DE2332012C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Motoren sind in der älteren deutschen Patentanmeldung gemäß der DE-OS 22 25 442 beschrieben. Sie haben einen einfachen, damit preiswerten Aufbau und sind für viele Antriebsaufgaben von ausreichender Qualität. Die Gestaltung des statorseitigen Eisens erfolgt so, daß im Luftspalt ferromagnetische Ungleichheiten gezielt vorgesehen werden zur Erzeugung eines Reluktanzhilfsmomentes, das sich dem elektromagnetischen Antriebsmoment günstig überlagert. Das bedeutet also eine in Bewegungsrichtung nicht konstante Luftspaltweite. Im allgemeinen bedeutet dies: mechanisch variabler Luftspalt über dem Drehwinkel.

Ferromagnetische Ungleichheiten des Luftspalts in Drehrichtung zeigt auch die DE-PS 11 35 083 (vergl. Fig. 1, Spalte 4, Zeile 38 bis Spalte 5, Zeile 27). Dieser Motor hat prinzipiell einen zylindrischen radialen Luftspalt, wobei Polschuhe sichelförmige Verlängerungen aufweisen, die eine unsymmetrische Ausbildung der Statorpole und des Luftspalts und eine drehwinkelabhängige Veränderung des Widerstandes des magnetischen Kreises des Motors zur Folge haben. Das auch hier erzeugte Reluktanzhilfsmoment ist zum elektrodynamischen entwickelten Antriebsmoment versetzt. Ein statorseitiger zusätzlicher Permanentmagnet soll das Betriebsverhalten verbessern.

Die DE-OS 20 31 141 zeigt zum sicheren Anlauf mit einfachen Mitteln einen kollektorlosen Gleichstrommotor, auch einen in Drehrichtung ungleichförmigen Luftspalt zwishen dem Permanentmagnetrotor und dem Ständerblechpaket, so daß der permanentmagnetische Rotor in Ruhestellung eine solche Position einnimmt, daß die Polachse des Rotors und die Polachse des Statorblechpakets einen spitzen Winkel miteinander bilden.

Die DE-OS 19 21 931 zeigt einen Elektromotor mit drei Spulen, wobei im ebenen Luftspalt unter Drehfeldwirkung der scheibenförmige Rotor zum Rückschlußeisen einen konstanten Luftspalt bildet.

Die ebenfalls vorbekannte US-PS 32 64 538 oder die US-PS 36 17 841 zeigt, (wie auch zu dieser ähnliche ältere US-PS wie z. B. die US-PS 24 57 637), auch in Drehrichtung des Rotors unterschiedliche Luftspaltweiten (bzw. Zusatzmagnete im Luftspalt und dergleichen) zur Erzielung sicheren Anlaufs oder zur Erzielung einer Drehfeldwirkung auf den Rotor, bzw. zur Verbesserung des Betriebsverhaltens des Motors.

Bei allen diesen älteren, bzw. vorbekannten Motoren werden Maßnahmen am Eisen im Luftspalt getroffen, also gemäß der Lehre der Anmeldung im Bereich des sog. Nutzflusses des magnetischen Kreises des Motors, was stets eine mindestens relative und nachteilige Vergrößerung desselben bedeutet.

Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art bei einfachem, wirtschaftlich vorteilhaften Aufbau ein großes Drehmoment sowie bei gleichen Bau-Dimensionen auch ein insgesamt möglichst gleichmäßiges zu erhalten.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Auf diese Weise ergibt sich eine einfache preiswerte konstruktive Gestaltung und auch eine einfache Fertigung und Justierung, da man im Streuflußbereich am Rand des Rotors Justierungen auch am fertigen Motor noch leicht vornehmen kann. Ferner hat es sich überraschenderweise gezeigt, daß eine erfindungsgemäße Ausnutzung des Streuflusses keine oder jedenfalls keine wesentliche Schwächung der Induktion im Luftspalt zur Folge hat, so daß keine andere Dimensionierung des Rotormagneten erforderlich ist. Ordnet man mehrere solche Weicheisenstücke etwa symmetrisch zum Rotor an, so daß sich die von ihnen auf den Rotor ausgeübten magnetischen Kräfte etwa aufheben, so ergibt sich bei einer solchen Anordnung auch keine zusätzliche Beanspruchung der Lagerung, was ebenfalls für eine einfache und preiswerte Motorkonstruktion außerordentlich wichtig ist. Auch kann man für die Weicheisenstücke ohne weiteres Teile der Motorkonstruktion heranziehen, was vielfältige konstruktive Möglichkeiten eröffnet.

Ein sehr einfacher Motor nach der Erfindung benötigt nur zwei Spulen, einen einzigen Hallgenerator und zwei Leistungstransistoren. Man kann zweckmäßig auch so vorgehen, daß das Weicheisenstück etwa nach Art eines Bügels ausgebildet ist, bei welchem mindestens die Enden mit dem Streufluß des permanentmagnetischen Rotors in Wechselwirkung stehen. Es hat sich gezeigt, daß mit einer solchen Ausbildung auf einfache Weise relativ große Reluktanzmomente erzeugt werden können, d. h. daß man mit einer solchen Bauweise kompakte Motoren mit großem Antriebsmoment bauen kann, und zwar unter Ausnützung des Streuflusses.

Nach der Erfindung wird das mindestens eine Weicheisenstück also nicht im Luftspalt selbst sondern quasi neben dem Luftspalt angeordnet.

Naturgemäß ist eine Kombination in dem Sinne ohne weiteres möglich, daß Weicheisenstücke im Luftspalt und im Streuflußbereich angeordnet werden, z. B., um einen Verlauf des Reluktanzmoments zu erhalten, der möglichst exakt spiegelbildlich zum Verlauf des elektromagnetischen Antriebsmoments ist (siehe Fig. 11).

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die Gegenstand der Unteransprüchen sind, ergeben sich aus den im folgenden berschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrommotors, gesehen längs der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 einen Längsschnitt, gesehen längs der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 bis 6 Schaubilder zur Erläuterung der Wirkungsweise,

Fig. 7 eine abgewickelte Darstellung eines Rotors und einer Ausführungsform eines mit dem Magnetfeld des Rotors zusammenwirkenden Weicheisenstücks,

Fig. 8 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 7,

Fig. 9 eine abgewickelte Darstellung eines Rotors und einer anderen Ausführungsform eines mit dem Magnetfeld des Rotors zusammenwirkenden Weicheisenstücks,

Fig. 10 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 9,

Fig. 11 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise des Motors nach Fig. 1 und 2,

Fig. 12 einen schematischen Längsschnitt durch einen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Motor mit zylindrischem Luftspalt,

Fig. 13 eine Ansicht, gesehen längs der Linie XIII-XIII der Fig. 12,

Fig. 14 ein Schaubild zum Erläutern der Wirkungsweise,

Fig. 15 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrommotors, gesehen längs der LinieXV-XV der Fig. 16 und

Fig. 16 einen Längsschnitt, gesehen längs der Linie XVI-XVI der Fig. 15.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kollektorlosen, 6poligen Gleichstrommotors 10, dessen Stator 11 eine isolierende Platte 12 aufweist, die z. B. mittels zwei Distanzhaltern 13, 14 an einem nicht dargestellten anzutreibenden Gerät befestigt sein kann. Diese Platte 12 trägt eine gedruckte Schaltung mit den elektronischen Schaltelementen des Motors, und sie hat drei Ausnehmungen 15, 16, 17, in denen drei bifilar gewickelte eisenlose Flachspulen 20, 21 bzw. 22 befestigt sind, z. B. durch Einkleben. Die magnetisch aktiven Abschnitte dieser Spulen, die bei der Spule 20 mit 23 und 24 bezeichnet sind, verlaufen, wie dargestellt, praktisch in radialer Richtung.

Die drei Spulen sind jeweils um 120° mechanisch = 360° elektrisch gegeneinander versetzt. Sie sind in der dargestellten Weise in Reihe geschaltet, so daß man eine bifilare einsträngige Wicklung erhält, deren Enden mit A und E für den einen, mit durchgehenden Linien gezeichneten Leiter 25 und mit A′ und E′ für den anderen, mit gestrichelten Linien gezeichneten Leiter 26 bezeichnet sind. Der Leiter 25 wird für die eine Stromrichtung, der Leiter 26 für die andere Stromrichtung verwendet.

Ein Loch 28 in der Mitte der Platte 12 ist von einer Welle 30 durchdrungen, welche in nicht dargestellten Lagern, z. B. denen des anzutreibenden Geräts, gelagert ist. Wie Fig. 2 zeigt, sind auf der Welle 30, durch eine Distanzhülse 31 in einem genau definierten Abstand voneinander gehalten, zwei Weicheisenscheiben 32 und 33 befestigt. Auf der unteren Scheibe 32 ist ein 6poliger, axial polarisierter Ringmagnet 34 aufgeklebt. Die Form seiner Pollücken 35, welche radial verlaufen, ist in Fig. 2 mit gestrichelten Linien eingezeichnet. Der Ringmagnet 34 ist ein Sintermagnet mit einer Magnetisierung, die in Umfangsrichtung gemessen etwa trapezförmig ist, z. B. so, wie das in Fig. 3 oben für die Kurve B dargestellt ist. Die Scheibe 33 dient als magnetischer Rückschluß. An ihr könnte - wie in DE-OS 22 25 442 dargestellt - ebenfalls ein Ringmagnet befestigt sein, wenn eine höhere Induktion im Luftspalt 36 gefordert wird.

Auf der Spule 22 ist im Luftspalt 36 des Motors 10 ein galvanomagnetisches Kommutierglied in Form eines Hall-Generators 37 befestigt. In der dargstellten Ruhestellung des Motors, die eine von sechs möglichen stabilen Ruhestellungen ist, befindet sich der Hall-Generator 37 in der Nähe einer Pollücke 35 im Bereich eines Pols, so daß der Hall-Generator 37 beim Anlauf des Motors in der mit einem Pfeil 38 bezeichneten vorgegebenen Drehrichtung des Motors längere Zeit im Bereich dieses Poles bleibt.

Um den Umfang des Ringmagneten 34 herum sind 3 Weicheisenstücke 40, 41 und 42 angeordnet, welche dazu dienen, im Betrieb das in Fig. 11 mit M _rel bezeichnete Reluktanzmoment zu erzeugen, das spiegelbildlich zum elektromagnetischen Antriebsmoment M _el (Fig. 11) des Motors verläuft und daher mit seinen Anteilen 43 dessen Momentlücken 44 überbrückt.

Die Weicheisenstücke 40 bis 42 sind bei diesem Ausführungsbeispiel in Form von Bügeln ausgebildet, welche sich etwa über eine Polteilung, also etwa 180°, elektrisch erstrecken, sich aber, wie in den Fig. 16 und 17 dargestellt, auch über größere Winkel erstrecken können. Diese Bügel werden in Ausnehmungen 46 der Platte 12 eingesetzt, die diese Bügel mit radialem Spiel aufnehmen. Dann werden die Bügel mittels Lehren in einen vorgegebenen radialen Abstand von Ringmagnet 34 gebracht und dann mittels einer Klebebindung 47 in der zugeordneten Ausnehmung 46 fixiert, wie das Fig. 2 zeigt. Dies ermöglicht eine sehr einfache Fertigung.

Die Enden der Bügel sind geschrägt, und zwar nimmt bei diesem Ausführungsbeispiel der Abstand zwischen ihnen und dem Ringmagnet 34 in Drehrichtung gesehen in einem ersten Abschnitt 50 bis hin zu einem Minimum 51 langsam ab und dann in einem zweiten Abschnitt 52 schnell zu. Diese Ausführungsform ist für den Fall bestimmt, daß relativ kurze Lücken im elektromagnetischen Antriebsmoment überbrückt werden müssen, z. B. die relativ kurzen Lücken 44 gemäß Fig. 11. Bei längeren Lücken muß der Abschnitt 52 länger und der Abschnitt 50 entsprechend kürzer werden, wie das im folgenden noch ausführlich erläutert wird.

Fig. 1 zeigt auch die zum Motor 10 gehörenden elektronischen Schaltelemente, nämlich zwei npn-Transistoren 53 und 54, den bereits beschriebenen Hallgenerator 37 (der in Fig. 1 2mal dargestellt ist) und einen Widerstand 55. Die Emitter der Transistoren 53 und 54 sowie der eine Steuerstromanschluß des Hallgenerators 37 sind mit einer Leitung 56 verbunden, die zum Minuspol einer Gleichstromquelle führt. Der Kollektor des Transistors 53 ist mit dem Ende A der Spulen 20-22 verbunden, der Transistor des Kollektors 54 mit dem Ende E′. Der andere Steuerstromanschluß des Hallgenerators 37 ist über den Widerstand 55 mit einer Leitung 57 verbunden, die zum Pluspol der Gleichspannungsquelle führt, und mit dieser Leitung 57 sind auch die Enden A′ und E der Spulen verbunden. Die beiden Ausgänge des Hallgenerators 37 sind mit den Basen der Transistoren 53 und 54 verbunden. Man erkennt also, daß bei leitendem Transistor 54 die drei Spulen 20 bis 22 im Uhrzeigersinn (bezogen auf Fig. 1) vom Strom durchflossen werden, bei leitendem Transistor 53 dagegen entgegen dem Uhrzeigersinn, wobei die Kommutierung durch den Hallgenerator 37 erfolgt, so daß man im Betrieb das bereits beschriebene elektrische Antriebsmoment M _el nach Fig. 11 enthält, das während der Kommutierung Lücken 44 aufweist. Diese Lücken würden im Betrieb Pendelmomente hervorrufen und einen solchen Motor für viele Antriebsaufgaben ungeeignet machen.

Die Fig. 3 bis 6 dienen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Weicheisenstücke 40 bis 42 nach den Fig. 1 und 2.

In Fig. 3 ist unten die Abwicklung eines Abschnitts eines Rotors 60 dargestellt, der z. B. senkrecht zur Zeichenebene polarisiert sein kann, so daß ein mit 61 bezeichneter U-förmiger Bügel, der am Stator angeordnet ist und dessen Länge eine Polteilung beträgt, mit seinen beiden Enden 62 und 63 mit dem Streufeld des Rotors 60 in Wechselwirkung tritt. - Der Rotor soll sich im Betrieb in Richtung eines Pfeiles 64 bewegen. Die Pollücken zwischen seinen mit N und S bezeichneten Polen sind bei 65 angedeutet.

In Fig. 3 ist oben eine trapezförmige Magnetisierung B des Rotors 60 dargestellt.

Wie man ohne weiteres erkennt, hat der Rotor 60 immer das Bestreben, sich in die in Fig. 3 dargestellte stabile Ruhelage einzustellen, in welcher die Enden 62, 63 des Bügels 61 den Mitten der Rotor-Pole gegenüberstehen. In dieser Stellung wird also kein Reluktanzmoment auf den Rotor 60 ausgeübt.

Dies entspricht im Diagramm nach Fig. 6 den mit 66 bzw. 66′ bezeichneten Stellen der Momentenkurve. (Fig. 6 zeigt für die Anordnung nach Fig. 3 den Verlauf des Reluktanzmoments über dem Drehwinkel ϕ.)

Wird der Rotor 60 aus der Stellung nach Fig. 3 in Richtung des Pfeiles 64 weiter bewegt, so ist hierzu ein Moment erforderlich, das wegen der Form der Magnetisierung (Kurve B in Fig. 3) zunächst nur sehr klein ist, da sich der Fluß im Bügel 61 hierbei zunächst praktisch kaum verändert. Dies ändert sich jedoch, wenn die Stellung nach Fig. 4 erreicht wird, bei welcher sich die Enden 62, 63 den Pollücken 65 nähern, da nun der Fluß im Bügel 61 rapide abnimmt, so daß das erforderliche Antriebsmoment ab dieser in Fig. 6 mit 67 bezeichneten Stelle stark bis zu einem Maximum zunimmt.

In der Stellung nach Fig. 5 wird dann das Moment wieder zu Null, was man sich in der Weise erklären kann, daß der Bügel 61 von beiden Seiten gleich stark angezogen wird; dies ist also eine labile Rotorstellung. Wenn der Rotor 60 in dieser Stellung zum Stillstand kommt, genügt die geringste Erschütterung, um ihn in einer von beiden Richtungen in die Stellung nach Fig. 3 laufen zu lassen. Die Stellung nach Fig. 5 entspricht dem Punkt 68 in Fig. 6.

Wird der Rotor 60 aus der Stellung nach Fig. 5 in Richtung des Pfeiles 64 weiter gedreht, so wiederholt sich wegen der Symmetrie der Anordnung der gesamte Vorgang mit umgekehrtem Vorzeichen, d. h. der Rotor gibt jetzt ein antreibendes Moment ab. In Fig. 6 ist das bremsende Reluktanzmoment mit 69 und das antreibende Reluktanzmoment mit 70 bezeichnet.

Form und Phasenlage des in Fig. 6 dargestellten Moments hängen sehr stark von der Form der Magnetisierung der Pole des Rotors 60 ab. Hat diese Magnetisierung z. B. die in Fig. 3 mit B′ bezeichnete Form, so ergibt sich der in Fig. 6 mit strichpunktierten Linien eingezeichnete Verlauf 72 des Reluktanzmoments, der nur die stabilen Stellen 66, 66′ und den labilen Punkt 68 mit der Kurve 69, 70 gemeinsam hat. Auch eine Verlängerung oder Verkürzung des Bügels 61 hat eine Auswirkung auf Form und vor allem Amplitude des Reluktanzmoments.

Das in Fig. 6 dargestellte Reluktanzmoment 69, 70 hat keine günstige Form, da seine Maxima eng beieinander liegen und dem Betrage nach gleich groß sind. Man kann zwar durch Verbreiterung der Enden 62 und 63 breitere Maxima erhalten, doch bleibt die punktsymmetrische Form.

Die Fig. 7 und 9 zeigen zwei Beispiele, wie man einen asymmetrischen Momentenverlauf erzielen kann. Hierbei ist zur Erläuterung ein idealisierter Momentenverlauf gewählt, der in Fig. 6 mit gestrichelten Linien eingezeichnet und mit 74 bezeichnet ist und der den Verlauf der Kurve 69, 70 gut approximiert.

Der in Fig. 7 dargestellte Bügel 76 ist ebenso wie der Rotor 77 (dessen Drehrichtung 78 hier umgekehrt ist wie bei den Fig. 3 bis 6) in abgewickelter Darstellung gezeichnet. Die Pollücken sind mit 79 bezeichnet; die Magnetisierung entspricht der Kurve B der Fig. 3. Auch hier ist der Rotor 77 senkrecht zur Zeichenebene polarisiert, d. h. der Bügel 76 wirkt mit dem Streufluß des Rotors zusammen.

Die dem Rotor 77 zugewandte Seite des Bügels 76 ist stufenförmig ausgebildet, und zwar nimmt sie, ausgehend von einer engsten Stelle 81, entgegen der Drehrichtung in kleinen Stufen 82 über einen großen Bereich 83 zu (Winkel α) und in Drehrichtung gesehen in einer einzigen großen Stufe 84 und in einem kurzen Bereich 85 zu (Winkel β). (Die Stufen dienen nur zur Erläuterung. In der Praxis werden die Enden so geschrägt, wie dies Fig. 1 zeigt, wobei die Längen der Bereiche 83 und 85 und die Winkel α und β den Erfordernissen angepaßt werden.)

Man kann sich den Bügel 76, dessen rechter Abschnitt, wie dargestellt, mit dem linken identisch ist, aus fünf einzelnen Bügeln zusammengesetzt denken, deren Wirkungen sich überlagern, wie dies in Fig. 7a bei 76′ dargestellt ist. Jeder einzelne Bügel erzeugt dabei ein Moment von der Form des Moments 74 (Fig. 6), wenn zwei benachbarte Pollücken 69 unter ihm durchlaufen. Die Größe dieses Moments ist dabei von der Größe des Luftspalts abhängig.

Bei der Darstellung nach den Fig. 7, 7a und 8 erzeugt der erste Bügel 88 ein relativ kleines Moment 88′, der zweite Bügel 89 ein etwas größeres Moment 89′, das gegenüber dem Moment 88′ phasenversetzt ist, und so fort für alle Bügel 90, 91 und 92, welche entsprechende Momente 90′, 91′ und 92′ erzeugen. Addiert man alle diese Momente, so erhält man das in Fig. 8 in der untersten Zeile dargestellte gewünschte asymmetrische Reluktanzmoment 93, dessen bremsender Anteil mit einem Minus-Zeichen und dessen antreibender Anteil mit einem Plus-Zeichen bezeichnet ist. Dasselbe Moment ergibt sich ersichtlich für die Bügelform nach Fig. 7, welche magnetisch derjenigen nach Fig. 7a äquivalent ist.

Die Momentenform 93 nach Fig. 8 ist naturgemäß nur eine mathematische Abstraktion. In Wirklichkeit erhält man etwa die in Fig. 11 mit M _el bezeichnete Momentenform, deren Punkt 94 der stabilen, in Fig. 1 dargestellten Rotor-Stellung entspricht (entsprechend der Stelle 66 der Fig. 6), und deren Punkt 95 einer labilen Rotor-Stellung entspricht. Ist der Motor 10 stromlos, so dreht er sich in eine stabile Stellung 94. Wird der Motor dann eingeschaltet, so wirkt während eines Winkels von etwa 130° elektrisch ein elektromagnetisches Antriebsmoment M _el (Fig. 11), welches den bremsenden Teil 96 des Reluktanzmoments überwindet und magnetische Energie im Motor speichert, die dann während der Momentenlücken 44 in Form eines antreibenden Reluktanzmoments 43 abgegeben wird. Durch Überlagerung der beiden in Fig. 11 dargestellten Momente erhält man dann das praktisch konstante, mit 97 bezeichnete Gesamtmoment M _ges an der Ausgangswelle 30. Dieses Moment ist sozusagen in den Motor 10 einprogrammiert, und zwar durch die erwähnten Parameter, also Magnetisierung des Ringmagneten 34, Form und Zahl der Bügel 40 bis 42, Abstand dieser Bügel vom Ringmagnet 34 und Lage der Bügel relativ zu den Wicklungen.

Fig. 9 zeigt eine abgewickelte Darstellung eines Bügels 101 mit einem Rotor 102, der sich in Richtung eines Pfeils 103 dreht, Pollücken 104 aufweist und gemäß der Kurve B nach Fig. 3 magnetisiert ist.

Im Gegensatz zum Bügel 76 nach Fig. 7 hat der Bügel 101 einen relativ kurzen Breich 105, in welchem der Luftspalt in Drehrichtung gesehen zwischen dem Bügel und dem Rotor mit einem großen Winkel γ abnimmt, und er hat einen relativ großen Bereich 106, in welchem dieser Luftspalt mit einem Winkel δ zunimmt, welcher kleiner ist als der Winkel γ. Auch hier sind zur besseren Erläuterung die Enden des Bügels 101 stufenförmig dargestellt, wobei man hier analog zu Fig. 7 a sich den Bügel 101 wieder aus fünf Einzelbügeln zusammengesetzt denken kann, welche zueinander phasenverschobene Momente 107 bis 111 (Fig. 10) erzeugen, die sich zu einem Gesamtmoment 112 überlagern, das nun einen relativ kurzen Bereich mit einem starken bremsenden Moment und einen relativ langen Bereich mit einem verhältnismäßig schwachen antreibenden Moment aufweist. Eine solche Momentenform eignet sich besonders gut für erfindungsgemäße Motoren, deren Drehzahl durch Veränderung des Stromflußwinkels geregelt wird, da man hierbei anstrebt, daß das antreibende elektrische Moment bei der Nenn-Drehzahl jeweils nur während einer Dauer von etwa 90′ elektrisch wirksam ist (analog der 90°-Kommutierung bei kollektorlosen Motoren nach der eingangs genannten Literaturstelle), um einen optimalen Wirkungsgrad zu erhalten.

Man erkennt aus der Form der Momentenkurven 126, 127 in Fig. 14 ohne weiteres, daß das hierzu spiegelbildliche Reluktanzmoment etwa die Form des Moments 112 nach Fig. 10 haben muß, d. h. ein Motor mit einer Regelschaltung muß an Stelle der Bügel 40 bis 42 gemäß Fig. 1 mit Bügeln versehen werden, welche z. B. die in Fig. 9 dargestellte Form haben.

Die Fig. 12 und 13 zeigen schematisch die Anwendung der Erfindung bei einem Innenläufer-Motor mit einem radial magnetisierten permanentmagnetischen Rotor 130, dessen Stator 131 nur schematisch dargestellt ist. Dieser Motor kann einen zylindrischen Luftspalt 132 mit gleichbleibender Breite haben, aber z. B. auch gemäß der Lehre der DE-OS 23 14 259 ausgebildet sein.

An den axialen Enden des Rotors 130 sind hier Bügel 133 und 134 aus Weicheisen-Material angeordnet, welche mit dem Streufluß des Rotors in Wechselwirkung treten und in der bereits beschriebenen Weise ein Reluktanzmoment erzeugen. Diese Bügel sind in den Fig. 12 und 13 nur ganz schematisch dargestellt und werden zweckmäßig in der gleichen Weise ausebildet wie die Bügel nach den Fig. 7 und 9, wobei die Form auch hier von der gewünschten Form des Reluktanzmoments, also unter anderem von der Frage, ob es sich um einen geregelten oder einen ungeregelten Motor handelt, abhängt.

Die Fig. 15 und 16 zeigen einen Motor 140 mit flachem Luftspalt, welcher im wesentlichen gleich ausgebildet ist wie der Motor 10 nach den Fig. 1 und 2.

An der Statorplatte 12 ist hier ein Ring 142 aus Weicheisenblech so befestigt, daß er konzentrisch zum Ringmagneten 34 verläuft. Dieser Ring 142, der z. B. aus einem Blechstreifen gebogen sein kann, weist jeweils im Abstand einer Polteilung insgesamt sechs radial nach innen gerichtete Vorsprünge 143 auf, welche mit dem Streufeld des Ringmagneten 34 in Wechselwirkung treten und in der bereits beschriebenen Weise ein Reluktanzmoment erzeugen. Der Abstand a der Vorsprünge 143 vom Ringmagneten 34 kann auch hier (durch Verbiegen des Rings) mittels Lehren oder dergleichen bequem eingestellt werden, und nach dieser Einstellung wird dann der Ring 142 in geeigneter Weise fixiert, z. B. durch Kleben, Verschränken von am Ring 142 vorgesehenen Befestigungslappen (nicht dargestellt), oder dergleichen.

Die Vorsprünge 143 können zweckmäßig auch hier die in Fig. 7 oder 9 dargestellte Form haben, die sich z. B. durch Rollen eines Blechstreifens sehr bequem herstellen läßt.

Bei allen Ausführungsbeispielen ist es möglich, die Weicheisenstücke versetzt anzuordnen, um durch geeignete Überlagerung der von den einzelnen Weicheisenstücken erzeugten Momente den gewünschten Verlauf des Reluktanzmoments zu erhalten.

In derselben Weise kann man z. B. verschiedene gestanzte Weicheisenstücke unterschiedlicher Form übereinanderstapeln und beispielsweise zusammennieten, um den gewünschten Momentenverlauf zu erhalten. Falls bei dem anzutreibenden Gerät ein Blechteil aus Weicheisen vorhanden ist, kann man aus diesem entsprechende Lappen herausbiegen und diese für die Erzeugung der gewünschten Momentenform heranziehen.

Auf diese Weise ergeben sich sehr viele konstruktive Möglichkeiten, um einen preiswerten Motor zu erhalten, der leicht und einfach hergestellt und montiert werden kann.

Ergänzend ist noch darauf hinzuweisen, daß die in Fig. 7 mit 80 und die in Fig. 9 mit 101′ bezeichnete Einschnürung in der Bügelmitte in vielen Fällen deshalb günstig ist, weil sie die Befestigung am Stator erleichtert, daß diese Einschnürung aber für die Funktion des Bügels nicht erforderlich ist.

Claims (33)

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor, welcher Motor eine im Betrieb ein Lücken aufweisendes, elektromagnetisches Antriebsmoment erzeugende Wicklung aufweist, wobei zum Speichern der magnetischen Energie während der Dauer des elektromagnetisch wirkenden Antriebsmoments und zum Abgeben dieser Energie in den Momentlücken des elektromagnetisch wirkenden Antriebsmoments des Motors mindestens ein Weicheisenstück angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Weicheisenstück (40, 41, 42; 61; 76; 101; 133; 142) sich mit mindestens einem Teil seines Volumens in den Streuflußbereich des permanentmagnetischen Rotors (34, 130) erstreckt und sich im Abstand einer Polteilung des permanentmagnetischen Rotors oder einem Mehrfachen davon dem Rotor nähert (z. B. 62, 63).

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Weicheisenstück (40, 41, 42; 61; 76; 101; 133; 142) nach Art eines Bügels ausgebildet ist, bei welchem mindestens die Enden mit dem Streufluß des permanentmagnetischen Rotors (34, 130) in Wechselwirkung stehen.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame (effektive) Abstand zwischen Weicheisenstück (40, 41, 42; 76; 101; 142) und Rotor (34, 130) in Drehrichtung gesehen monoton variabel ist (Fig. 1, 7, 9, 16).

4. Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame (effektive) Abstand in Drehrichtung gesehen von einem Mindestwert (51) aus zunimmt.

5. Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zunahmebereich (52, 84, 106) ein Bereich (50, 83, 105) liegt, in welchem der Abstand in Drehrichtung (38, 78, 103) gesehen abnimmt.

6. Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zunahmebereich (106) größer ist als der Abnahmebereich (105).

7. Gleichstrommotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor, bei welchem im Betrieb das Antriebsmoment jeweils in einem Winkelbereich von etwa 60-130° elektrisch wirksam ist, insbesondere bei einem drehzahlgeregelten Motor, der Zunahmewinkel (δ) kleiner ist als der Abnahmewinkel (γ).

8. Gleichstrommotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor, bei welchem im Betrieb das Antriebsmoment jeweils in einem Bereich von etwa 120 bis 180° elektrisch wirksam ist, der Zunahmewinkel (β) größer ist als der Abnahmewinkel (α).

9. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Weicheisenstücke (40, 41, 42) am Umfang des Rotors (34) verteilt in seinem Streuflußbereich verteilt angeordnet sind.

10. Gleichstrommotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Weicheisenstücke (Bügel 88 . . . 92) zur Erzeugung von gegeneinander phasenverschobenen Reluktanzmomenten versetzt angeordnet sind ( Fig. 7a).

11. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche mit ebenem Luftspalt (36) und eisenloser Statorwicklung (20, 21, 22) wobei mindestens einem axial polarisierter Magnetring (34) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Weicheisenstück (40 bis 42) am inneren oder äußeren Umfang des Magnetrings (34) angeordnet ist.

12. Gleichstrommotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Weicheisenstück (40 bis 42) am Träger (12) der Statorwicklung fixiert ist.

13. Gleichstrommotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (12) der Statorwicklung eine Ausnehmung (46) aufweist, welche das Weicheisenstück (40) mit Spiel aufnimmt, und daß das Weicheisenstück (40) in dieser Ausnehmung (46) mit einem vorgegebenen radialen Abstand vom Magnetring (34) fixiert ist.

14. Gleichstrommotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Weicheisenstück (40) durch eine Klebebindung (47) fixiert ist.

15. Gleichstrommotor nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (34) eine etwa trapezförmige Magnetisierung (B) aufweist.

16. Gleichstrommotor nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (34) Pollücken (35) aufweist, welche etwa in Richtung eines von der Motorwelle (30) ausgehenden radiusvektors verlaufen.

17. Gleichstrommotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch aktiven Abschnitte (23, 24) der Statorwicklung etwa in Richtung eines von der Motorwelle (30) ausgehenden Radiusvektors verlaufen.

18. Gleichstrommotor nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Weicheisenstück (142) über mehrere Polteilungen hinweg etwa parallel zum Umfang des Magnetrings (34) erstreckt und mit radial in Richtung zum Rotorumfang gerichteten Vorsprüngen (143) versehen ist (Fig. 16).

19. Gleichstrommotor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (143) in Abständen von etwa einer Polteilung vorgesehen sind (Fig. 16).

20. Gleichstrommotor nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das sich über mehrere Polteilungen hinweg erstreckende Weicheisenstück nach Art eines Rings (142) ausgebildet ist.

21. Gleichstrommotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor mit zur Drehachse parallelem Luftspalt (132) und radial magnetisiertem permanentmagnetischem Rotor (130) das mindestens eine Weicheisenstück (133, 134) im Bereich einer Stirnseite des Rotors (130) angeordnet ist (Fig. 12, 13).

22. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Weicheisenstücke (40 . . . 42) symmetrisch zum Rotor angeordnet sind.

23. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Weicheisenstücke (40 . . . 42; 76; 133; 142) aus Teilen der Motorkonstruktion bestehen.

24. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Weicheisenstücke (40 . . . 42; 61; 76; 133; 142), im Luftspalt und außerhalb des Luftspalts (im Streuflußbereich) kombiniert vorgesehen sind.

25. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) von Vorsprüngen (143) der Weicheisenstücke (142) einstellbar ist.

26. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Weicheisenstück (143) durch einen gerollten Blechstreifen gebildet wird.

27. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Weicheisenstücke (40, 41, 42) versetzt angeordnet ist zur Erzeugung eines bestimmten Momentenverlaufs.

28. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem ortsfesten Blechteil aus Weicheisen des anzutreibenden Geräts Lappen herausgebogen sind und zur Erzeugung einer gewünschten Form des Momentenverlaufs dienen.

29. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor einen zylindrischen Luftspalt (132) gleichbleibender Breite hat.

30. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1-28, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt des Motors in Drehrichtung gesehen vom Anfang des Polbogens ausehend, über einem ersten Winkel bis zu einem Maximum zu- und danach abnimmt.

31. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der Statorwicklung ein Hallgenerator (37) als Rotorstellungsgeber verwendet wird.

32. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung des Rotors in Umfangsrichtung gemessen etwa trapezförmig ist.

33. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Weicheisenstücke (40 . . . 42; 61; 76; 101; 133; 142) hervorgerufene Reluktanzmoment (M _rel ) zum elektromagnetischen Antriebsmoment (M _el ) spiegelbildlich verläuft.