Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichommotor
mit einem zylindrischen Luftspalt und iem permanentmagnetischen Innen- oder Außenrotor,
mit einer von einem Drehstellungsdetektor gesteuerten, im Betrieb ein Wechselfeld und damit ein
Lücken aufweisendes elektromagnetisches Antriebsmoment erzeugenden Wicklung, mit einem durch Veränderung
des Statorblechpaketdurchmessers verursachten, über den Drehwinkel unterschiedlichen Luftspalt, wobei
in bestimmten Drehwinkelbereichen durch Zusammenwirken des permanentmagnetischen Rotors und des
Stators magnetische Energie speicherbar und dann in darauffolgenden Drehwinkelbereichen zur Überwindung
der Momentlücken des elektromagnetischen Antriebsmoments wieder abgebbar ist.
Ein derartiger kollektorloser Gleichstrommotor ist in der DT-OS 22 25442 vorgeschlagen worden. Diese
DT-OS bezieht sich vor allem auf kollektorlose Gleichstrommotoren mit flachem Luftspalt, beschreibt
aber auch Motoren mit zylindrischem Luftspalt und gibt für diese einen etwa sägczahnförmigen Durchmesserverlauf
des Außenläufersstators und eine etwa rechteckförmige Magnetisierung des Rotors an. Die dort
angegebenen Motoren haben sich in der Praxis wegen ihres sicheren Anlaufs in der richtigen Drehrichtung und
wegen ihres auch für hochwertige Anhiebe geeigneten gleichförmigen Ausgangsmoments und ihres schaltung
technisch sehr einfachen Aufbaus als sehr vorteilhaft erwiesen, doch hat es sich gezeigt, daß eine
annähernd rechteckförmige Induktionsverteilung zur Erzeugung größerer Reluktanzmomente ungeeignet ist.
Es ist auch bereits bekannt (FR-PS 13 88 848), bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor als Drehstellungsdetektoren
zwei Hallgeneratoren zu verwenden, weiche insgesamt vier Motorwicklungen steuern, die im
Betrieb ein Drehfeld erzeugen. Dabei möchte man durch sinusförmige Magnetisierung der Rotormagnete
— vgl. auch die US-PS 33 83 574 — ein konstantes Drehmoment an der Ausgangswelle erhalten. Dieses
Drehmoment wird durchgehend mit elektromagnetischen Mitteln, also durch Zusammenwirken einer oder
mehrerer Statorspulen mit dem Rotormagnet erzeugt. Solche Motoren sind für hochwertige Antriebsaufgaben,
z. B. in Datenverarbeitungsanlagen, bestens geeignet, sind aber für viele Anwendungsfälle einfach zu teuer,
weil jedem der beiden Hallgenentoren normalerweise wenigstens vier Transistoren samt Widerständen usw.
zugeordnet sind, wodurch sich ein relativ komplizierter Schaltungsaufbau ergibt. — Einen ähnlichen Motoraufbau
mit zwei Hallgeneratoren zeigt auch die DT-OS 19 58 546, wobei sich bei einer der dort vorgeschlagenen
Lösungen ein stark pulsierendes Drehmoment an der Ausgangswelle ergibt, dessen Pulsationen dadurch
verringert werden sollen, daß man die Nuten schrägt.
Ferner kennt man (US-PS 32 64 538) einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit in Durchmesrerrichtung
polarisiertem permanentmagnetischen Rot ir, was ir der Praxis eine sinusförmige Rotormagnetisierung
bedeutet. Zur Erzielung des Anlaufs in der richtiger Richtung ist der Luftspalt variabel ausgebildet, wöbe
zwischen den — ausgeprägten — Statorpolen relativ große Lücken liegen, was heißt, daß der Luftspalt einer
außerordentlich unstetigen Verlauf aufweist, so daß dei Rotor das Bestreben hat, in bestimmten Stellungen zi
»kleben« und sich deshalb ein stark pulsierende; Drehmoment ergibt.
Die DT-OS 23 14 259 schlägt einen kolleklorloser Gleichstrommotor mit zylindrischem Luftspalt vor, be
dem für den Rotor eine sinusförmige oder eine trapezförmige Magnetisierung angegeben ist. Wie siel
aus den Unterlagen dieser DT-OS, insbesondere Fig.;
und dem dort angegebenen »konzentrierten Magnetpol« 35 klar erg'bt, ist hier an eine trapezförmige
Magnetisierung mit einem konzentrierte!, also kurzen Abschnitt großer Induktion und daran anschließenden
großen Pollücken gedacht, bei denen die Angaben dieser OS voll und ganz zutreffen. Eine solche Form der
Rotormagnetisierung führt aber zu einer fü- die elektronische Kommutierung ungünstigen Form der
vom Rotoreidgneten in der S'.atorwickiung induzierten
Spannung, der sogenannten Gegen-EMK. und der
Wirkungsgrad ist nicht optimal, da während eines großen Teils der Rotorumdrehung die Differenz
zwischen dieser Gegen-EMK und der angelegten Gleichspannung groß ist, also relativ große ohmsche
Verluste entstehen. ,5
Hs ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen
kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen vom Rotormagnet in der
Siatorwicklung induzierte Spannung einen für den Wirkungsgrad günstigen Verlauf hat und bei dem sich
elektromagnetisches Antriebsmoment und Reluktanzmoment günstig erganzen.
Diese Aufgabe wird bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art nach
der Erfindung dadurch gelöst, daß die Rotormagnetpole jeweils eine etwa trapezförmige Magnetisierung mit
schmalen Lücken zwischen den Polen aufweisen, der Drehwinkelbereich, in dem der Rotor im Betrieb ein
elektromagnetisches Antriebsmoment erhält, etwa mit dem Winkelbereich zusammenfällt, in dem die Pollükken
ein Gebiet in Drehrichtung abnehmenden magnetisch wirksamen Luftspalts durchlaufen, und daß der
Drehwinkelbereich, in dem der Rotor in Betrieb kein elektromagnetisches Antriebsmoment erhält, etwa mit
dem Winkelbereich zusammenfällt, in dem die Pollükkcn
ein Gebiet in Drehrichtung zunehmenden magnetisch wirksamen Luftspalls durchlaufen. Auf diese Weise
erhält man einen sehr günstigen Verlauf der induzierten Spannung, was die Kommutierung erleichtert und einen
guten Wirkungsgrad ergibt, und das Rcluktanzmoment ist ausreichend groß und verläuft etwa gcgenphasig zum
Wechselanteil des elektromagnetischen Antriebsmoments, wodurch sich ein sehr günstiger Verlauf des an
der Motorwelle abgegebenen Moments ergibt. Die Erfindung geht dabei von der überraschenden Erkenntnis
aus, daß anders als beim Motor nach der DT-OS 23 14 259, wo die Größe des Luftspalts unter den
»konzentrierten Magnetpolen« des Rotors die Form
des Reluktanzmoments bestimmt, bei einem Motor mit trapezförmiger, schmale Lücken zwischen den Polen .'"
aufweisender Rotormagnetisierung es die Größe des Luftspalts unter den Lücken zwischen den Polen ist, die
die Form des Reluktanzmoments bestimmt. (Im Gegensatz zur DT-OS 23 14 259 könnte man im
vorliegenden Fall von »konzentrierten Pollücken« sprechen.) — Ferner erleichtert der günstige Verlauf der
induzierten Spannung die elektronische Kommutierung, d.h. man muß die elektronischen Schaltelemente nicht
überdimensionieren und kann den Strom über dem jeweiligen Stromflußwinkcl etwa konstant halten, kann
also praktisch im Schaltbetrieb arbeiten.
Zum Begriff des »magnetisch wirksamen Luftspalts« wird auf die Statoriormen nach der US-PS 21 85 990
hingewiesen, wo erläutert ist, wie ein gewünschter Luftspaltverlauf auf die unterschiedlichsten Weisen
realisiert werden kann, z. B. durch Schichten von Blechen mit unterschiedlichen Innendurchmessern.
Auch die kompliziertesten Konstruktionen, z. B. nach Fig. 12 dieser US-PS, können aber durch magnetisch
gleichwertige Blechpakete ersetzt werden, die aus identischen Blechschnitten aufgebaut sind und die dann
praktisch den magnetisch wirksamen Luftspalt gemäß derjenigen Konstruktion darstellen, die sie ersetzen.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung geht man ferner so vor, daß zum Ausgleich des durch die
Nutöffnungen des Statorblechpakets im Bereich derselben bewirkten Induktionsabfalls der tatsächliche Luftspalt
dort so verkleinert ist, daß sich der erforderliche magnetisch wirksame Luftspalt ergibt. Die Nutöffnungen
wirken nämlich magnetisch wie eine Vergrößerung des Luftspalts und würden daher unerwünschte
Schwankungen des Reluktanzmoments hervorrufen; durch die genannte Maßnahme wird aber im Bereich der
Nutöffnungen am Stator zusätzliches Eisen vorgesehen und daher dieser Effekt beseitigt, so daß auch in
denjenigen Winkelbereichen, in denen die Podücken über die Nutöffnungen hinweglaufen, das Rclukianzmomcnt
die gewünschte Form erhält.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden
beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines in erfindungsgemäßer Weise ausgebildeten zweipoligen
Außenläufermotors und der zugehörigen Schaltelemente,
Fig. 2 eine Abwicklung des Luftspaltverlaufs über dem oberen Polbogen des Motors nach Fig. 1,
Fig. 3 und 4 zwei Schaubilder zum Erläutern einer stabilen und einer labilen Stellung des Rotors und
F i g. 5 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1.
F i g. 1 zeigt einen Außenläufermotor 10 mit einem äußeren, als durchgehender Magnetring ausgebildeten
zweipoligen Rotor 11, dessen Magnetisierung etwa gemäß Fig. 5a ausgebildet ist, also mit einer praktisch
konstanten Induktion B im Bereich der Pole und mit schmalen Pollücken. Ersichtlich entspricht die in
Fig. 5a dargestellte Magnetisierung nicht genau der Trapezform, wird aber im Sprachgebrauch des Elektromaschinenbaus
als trapezförmig bezeichnet. Die Breite der Pollücken kann mit Vorteil in der Größenordnung
von 10 bis 20' elektrisch liegen. — In den Fig. 1 bis 4
sind die Stellen mit praktisch konstanter Induktion für den Nordpol mittels Schraffierung und für den Südpol
mit grauer Farbe symbolisch angedeutet, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Es ist aber
ausdrücklich darauf hinzuweisen, daß der gesamte Rotor 11 beim Ausführungsbeispiel als radial magnctisiertes,
permanentmagnetisches Teil. z. B. aus Bariumferrit, ausgebildet ist. Die beiden Pollücken sine
; henfalls symbolisch angedeutet und mit 12 und Ii
bezeichnet. Fig. 1 zeigt den Rotor 11 in einer seinci
beiden stabilen Ruhestellungen, die er bei stromlosen Zustand des Motors einnehmen kann. Diese Ruhestellungen
sind durch die Form des Luftspults und die Forn ucr Magnetisierung B ( F i g. 5u) bestimmt. Im Betrieb
läuft der Rotor 11 in Richtung des Pfeiles 14.
Der Stator 15 des Motors 10 ist als Doppel-T-Ankei
mit einem oberen Pol 16 und einem unteren Pol Ii ausgebildet, welche beide etwa die Umrißform eine:
Regenschirms haben, also jeweils fast den gesaintei
Polbogen umspannen, und welche zwischen sich zwe Nuten 18 und 19 einschließen, in denen zwei in Rcihi
geschaltete Wicklungshälften 20 und 21 einer einsträn gigcn Wicklung angeordnet sind, deren Mitielanzap
35
fung an einen Pluspol 22 geführt ist, und deren freie Enden mit 23 bzw. 24 bezeichnet sind. Ein Hallgenerator
25 (oder ein äquivalentes Kommutierglied) ist an der öffnung der Nut 19 oder einer elektrisch äquivalenten
Stelle am Stator 15 angeordnet.
Der Luftspalt 26 über dem Pol 16 und der Luftspalt 27 über dem Pol 17 sind erfindungsgemäß jeweils in
besonderer Weise ausgebildet. Dabei kommt es naturgemäß nur auf die magnetisch wirksame Luftspaltgröße
an den einzelnen Stellen an, d. h., daß z. B. ein aus verschiedenen, an den einzelnen Stellen ungleiche
Durchmesser aufweisenden Blechen geschichteter Stator, wie ihn z. B. Fig. 12 der US-PS 21 85 990 zeigt, an
den einzelnen Stellen seines Umfangs jeweils eine gemittelte Spaltgröße entsprechend der Erfindung
haben muß; aus diesem Grund wird der wirksame Luftspalt als »magnetisch wirksamer Luftspalt« bezeichnet,
und zwar im Gegensatz zum tatsächlichen Luftspalt, wie er nach außen hin in Erscheinung tritt und
z. B. mittels einer Lehre gemessen werden kann. Für die folgende Beschreibung wird ein Stator 15 vorausgesetzt,
welcher aus untereinander identischen Blechen geschichtet ist. Auch hier ergeben sich noch Unterschiede
zwischen dem tatsächlichen Verlauf des Luftspalts und dem Verlauf des magnetisch wirksamen Luftspalts, und
zwar an den Öffnungen der Nuten 18 und 19, wie das im folgenden erläutert wird.
Fig.2 zeigt eine Abwicklung des oberen Luftspalts
26, welcher punktsymmetrisch zum unteren Luftspalt 27 verläuft. In F i g. 2 ist oben der Rotor 11 und unten der
Stator 15 dargestellt, also ein Polbogen von 180° elektrisch. Ausgehend von der Nut 18 nimmt der
tatsächliche Luftspalt 26 über einem ersten Winkel Alpha monoton bis zu einer Stelle 30 zu. an welcher der
Maximalwert di des Luftspalts 26 erreicht wird. Von da
an nimmt der tatsächliche Luftspalt 26 monoton ab bis etwa zur öffnung der Nut 19, wo der Minimalwert d\
des tatsächlichen Luftspalts 26 erreicht wird. Von hier aus nimmt der an den Luftspalt 26 anschließende
Luftspalt 27 wieder monoton bis zur nächsten Stelle 30 hin zu.
Da die öffnungen der Nuten 18 und 19 zum Einbringen der Wicklung 20, 21 und ihrer Isolation eine
bestimmte Größe haben müssen, bewirken sie, daß der magnetisch wirksame Luftspalt im Bereich dieser
Nutöffnungen wesentlich größer ist und etwa den Verlauf hat, der in F i g. 2 mit 32 für die Nut 18 und mit
33 für die Nut 19 bezeichnet ist, d. h., der magnetisch
wirksame Luftspalt hat sein Minimum di etwa an den beiden Stellen 34 und 35, welche jeweils um einen
Winkel Gamma (z.B. 10 bis 40° elektrisch) vor der zugeordneten Nutöffnung und um einen Winkel Beta
(z. B. 8Θ bis 170° elektrisch) hinter der Stelle 30 liegen.
(Bei einem Motor mit geschlossenen Nuten 18 und 19 müßte der Luftspalt den durch die Linien 32 und 33
angegebenen tatsächlichen Verlauf haben.) Die beiden Winkel Alpha und Gamma ergeben also zusammen
einen Winkel Delta, innerhalb dessen der magnetisch wirksame Luftspalt in Drehrichtung gesehen zunimmt.
Dieser magnetisch wirksame Luftspalt ist für die Form des Reluktanzmoments maßgebend. Zweckmäßig legt
man diesen Winkel Delta so, daß der Hallgenerator 25 etwa in seiner Mitte oder um n-180° gegenüber dieser
Mitte versetzt angeordnet ist, wobei η = 1.2 usw.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen übereinstimmend den Rotor
11 in seiner stabilen Ruhestellung, in der die beiden Pole
des Rotors jeweils Gebieten kleinen Luftspalts gegenüberliegen und die Lage der Pollücken 12, 13 etwa mit
den Stellen 30 größten Luftspalts übereinstimmt, da in dieser Lage der magnetische Widerstand des Luftspalts
insgesamt am geringsten ist.
Verdreht man den Rotor 11 um den Winkel Beta in Drehrichtung 14 aus dieser stabilen Ruhelage, so muß
man hierzu dem Rotor U von außen Energie zuführen, da sich der magnetische Widerstand im Luftspalt
vergrößert, oder anders gesagt, der Rotor 11 wird durch
ein Reluktanzmoment gebremst. Im Betrieb wird diese
ίο Energie durch den Strom in der Wicklung 20 oder 21
zugeführt.
Nach Verdrehung um den Winkel Beta erreicht der Rotor 11 die Lage nach F i g. 4, in der seine Pollücken 12
und 13 sozusagen auf den Stellen 34, 35 kleinsten magnetisch wirksamen Luftspalts reiten. In dieser Lage
ist der magnetische Widerstand im Luftspalt am größten, d. h. hier ist die größte magnetische Energie im
Motor gespeichert, und der Rotor 11 hat in dieser instabilen oder labilen Lage das Bestreben, sich in der
einen oder der anderen Richtung so weil zu drehen, bis er wieder eine der beiden möglichen stabilen Lagen
erreicht. Wird der Rotor 11 z. B. in Richtung des Pfeiles
14 weitergedreht, so gibt er auch ohne Zufuhr elektrischen Stromes ein Drehmoment ab, das bei
geeigneter gleichmäßiger Ausbildung der Zunahme des äquivalenten Luftspalts eine praktisch konstante Amplitude
hat.
Man erkennt also, daß ein bremsendes Reluktanzmoment etwa im Winkelbereich β vorhanden ist, in
welchem die Pollücken 12,13 über Gebiete abnehmenden magnetisch wirksamen Luftspalts hinweglaufen,
und daß ein antreibendes Relukianzmoment etwa im Winkelbereich ό vorhanden ist, in welchem die
Pollücken 12, 13 über Gebiete zunehmenden magnetisch wirksamen Luftspalts hinweglaufen, und man
erkennt ferner, daß es wie dargestellt möglich ist. die für die Herstellung des Motors unvermeidlichen Nutöffnungen
18, 19 dadurch zu kompensieren, daß man den tatsächlichen Luftspalt im Bereich dieser Nutöffnungen
verkleinert.
Zum Steuern des Stromes in den Wicklungen 20 und 21 abhängig von der Lage der Pole des Rotors 11 dient
der Hallgenerator 25, dessen einer Steueranschluß über einen Widerstand 36 mit dem Pluspol 22 verbunden ist,
während sein anderer Steueranschluß mit einer Minusleitung 37 einer Gleichspannungsquelle (z. B.
24 V) verbunden ist. Die beiden Ausgänge des Hallgenerators 25 sind mit den Basen zweier npn-Transistoren
38 und 39 verbunden, deren Emitter mit der Minusleitung 37 verbunden sind, während der Kollektor
des Transistors 30 mit dem Anschluß 24 und der Kollektor des Transistors 39 mit dem Anschluß 23 der
Wicklung 20 bzw. 21 verbunden ist. Auf diese Weise wird bei der Umdrehung des Rotors 11 beim
Vorbeilaufen des Südpols (wie in F i g. 1 und 2 dargestellt) am Hallgenerator 25 praktisch während des
gesamten, symbolisch grau dargestellten Winkelbereichs der Transistor 39 und damit die Wicklung 20
eingeschaltet, und ebenso wird beim Vorbeilaufen des Nordpols praktisch während des gesamten schraffier!
dargestellten Winkelbereichs der Transistor 38 unc damit die Wicklung 21 eingeschaltet. Der Strom in der
Wicklungen 20 und 21 ist also nur beim Vorbeilaufen dei
Pollücken 12 bzw. 13 am Hallgenerator 25 völlig unterbrochen und nimmt dann entsprechend dei
Zunahme der Induktion bis zu einem praktiscr konstanten Maximalwert zu. wie das in Fig.5b für die
Ströme ha und in in den Transistoren 38 und 3<
dargestellt ist. In Verbindung mit der im Bereich der
Rotorpole gemäß Fig. 5a praktisch konstanten Induktion
ergibt sich ein praktisch konstantes elektromagnetisches Antriebsmoment Mc/, wie es in F-"ig. 5c
dargestellt ist. Dieses Moment hat nur relativ schmale Lücken 45. In diesen Lücken wird das antreibende
Reluktanzmoment wirksam.
F i g. 5d zeigt den Verlauf des mit Mn-i bezeichneten
Reluktanzmoments über einer Rotorumdrehung. Mit 46 ist die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte stabile
Rotorstellung bezeichnet, und mit 47 die in Fig.4
dargestellte labile Rotorstellung. In beiden Fällen durchläuft das Reluktanzmoment den Wert Null. Man
erkennt ferner den Bereich des mit 48 bezeichneten bremsenden Reluktanzmoments zwischen diesen Punkten
46 und 47, dessen Länge im wesentlichen durch den Winkel Beta bestimmt ist, und den an den Punkt 47
anschließenden Bereich des mit 49 bezeichneten antreibenden Reluktanzmoments, dessen Länge im
wesentlichen durch den Winkel Delta bestimmt ist. An den Bereich 49 schließt sich wieder ein stabiler Punkt 50
und dann ein labiler Punkt 51 an, d. h., ein solcher Motor durchläuft pro Umdrehung zwei stabile und zwei labile
Rotorstellungen. Sieht man von den Ummagnetisierungsverlusten im magnetischen Kreis eines solchen
Motors ab, so muß die zwischen den Punkten 46 und 47 gespeicherte Energie, die durch ein Minuszeichen
symbolisch gekennzeichnet ist, gleich groß sein wie die zwischen den Punkten 47 und 50 abgegebene,
symbolisch mit einem Pluszeichen bezeichnete magnetische Energie, d. h„ wenn z. B. der Winkel Beta groß und
der Winkel Delta klein gewählt wird, hat der Bereich 48 des Reluktanzmoments einen kleinen und der Bereich
49 einen großen Absolutwert seiner Amplitude.
F i g. 5e zeigt die Überlagerung der beiden Momente Mf/und Mr1/, welche zusammen ein praktisch konstantes
ίο Momen· Μ?η an der (nicht dargestellten) Ausgangswelle
des Motors 10 ergeben. Um dies zu erreichen, müssen Mci und MiW wie dargestellt spiegelbildlich zu einer
Geraden 52 verlaufen, welche 50% von M?,-. entspricht.
Naturgemäß läßt sich diese Bedingung in den seltensten Fällen genau erfüllen, doch hat es sich gezeigt, daß man
mit Hilfe der Erfindung ein Ausgangsmoment erhalten kann, das einen weitgehend gleichförmigen Verlauf hat.
Der Wert dieses Moments ist sozusagen in den Motor einprogrammiert, d. h., ein solcher Motor muß an den
jeweiligen Anwendungsfall und das dort verlangte Moment ungefähr angepaßt sein, wenn man optimale
Ergebnisse erzielen will.
Nach der Lehre der vorliegenden Erfindung kann man naturgemäß ebenso einen lnncnläufermotot
ausbilden, wobei dann Stator und Rotor in dei Abwicklung dasselbe Bild ergeben, wie es in Fig. 1
dargestellt ist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
S0954Ä/2