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Kollektorloser Gleichstrommotor (Zusatz zur Patentanmeldung P 23
46 380.1-32) Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit zylindrischem
Luftspalt (Innen-oder Außenläufermotor) und mit einem permanent-magnetischen Rotor,
welcher Motor eine im Betrieb ein Lücken aufweisendes elektromagnetisches Antriebsmoment
erzeugende Wicklung und Mittel zum Speichern von magnetischer Energie zur Oberwindung
dieser Momentenlücken aufweist, nach Patentanmeldung P 23 46 380.1-32.
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Motoren dieser Art haben einen einfachen Aufbau und ermöglichen auch
bei kleinen Leistungen einen sehr guten Wirkungsgrad, was besonders bei batteriebetriebenen
Geräten wichtig ist, um eine lange Lebensdauer der Batterien zu erreichen. Bei Motoren
gemäß der Hauptanmeldung ist man bestrebt, ihr an der Welle abgegebenes Moment über
die ganze Rotordrehung weitgehend gleichförmig zu halten, indem bei einem Motor,
dessen Rotormagnetpole jeweils eine etwa trapezförmige Magnetisierung mit schmalen
Lücken zwischen den Polen aufweisen, der Winkelbereich der Rotordrehung, in dem
der Rotor im Betrieb ein elektromagnetisches Antriebsmoment erfährt, etwa mit dem
Winkelbereich zusammenfällt, in dem die Pollücken im Betrieb ein Gebiet in Drehrichtung
abnehmenden äquivalenten Luftspalts durchlaufen, und daß der Winkelbereich der Rotordrehung,
in dem der Rotor im Betrieb kein elektromagnetisches Antriebsmoment erfährt, etwa
mit dem Winkelbereich zusammenfällt, in welchem die Pollücken im Betrieb ein Gebiet
in Drehrichtung zunehmenden äquivalenten Luftspalts durchlaufen.
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Der Erfidnung liegt die Aufgabe zugrunde, die beim bekannten Motor
bereits angestrebte Drehmomentkonstanz bzw. Laufruhe weiter zu verbessern.
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Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß zusätzlich die
magnetisch aktiven Statorwicklungsleiter im Luftspalt, und zwar etwa im Gebiet des
zunehmenden Luftspalts (Winkelbereich jr) angeordnet sind.
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Die Erfindung vermeidet also die doch immer noch magnetische Unstetigkeitsstellen
verursachenden Nuten und bringt so ein hochkonstantes Drehmoment, was für Signale
erzeugende oder wiergebende Geräte , wie Phonogeräte, wesentlich ist. Dabei hat
der Motor - wie Fig.1 zeigt - eine einfache einsträngige Wicklung (unter Umständen
aus einer einzigen Spule bestehend).
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Bei sinusförmiger (allgemein! symmetrischer) Induktionsvertei'lung
im Luftspalt, wird gemäß Weiterbildung der Erfindung die pro Pol konzentrierte Anordnung
der Statorwicklungsleiter so angeordnet, daß ihre Durchflutung etwa symmetrisch
im Gebiet ( ) des zunehmenden Luftspalts liegt.
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Verwendet man den Sonderfall symmetrischer Magnetisierung, wobei die
Rotormagnetpole jeweils eine etwa trapezförmige Magnetisierung (Fig. 5a) mit schmalen
Lücken (12, 13) zwischen den Polen di aufweisen, kann manvzuvor erwähnte Wicklungs-
bzw. Durchflutungssymmetrie entbehren und die Statorwicklungsleiter im Bereich des
größten Luftspaltes am Statorumfang anbringen, was fertigungsmässig vorteilhaft
ist.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel.
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Es zeigen: 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 es Motors
nach Fig.1,
Fig. 3 zwei Schaubilder zum Erläutern einer stabilen
und einer Fig. 4 labilen Stellung des Rotors, und Fig. 5 Schaubilder zum Erläutern
der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1.
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Fig.1 zeigt einen Außenläufermotor lo mit einem äußeren, als durchgehender
Magnetring ausgebildeten zweipoligen Rotor 11, dessen Magnetisierung etwa gem. 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.
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Die Breite der Pollücken beträgt z.B. lo. - 20 elektrisch.
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In den Figuren 1 - 4 sind die Stellen mit praktisch konstanter Induktion
fUr den Nordpol mit schwarzer und für den Südpol mit grauer Farbe symbolisch angedeutet,
um das Verständnis der Er.
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findung zu erleichtern. Es ist aber ausdrücklich darauf hinzuweisen,
daß der gesamte Rotor 11 als radialmagnetisiertes, permanentmagnetisches Teil, z.B.
aus Bariumferrit, ausgebildet ist.
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- Die beiden Pollücken sind ebenfalls symbolisch angedeutet und mit
12 und 13 bezeichnet. Fig. 1 zeigt den Rotor 11 in einer seiner beiden stabilen
Ruhestellungen, die er bei stromlosem Zustand des Motors einnehmen kann. Diese Ruhestellungen
sind durch die Form des Luftspalts und die Form der Magnetisierung B (Fig.5a) bestimmt.
Im Betrieb läuft der Rotor 11 in Richtung des Pfeiles 14.
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Der Stator 15 des Motors lo ist als fast runder Anker mit einem oberen
Pol 16 und einem unteren Pol 17 ausgebildet, welche beide etwa die Umrißform eines
Regenschirmes haben, also jeweils fast den gesamten Polbogen umspannen, und welche
zwischen sich zwei Flächen 18 und 19 einschließen, in denen zwei in Reihe geschaltete
Wicklungshälften 20 und 21 einer einsträngigen Wicklung angeordnet sind, deren Mittelanzapfung
an einen Pluspol 22 geführt
ist und deren freie Enden mit 23 bzw.
24 bezeichnet sind.
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Ein Hallgenerator 25 (oder ein äquivalentes Kommutierglied) ist in
der Mitte der Fläche 19 über den Statorwicklungsleitern 29 oder einer elektrisch
äquivalenten Stelle am Stator 15 angeordnet.
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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 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 an den einzelnen Stellen seines Umfangs jeweils eine
gemittelte Spaltgröße entsprechend der Erfinung haben muß; aus diesem Grunde wird
der wirksame Luftspalt im Folgenden auch als "Aquivalenter Luftspalt" bezeichnet,
und zwar im Gegensatz zum tatsächlichen Luftspalt, wie er nach außen hin in Erscheinung
tritt. 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 Luftspaltes und dem Verlauf des wirksamen
oder äquivalenten Luftspaltes" , und zwar vorwiegend durch die Flußverteilung im
Statoreisen. Durch Oberflächengestaltung des Statoreisens kann aber stets die gewünschte
Induktionsverteilung im Luftspalt erreicht, quasi (in Verbindung mit dem Permanentmagneten)
eingestellt werden.
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Fig.2 zeigt eine Abwicklung des oberen Luftspaltes 26, welcher punktsymmetrisch
zum unteren Luftspalt 27 verläuft. In Fig.2 ist oben der Rotor 11 und unten der
Stator 15 dargestellt, also ein Pol bogen von 180° elektrisch. Ausgehend von Anfang
34 der Fläche 18 nimmt der tatsächliche Luftspalt 26 über einem ersten Winkel delta
(z.B. lo - 150 elektrisch) monoton bis zu einer Stelle 30 zu, an welcher der Maximalwert
d2 des Luftspalts 26 erreicht wird. Von da an nimmt der tatsächliche Luftspalt 26
über einem zweiten Winkelbereich beta (z.B. 80 - 170° elektrisch)
monoton
ab bis etwa zum Beginn 35 der Fläche 19, wo der Minimalwert d1 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.
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Die motorisch aktiven Leiter 29 der Statorwicklung liegen im allgemeinen
Fall vorteilhafterweise symmetrisch zur Mitte 33, 33' der den Luftspalt in Drehrichtung
des Rotors erweiternden Flächen 18, 19, wie in den Figuren 1 - 3 gezeichnet.
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Zweckmässig legt man den Hallgenerator 25 auch etwa in die Mitte dieses
Winkels delta oder um n 1800 elektrisch gegenüber dieser Mitte versetzt, wobei n
= 1, 2 .... etc.
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Fig. 4 zeigt den fertigungstechnisch vorteilhaften Fall, daß die Statorleiter
in die "Senke" im Bereich 30 des max.Luftspalts d2 liegen. Das ist bei trapezförmiger
Magnetisierung realisierbar, wenn das Verhältnis c(/{ klein genug ist, d.h. wenn
die Pollücke schmal genug ist. Dann ist nämlich die Erregungsmitte umfangsmäßig
nur unwesentlich aus der Mitte 33, 33' versetzt.
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Die Figuren 1 - 3 zeigen übereinstimmend den Rotor 11 in seiner stabilen
Ruhestellung, in der die beiden Polmitten 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.
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Verdreht man den Rotor 11 um den Winkel beta in Drelwichtung 1 aus
dieser stabilen Ruhelage, so muß man hierzu dem Rotor 11 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 Energie
durch den Strom in der Wicklung 20 oder 21 zugeführt.
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Nach Verdrehung um den Winkel beta erreicht der Rotor 11 die Lage
nach Fig. 4, in der seine Pollücken 12 und 13 sozusagen auf den Stellen 34, 35 kleinsten
äquivalenten Luftspaltes 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 weit zu drehen, bis er wieder eine der
beiden möglichen stabilen Magen 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.
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Man erkennt also, daß ein bremsendes Reluktanzmoment etwa im Winkelbereich
beta vorhanden ist, in welchem die Pollücken 12, 13 über Gebiete abnehmenden äquivalenten
Luftspaltes hingeglau- .
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fen, und daß ein antreibendes Reluktanzmoment etwa im Winkelbereich
delta vorhanden ist, in welchem die Polliicken 12, 13 über Gebiete zunehmenden äquivalenten
Luftspaltes hinweglaufen, 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. 8.- 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 38 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 beider Umdrehung des Rotors 11 beim
Vorbeilaufen des Südpols (wie in Fig. 1 und 2 dargestellt) am Hallgenerator 25 praktisch
während des gesamten, symbolisch grau dargestellten Winkelbereichs der Transistor
39.
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und damit die Wicklung 20. eingeschaltet, und ebenso wird beim Vorbeilaufen
des Nordpols praktisch während des gesamten, symbolisch schwarz dargestellten Winkelbereichs
der Transistor und damit die Wicklung .2 eingeschaltet. Der Strom in den Wicklungen
20 oder 21 ist also nur beim Vorbeilaufen der Pollücken 12 bzw. 13 am Hallgenerator
25 völlig unterbrochen und nimmt dann entsprechend der Zunahme der Induktion bis
zu einem praktisch konstanten Maximalwert zu, wie das in Fig. 5b für die Ströme
i38 und i39 in den Transistoren 38 und 39 dargestellt ist. In Verbindung mit der
im Bereich der Rotorpole gemäß Fig. 5a praktisch konstanten Induktion ergibt sich
ein praktisch konstantes elektromagnetisches Antriebsmoment Mel, wie es in Fig.
5c dargestellt ist. Dieses Moment hat nur relativ schmale Bücken 45. In diesen Lücken
wird das antreibende Reluktanzmoment wirksam.
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Fig. 5d zeigt den Verlauf des mgiltitMrel bezeichneten Relulctanz-Mi
tel moments über einer Rotorumdrehung. 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 0. 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 deltabestimmt 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 magnetische 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.
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Fig. 5e zeigt die Oberlagerung der beiden Momente Mel und M rel welche
zusammen ein praktisch konstantes Moment M ges an der (nicht dargestellten) Ausgangswelle
des Motors lo ergeben. Um dies zu erreichen, müssen Mel und Mrei wie dargestellt
spiegelbildlich zu einer Geraden 52 verlaufen, welche 50% von Mges 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 noch gleichförmigeren Verlauf hat.
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dessen Belastungsunabhängigkeit größer ist als bei Anwesenheit von
Statornuten. Der Wert dieses Moments ist zwar 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.
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Die Erfindung ermöglicht aber eine größere Anwendungsbreite.
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Nach der Lehre der vorliegenden Erfindung kann man naturgemäß ebenso
einen Innenläufermotor ausbilden, wobei dann Stator und Rotor in der Abwicklung
dasselbe Bild ergeben, wie es in Fig.2 dargestellt ist. Innenläufermotoren dieser
Art sind in den deutschen Offenlegungsschriften 22 25 442 und 23 14 259 dargestellt,
weshalb eine gesonderte Darstellung in der vorliegenden Anmeldung nicht erforderlich
erscheint.