen 12; 14 über den Gleichrichter 16 gemeinsam durchfließt, tragen diese auch gemeinsam zum Antrieb bei, wenn ihnen Gleichfeldpole 17 bis 20 zugeordnet sind. Im Gegensatz zu der bekannten Anordnung dürfen aber nicht zwischen allen Gleichfeldpolen Pole wechselnder Polarität liegen, weil sonst gegensätzliche' Antriebskräfte entstehen warden. Außer dem dargestellten Pol 10 wechselnder Polarität könnte für die gleiche Drehrichtung nur noch zwischen den Gleichfeldpolen 19 und 20 ein v/eiterer Pol wechselnder Polarität angeordnet werden. Wenn zwischen den anderen Gleichfeldpolen Pole wechselnder Polarität liegen, ergibt sich die entgegengesetzteBewegungsund Drehrichtung, so daß nicht wie bei der bekannten Anordnung die Phasenlage der Wechselspannungen, sondernnur die Reihenfolge der Pole von IT - S in S - Έ geändert werden muß. Dies ermöglicht eine einfache Regelung und Drehzahlsteuerung, die bis zur schnellen Abbremsung durch Umschaltung der Pole wechselnder Polarität geführt werden kann. Die Frequenz der Wechselspannung kann für günstigen Wirkungsgrad frei gewählt werden und muß nicht verändert,werden,

Wenn auch, wie in Pig. 2 gezeigt, die Anordnung eines einzigen Poles wechselnder Polarität genügt, ist es doch vorteilhaft, diagonal gegenüber einen zweiten solchen Pol anzuordnen, v/eil damit Unsymmetrien der Antriebsspulenwicklungen besser ausgeglichen werden und ein gleichmäßiges Antriebsmoment entsteht.

Aus dem selben Grunde und besonders weil dies den Anlauf auch aus der ungünstigsten Stellung sichert, ist es vorteilhaft, jeweils zwei der dargestellten Antriebsspulensysteme um den halben Winkel ihrer Spulen versetzt zueinander anzuordnen. Dieses zweite Antriebsspulensystem erreicht sein größtes Antriebsmoment während des Minimums des Antriebsmomentes des ersten Antriebsspulensystems. Pur besonders einfache Motoren ist dieses zweite System jedoch nicht Bedingung, weil die Fe.rtxgungsunsymmetrien immer einer Antriebsspule ein über-

409840/0668

wiegendes Moment geben, das den Anlauf, jedenfalls ohne last, sichert.

IUr die Pole wechselnder Polarität erweist sich überraschenderweise die Speisung durch einen einfachen Wechselspannungsgenerator, der als Sinusgenerator mit belastungsabhängigem Strom aufgebaut ist, am vorteilhaftesten. Ein Schaltungsbeispiel dafür zeigt die Pig. 3« Durch den Transistor 21 fließt» veranlaßt durch den Widerstand 22, beim Einschalten ein Strom, der sich aus der Spule 23 im' Kollektorkreis in die frequenzbestimmende Spule 24 überträgt· Sin kapazitiver Spannungsteiler, bestehend aus einem Kondensator kleiner Kapazität 25 und einem Kondensator großer Kapazität 26 gibt einen Teil der Schvi'ingkreisspannung an die Basis des Traneistors 21 zurück, wodurch dieser gesperrt wird, bis ein erneuter Basisstrom den Vorgang wiederholt. Ein Ferritkern 27, auf dem die Spulen 23 und 24 gewickelt sind, bildet den Pol wechselnder Polarität 3 bzw. 10. Die davon entnommene Energie bestimmt den Strom für den nächsten Umpolungsvorgang; also den belastungsabhängigen Speisestrom. Der frequenzbestimmende Kondensator 28 legt die für den Wirkungsgrad maßgebliche Umladungsgeschwindigkeit fest.

Wenn zwei Pole wechselnder Polarität aus den vorher erwähnten Gründen angeordnet sind, können diese vom selben Generator gespeist sein. Beispiele der Kopplung der weiteren Pole 29 zeigen die Fig. 4 und Fig. 5, in denen gleiche Elemente ebenso vd.e in Fig. 3 bezeichnet sind«

Prinzipiell sind neben anderen einfachen Generatorschaltungen auch die bekannten Gegentaktschaltungen anwendbar, jedoch lohnt ihr Einsatz nicht hinsichtlich des Wirkungsgrades. Dies gilt insbesondere, wenn eine Drehzahlregelung durch eine Regelung des Generators erfolgt. Sie kann beispielsweise durch Veränderung des 'Widerstandes zwischen der Basis des Transistors 21 und dessen Emitter erfolgen, wobei sich der Speisegleichstrom des Wechselspannungsgenerators fast in gleichem Maße verringert, wie der entnommene Wechselstrom. Im Gegensatz zu den üblichen Regelungen von gleichstrombetriebenen Motoren bleibt der Wirkungsgrad damit konstant hoch.

409840/0668 _

Auch paßt sich der Spei&egleich-Strom bei ungeregeltem Betrieb der Belastung an, so daß ein sehr geringer Energiebedarf ira Leerlauf entsteht. Dies ist beim Einsatz des Motors in batteriebetriebenen Geräten, in denen dem Motor meist nur zum Anlauf die volle Leistung abverlangt wird, besonders wichtig und stellt-einen wesentlichen Vorteil der Erfindung dar.

Auf die gleiche prinzipielle Art wie die erwähnte Drehzahlregelung läßt sich ein Motor, der für beide Laufrichtungen vorgesehen ist, auch als Stellmotor mit sehr genauer Einstellung bis zum Stillstand anwenden. Diese Möglichkeit ist in die Figuren 4 und 5 schematise!! einbezogen. Wird der Generator gemäß Pig· 4 für den Vorlauf und der Generator gemäß Pig. 5 für den Rücklauf verwendet, so bestimmt ein Einstellwiderstand 30, der zwischen die Basisanschlüsse der Transistoren 21 geschaltet ist und dessen Schleifer nit den beiden miteinander verbundenen .Emitteranschlüssen verbunden ist, die Drehrichtung. Der Einsteilwiderstand 30 kann auch durch eine Brückenschaltung mit Sollwert- und Istwertgeber ersetzt werden. Steht der Schleifer in der Mitte, bzw· ist Brückengleichheit erreicht, so wirkt auf die Antriebsspulen des Motors in beiden Richtungen ein gleichkleines Moment, das eine genauere Einstellung und eine Abbremsung in die bzw. in der Sollstellung ermöglicht.

Bei digitalen Regelsystemen ist auch eine wechselseitige Schaltbeeinflussung mit dem Schalter 31 möglich. Für den Schalter 31 können natürlich auch elektronische Schalter und übliche digitale Bausteine eingesetzt werden. Für die digitale Drehzalregelung wäre nur eine Hälfte des Schalters 31 notwendig, die die Basis-Emitterstrecke des Transistors 21, eventuell über einen Widerstand, kurzschließt oder bedämpft.

Der Unterschied zwischen den Generatorschaltungen der Fig. 4 und 5 besteht in der unterschiedlichen Ankopplung der weiteren Pole wechselnder Polarität 29. Während in Fig. 4 nur die Spule 24 aufgeteilt ist, besteht in Fig. 5 auch die Spule 23 aus zwei Teilspulen. Natürliche sind auch andere bekannte

409840/0668

- 13 -

Zusamraenschaltungen, wie 2»·B. nur die koppelnde Spule 23 aufgeteilt, eine Reihenschaltung der Spulen oder gemischte Reihen- und Parallelschaltung, möglich. Es muß nur mit Rücksicht auf eine ausreichend große eingekoppelte Wechselspannung fur geeignete Übersetzungsverhältnisse gesorgt werden.

Auch die Zusammenschaltung der Antriebsspulen des Rotors mit den gleichrichtenden Mitteln kann auf verschiedene Art erfolgen und ist abhängig von der Anzahl der Pole, der Spulen, der Gleichrichter und von deren Art und Eigenschaften«

Die Fig. 6 zeigt drei mögliche Grundschaltungen mit Dioden. In der Ausführung a ist jede Antriebsspule 32 mit einer eigenen Diode 33 versehen. Die Diode 33 ist in der Ausführung b zwei Antriebsspulen 32; 34 parallel zugeordnet, von denen nur die Antriebsspule 32 mit einer angedeuteten Generatorspule gekoppelt ist. Die nicht gespeiste Antriebsspule setzt dem Wechselstrom einen hohen induktiven Widerstand entgegen. Ähnlich verhält sich die Reihenschaltung der Antriebsspulen 32; 34 in Ausführung c. Die hierbei mit der Generatorspule 35 gekoppelte Antriebsspule 34 kann nur -.in der Durchlaßrichtung der Diode 33 einen Strom zustande bringen, der sich durch die andere Antriebsspule 32 schließt. Diese stellt den Belastungswider stand dar und wirkt im dargestellten Moment so wie bei bekannten Anordnungen die Antriebsspulen, die von einer getrennten Koppelspüle gespeist sind. Die Zusammenschaltung von jeweils zwei Spulen ist möglich.

In der Rotorschaltung eines zweipoligen Motors nach Pig. 7 sind als gleichrichtende Mittel zwei Transistoren 36; 37 antiparallel zusammengeschaltet. Von den Antriebsspulen 32; 34 ist die Antriebsspule 34 im dargestellten Augenblick mit der Generatorspule 35 gekoppelt. Während einer Halbwelle erhält der Transistor 36 eine Basisspannung, die ihn durchlässig schaltet und damit einen Halbwellen-Stromfluß durch beide Antriebsspulen und die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 36 ermöglicht. Bei Ankopplung der Spulen 32 ergibt sich die umgekehrte Stromrichtung durch die Spulen und den Transistor 37· Eine Zusatzspule 38 erzeugt eine

4 0 9840/0668

Phasendrehung, die eine günstigere Durchlaßzeit und damit einen "besseren Y/irkungsgrad bewirkt. Ein Widerstand 39 begrenzt den Basisstroin auf einen zulässigen Wert»

In Pig. 8 ist die gleiche Schaltung wie in Pig. 7, aber mit einem bipolaren, symmetrischen Transistor 40 anstelle der beiden getrennten Transistoren 36; 37 dargestellt.

Bei mehrpoligen Motoren können mehrere Schaltungen nach Pig. öder Pig. 8 auf einer Rotorplatte angeordnet werden. Es können aber auch hierbei wieder zwei oder mehr Spulen in Reihenschaltung gemäß Pig. 9 oder Parallelschaltung gemäß Pig. 10 oder in einer kombinierten Reihen-Parallelschaltung gemäß Pig. 11 mit einem Transistor 40 oder sinngemäß einem antiparallelen Transistorpaar 36; 37 verbunden sein. Es ergeben sich je nach den verwendeten Dimensionierungen etwas unterschiedliche Wirkungsgrade. Bei den Rotorschaltungen nach Pig» 10 und 11 lassen sich leicht, wie mit den Generatorspulen 35 und 35' dargestellt, mehrere Antriebsspulen gleichzeitig erregen., was sich günstig auf die Kopplung und den Wirkungsgrad auswirkt. Gleiche Elemente sind wieder mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Zur besseren Kennzeichnung der Reihenfolge der Antriebsspulen auf der Rotorplatte sind diese Rotorspulen 41 bis 48 in den Pig. 9 bis 11 derart beziffert, daß ihre zweckmäßige Polge aus dem Umfang erkennbar wird. Sie müssen sinngemäß ihrer Anordnung zum Uord- oder Südpol so geschaltet sein, daß sich gleicher Drehsinn ergibt« Sowohl die Reihen- als auch die Parallelschaltungen lassen sich in gleicher Weise bei größeren Polzahlen fortsetzen.

Auch für den mechanischen Aufbau des Motors ergeben sich nicht nur rein prinzipbedingte Vorteile, sondern es werden auch überraschende konstruktive und technologische Möglichkeiten eröffnet, von denen die folgenden Piguren einige darstellen. Die Bevorzugung der Darstellung einer ebenen Rotorplatte hat sowohl zeichnerische als auch technologische Gründe, Grund-

409840/0668 - 15 -

232872a

sätzlich sind aber auch alle bekannten Ausführungsformen prinzipiell mit entsprechender Anpassung anwendbar. Es sind jeweils nur die wesentlichen Merkmale dargestellt und näher beschrieben.

In der Fig. 12 ist.eine Ansicht eines vierpoligen Motors auf* den Stator dargestellt. In einem Gehäuse 50 aus beliebigem» vorzugsweise aber magnetisch leitendem Material, beispielsweise aus Eisenblech, liegt ein oxydkeramischer Ringmagnet mit zwei Polpaaren. In Aussparungen dieses Ringmagneten 51» die in den Polgrenzen liegen, sind als Pole wechselnder Polarität Ferritkernspulen 52 bis 55 mit ausreichendem Abstand vom Gehäuse 50 angeordnet. Die Ausbildung des Gehäuses 50 in einer quadratischen Form läßt in den Ecken in der Nähe der Ferritkernspulen 52 bis 55 genügend Raum für die Anordnung der Generatorbauelemente, die als Blöcke 56 nur angedeutet sind. Der Innenraum 57 des,Ringmagneten 51 läßt ausreichend Raum für Lager 58, gleichrichtende Mittel 59 und eventuelle Tachogeneratoren und ähnliche Einrichtungen 60.

Aus der Schnittzeichnung, Fig. 13» des gleichen Motors ist ersichtlich, wie der Innenraum 57 ausgenutzt werden kann, wie für einen magnetischen Rückschluß gesorgt ist und wie die Generatorbauelemente-Blöcke 56 untergebracht sind. Es ist auch zu sehen, daß die Ferritkernspulen 52; 54 ebenfalls Rückschlußteile 61 aufweisen. Es ist aber für den Wirkungsgrad vorteilhaft, die Generatorspulen nicht etwa auf diese Rückschlußteile 61, sondern auf den Kernen 52; 54, möglichst direkt an der Rotor-Antriebsspulenplatte 62 anzuordnen. Die Streufelder können sonst bei den vorzugsweise recht hohen Frequenzen einen nachteiligen Einfluß auf die wirksame Einkopplung der Energie auf die Antriebsspulen haben.

In Fig. 14 ist eine sechspolige Motoraueführung mit radialem Spalt im Schnitt dargestellt. Sowohl das Innenteil 63 als auch das Außenteil 64 des Stators besteht aus magnetisch leitfähigem Material. Beide Teile können beispielsweise aus Ferrit geprßt sein. Auf die Vorsprünge 65 des Innentjjeles sind die Generatorspulen gewickelt. Im Innenraum 66 können

409840/0668 - 16 -

neben den Lagern die Generatoren angeordnet sein· Die Generatorspulen können auch, auf die Vorsprünge 67 des Außenteiles 64 gewickelt werden, soweit dies nicht bei zu geringen Motorgrößen auf technologische Schwierigkeiten stößt. Die Antriebswicklungen befinden sich auf dem Rotorring 68, der, nicht mit dargestellt, an den-Enden gelagert ist· In die Zwischenräume beider Statorteile 63; 64 sind oxydkerainische Magnet se gmente 69 mit radialer Magnetisierung eingelegt.

Die Möglichkeit, den gesamten Motor in Preß-, Spritz-, Sinter- und ähnlichen Techniken herzustellen, kann zusammen mit integrierten Schaltungen und dem Aufbau als Axialspalt-Motor zu äußerst geringem Herstellungsaufwand für Motoren mit hochwertigen Eigenschaften führen. Derartige Motoren sind in den Fi5. 15 bis 18 dargestellt·

Das Schnittbild eines einfachen Motors zeigt Fig. 15. Eine Schale 70 und ein Deckel 71 aus Ferritmaterial bilden das Gehäuse des Motors. Es könnten aus technologischen Gründen auch zwei gleiche Schalen verwendet werden, deren Trennlinie dann in der Mitte der axialen Länge liegt. In die Schale 70 ist ein oxydiceraniiecher Magnetring 72 eingesetzt. Er kann sich selbst magnetisch halten, eingepreßt oder eingeklebt oder auf sonst bekannte Art befestigt sein. In Ausnehmungen 73 des Magnetringes 72 befinden sich Ferritkerne 74? die einstükkig mit der Schale 70 ausgeführt, hineingesteckt oder sonst auf bekannte Art verbunden sind· Sie schließen mit der Oberfläche des Magnetringes 72 ab und tragen die Generatorwicklungen 75» die ebenfalls bis an die Oberfläche reichen. Schale 70 und Deckel 71 enthalten zentrisch Lager 76 für die Rotorachse 77. Die Rotorscheibe 78 enthält in der Sähe der Achse, in dem Bereich, den der Magnetring 72 freiläßt, die gleichrichtenden Büttel 79. Im restlichen freien Raum ist ein weiterer Bauelementeblock 80 angedeutet, der die Generatorbauelemente und den Tachogenerator enthalten kann.

Die Draufsicht auf die Schale 70 mit Magnetring 72 bei abgenommenem Deckel 71 und Rotor 77; 78; 79 zeigt Fig. 16 am Beispiel eines achtpoligen Motors. Die Generatorspulen für

409840/0668 - 17 -

die Laufriehtungen sind durch Tunkte bzw. Kreuze im Mittelpunkt zu unterscheiden. Bei anderen Polzahlen bleibt das System in der Form enthalten, daß jeweils Pole wechselnder Polarität zwischen der Polfolge U-S angeordnet, die eine und zwischen der PoIfοIge S-U angeordnet, die andere Laufrichtung bestimmen. Ss werden gewöhnlich, aus den bereits erwähnten Gründen, je Laufrichtung zwei Pole wechselnder Polarität angeordnet. Diese Zahl braucht bei steigender Polzahl nicht erhöht zu werden, wenn für geeignete Rotorschaltungen gesorgt ist.

Ben zugehörigen Rotor zu diesem achtpoligen Motor zeigt die Pig. 17· Die \¥icklungsart ist beliebig gewählt und kann auch auf andere an sich bekannte Arten ausgeführt sein. Die Antriebsspulen 81 sind so auf der Rotorplatte 78 angeordnet, daß Überlappungen nur außerhalb der wirksamen PoIflachen auftreten; bei der dargestellten Wicklungsart nur im freien Mittelbereich. Entstehen auch am Außenrand Überlappungen, so können diese, wie bekannt_s in einer Vertiefung zwischen ~ Magnetring- 72 und Schale 70 Raum finden_o Die gleichrichtenden Mittel 79 finden im Mittenbereich^ rings um die Rotorachse 77 Platz. Sie können zur besseren Auswuchtung und zur Vermeidung von Fliehkräften auf die Bauelemente vergossen werden.

Die Fig. 18 zeigt eine weiter verbesserte Variante dew Motors., der durch die Doppelanordnung der Magnetpole bessere Rückschlußeigenschaften und geringere Streuverluste aufweist_o Gleiche Elemente sind wieder mit gleichen Bezeichnungen wie in den Fig. 15 bis 17 versehen» Es werden naeh Möglichkeit zwei völlig gleiche Teile gebildet-, so daß der gesamte Stator nur zwei bis drei Werkzeuge zum Spritzen^ Pressen, Gie-ßen oder dergleichen erforderte Für den Rotor sind neben der Wickelvorrichtung für die Spulen der Rotorplatte 78 noch eine kombinierte Vorrichtung zur Montage ₉ Auswinkelung und ' Verfestigung des Rotors notwendige Als Achse 77 und die Lager 76 können Standardteile verwendet' werden« Um eine Bearbeitung der gesamten_s dem Rotor zugewandten Statoroberfläche, beispielsweise durch planes überschleifeng zu ermögliche^

ist ein Zwischenring 82 zwischen den Gehäuseschalen 70 vorgesehen· Er kann auch, beispielsweise mit Hilfe eines Einlageteiles in das Werkzeug, Bestandteil einer der Schalen oder je teilweise beider Schalen 70 sein«. Pur Motoren mit geringeren Genauigkeitsforderungen an den Luftspalt können einfach beide Schalen gleich mit Mitteltrennfuge angefertigt sein, und ein Ring oder axiale Schrauben, Verklebung oder dergleichen halten die Teile zusammen. Spanabhebende Bear- -beitungsverfahren können so ganz vermieden werden, und es ergeben sich einfache Möglichkeiten für eine Massenproduktion von Motoren mit den genannten hochwertigen Eigenschaften« Andere bekannte Methoden und Varianten sind natürlich ebenfalls anwendbar.

409840/0668

Claims (22)

1. Patent&naprü'jho:

   /i.JKollektorloser Motor, bestehend aus einem eisenlosen Rotor, der Steuer- und Antriebsspulen und fest zugeordnete gleichrichtende Mittel enthält, einem Stator, der Gleichfeldpole abwechselnder Polarität mit dazwischen angeordneten Polen wechselnder Polarität aufweist} einer steuernden Wechselspannung squelle höherer Frequenzen als die Drehfrequenz, deren Wechselspannung über eine feststehende und eine umlaufende Koppelspule kontaktlos- auf den Rotor übertragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die steuernde Wechselspannungsquelle allein mit Koppelspulen auf einem oder mehreren Statorpolen wechselnder Polarität verbunden ist und als Antriebsenergiequelle dient und daß der Rotor nur Antriebsspulen aufweist,

   die gleichzeitig als Koppel- und Steuerspulen dienen und einzeln oder in Gruppen über die gleichrichtenden Mittel miteinander verbunden sind«,
2. 2. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator aus einem fast geschlossenen Ring von Gleichfeldpolen, vorzugsweise aus oxydkeramischem Magnetwerkstoff, besteht, in den nur relativ kleine Statorpole wechselnder Polarität, vorzugsweise aus Spulen auf Ferritkernen, in den Gleichfeld-Polgrenzen eingefügt sind*
3. 3. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1₅ dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Spulen oder Spulengruppen des Rotors einmal direkt und einmal über die gleichrichtenden Mittel miteinander verbunden sind und daß bei gesteuerten gleichrichtenden Mitteln jeweils eine der Spulen oder Spülengruppen den Gleichstrom durch beide Spulen oder Spulengruppen steuert«

   409840/0668 _ ₂ -

   JtO
4. 4. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß als Wechselspannungsquelle ein oder mehrere Hochfrequenzgeneratoren mit belastungsabhängigem Strom eingesetzt sind, deren Generatorspulen vorzugsweise selbst als feststehende Koppelspulen auf Statorpole wechselnder Polarität gewickelt sind.
5. 5. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator aus Ferritwerkstoff gepreßt, gespritzt, gegossen oder dergleichen das Motorgehäuse und den Rückschluß bildet und daß die Gleichfeldpole, vorzugsweise aus oxydkeramischem Magnetwerkstoff, darin eingelegt und vorzugsweise eingeklebt oder eingepreßt sind.
6. 6. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Koppelspulen auf den Polen wechselnder Polarität dicht an den Rotorspulen liegen und mit ihren Polkernflächen in einer Ebene abschließen, während die Polkerne die Rotorspulen als Rückschluß für den Wechselfeldfluß umschließen.
7. 7. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wechselspannungsquellen und Pole bzw. zur Anzahl der Wchselspannungsquellen doppelte oder mehrfache Anzahlen von Polen wechselnder Polarität, vorzugsweise in jeder Gleichfeldpolgrenze einer, angeordnet sind.
8. 8. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1,4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wechselspannungsquelle mit mehreren, vorzugsweise zwei einander radial gegenüberstehend angeordneten Polen wechselnder Polarität verbunden ist.

   409840/0668 - 3 -
9. 9. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquellen zwischen unterschiedlichen Gleichfeldpolfolgen (N-S bzw. S - Ii) zur Drehrichtungswahl einzeln einschaltbar bzw. umschaltbar sind.
10. 10. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Drehzahl durch eine analoge oder digitale Gleichstrom- oder Widerstandsregelung der Wechselspannungsquelle erfolgt.
11. 11. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1, 4» 7, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, verschiedenen Drehrichtungen zugeordnete Wechselspannungsquellen durch Umschaltung oder Umsteuerung in die Regelung einbezogen sind.
12. 12. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekenn- · zeichnet, daß zwei oder mehr Antriebsspulenanordnungen mit jeweils zugeordneten gleichrichtenden Mitteln überlappt angeordnet einen Rotor bilden.
13. 13. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtenden Mittel Dioden mit hoher Knickspannung sindo
14. 14. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtenden Mittel mit Kollektor und Emitter antiparallel verbundene Transistoren sind, die zwei Spulen oder- Spulengruppen miteinander verbinden, deren gemeinsame Verbindungsstelle, vorzugsweise über strombegrenzende Widerstände, mit den Basisanschlüssen verbunden sind.

    409840/0668 - 4 -

    ORfGiMAL INSPECTED

    Z 2328723
15. 15. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1 und 3» dadurch gekenn- · zeichnet, daß die gleichrichtenden Mittel je ein symmetrischer bipolarer Transistor zwischen zwei Spulen oder Spulengruppen sind, deren Basis über einen Widerstand mit der gemeinsamen Verbindungsstelle dieser Spulen verbunden ist.
16. 16. Kollektorloser Motor nach· Anspruch 1, 3 und 15» dadurch gekennzeichnet, daß als gleichrichtende Mittel Thyristoren in an'sich bekannter Art ähnlich wie bipolare Transistoren eingeschaltet sind.
17. 17. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1, 3 und 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Spulen bzw. Spulengruppen und die gleichrichtenden Mittel, vorzugsweise in die Zuführung des steuernden Anschlusses gesteuerter Gleichrichter, phasendrehende Mittel, insbesondere Zusatzspulen oder Kondensatoren, eingeschaltet sind.
18. 18. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1, 3 bzw. 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtenden Mittel für mehrere Spulenverbindungen als integriertes Bauelement ausgebildet sind, das vorzugsweise in Scheiben- oder Ringform auf oder im Rotor angebracht ist.
19. 19. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1,3 bzw. 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen in gedruckter Schaltung ausgeführt sind.
20. 20. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stator-Motorgehäuse in Form zweier Scha-

    409840/0668 - 5 -

    ORiGfNAL WSPECTED

    2328723

    len ausgebildet ist, zwischen deren leicht verkürzten einstückigen Polkernen wechselnder Polarität und permanenten Magnetringen mit Aussparungen für die Pole wechselnder Polarität ein scheibenförmiger Rotor liegt.
21. 21. Kollektroloser Motor nach Anspruch 1, 5 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß die schalenförinigen Gehäuseteile je ein Achslager enthalten und daß in den Aussparungen der Pole gleichen Durchmessers die gleichrichtenden Mittel auf dem Rotor und eventuelle weitere Bestandteile wie Tachogenerator und Wechselspannungsgeneratoren angeordnet sind.
22. 22. Kollektorloser Motor nach Anspruch 1, 5 und 20, dadurch

    gekennzeichet, daß die Stator-Motorgehäuseschalen außerhalb der wesentlichen Rückflußquerschnitte Ausnehmungen für die Wechselspannungsgenerator-Bauteile und deren Verbindungen

    enthalten und nur die Anschlüsse für die Gleichstromspeisung und eventuell Sollgrößenanschlüsse für die Regelung herausgeführt sind.

    Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

    4098A0/0668