DE2524285A1

DE2524285A1 - Buerstenloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2524285A1
Application number: DE19752524285
Authority: DE
Inventors: Edward Julius Bahm
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1974-06-12
Filing date: 1975-05-31
Publication date: 1976-01-02
Also published as: FR2275055A1; JPS518511A; SE7505390L; IT1053795B; NL7505770A; BE829671A; AU8190475A

Description

Ka/dh

National Aeronautics and Space Administration, Washington D.C,

Bürstenloser Gleichstrommotor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor.

Bürstenlose Gleichstrommotoren konkurrieren in zunehmendem Mass mit den konventionellen Gleichstrommotoren. Sie sind noch etwas teurer, jedoch werden die höheren Kosten durch die überlegene Motorleistung mehr als wettgemacht. Bürstenlose Gleichstrommotoren könnten für Leistungen bis zu einigen hundert Kilowatt gebaut werden, wobei ihr Wirkungsgrad denjenigen irgendeines anderen Motors derselben Grosse übertrifft. Andere Vorteile sind das Fehlen der bei ähnlichen Problemen auftretenden Kommutatorabnutzung und- lichtbogen-

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bildung; ein grosses Verhältnis von Drehmoment zu Motorgewicht, und bequeme Mittel und Wege zur Geschwindigkeitsregulierung, wodurch dem Motor auch die Möglichkeit gegeben ist, einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Drehmomentbereich zu bewahren. Erste Anwendungen solcher Motoren erfolgen zur Zeit auf dem Gebiet der Raumfahrt und bei batteriebetriebenen Anlagen, wo ein grosser Wirkungsgrad, niedriger Verbrauch und ein hohes Mass an Zuverlässigkeit wesentlich sind. Mit einigen Verbesserungen können sie jedoch auch bald weit gestreute Anwendungen in der Industrie finden. Ausserdem dürfte sich der bürstenlose Gleichstrommotor aufgrund seiner einfachen und wirkungsvollen Geschwindigkeitskontrollmöglichkeit ausgezeichnet für elektrisch betriebene Transportfahrzeuge eignen.

Um jede Motorspule im richtigen Zeitpunkt und mit der richtigen Polarität mit der Gleichstromversorgung zu verbinden bzw. davon zu trennen, verwendet der bürstenlose Gleichstrommotor einen elektronischen Kommutator. Die Halbleitervorrichtungen, welche die Motorströme schalten, werden durch einen Wellenpositionsfühler gesteuert. Ein derartiger elektronischer Kommutator ist nicht den Beschränkungen unterworfen, welche die Kommutatorausführungen in den konventionellen Gleichstrommotor beherrschen. Ein wichtiges Merkmal des elektronischen Kommutators ist die Möglichkeit induktive Lasten zu schalten.

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Daher können Ströme in Motorspulen geschaltet werden, während diese ausserhalb der neutralen Zone des Magnetfeldes sind. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass jede Spule der Motorwicklung für sich allein kommutiert. werden kann, ohne mit den anderen Spulen in konventioneller Weise verbunden zu sein. Hierdurch wird die Verwendung einer Vielzahl von Schaltfolgen und einfacher Schaltkreise ermöglicht. Die Motorspulen benötigen nicht wie bei konventionellen Motoren in jedem Zeitpunkt einen Steuerstrom, sondern nur während des Durchganges durch das starke Magnetfeld. Hieraus resultiert ein grösserer Wirkungsgrad und eine niedrigere Betriebstemperatur.

Bürstenlose Gleichstrommotoren wiesen bisher noch keinen im Rotor fliessenden Strom auf. Das Feld wurde durch Permanentmagnete erzeugt, welche auf dem Rotor angebracht waren. Die kommutierten Motorspulen waren auf dem Stator angebracht. Dies war das Inverse zum konventionellen Gleichstrommotor, bei dem die Feldspulen auf dem Rotor und die Permanentmagnete auf dem Stator angebracht waren. Das Problem bei der Gestaltung von bürstenlosen Gleichstrommotoren nach dem Stand der Technik bestand darin, dass grosse Motoren wegen der hohen Kosten des permanentmagnetischen Rotors nicht in wirtschaftlicher Weise gefertigt werden konnten. Es wäre daher wünschenswert, die Verwendung eines permanentmagnetischen Rotors zu vermeiden. Sowohl das Gewicht als auch die

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Kosten des Rotors könnten dann vermindert werden. Eine Verminderung des Gewichts würde eine Zunahme des Drehmoment-Gewicht- Verhältnisses und des Wirkungsgrades bewirken. Ein bürstenloser Gleichstrommotor wäre dann geeignet, um sowohl auf Fahrzeuge als auch auf Klappen, Türen und ähnliche Vorrichtungen in Flugzeugen einzuwirken. Weitere Anwendungen würden sich von selbst ergeben, wenn solch ein bürstenloser Gleichstrommotor zur Verfügung stehen würde.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen wirtschaftlichen, bürstenlosen Gleichstrommotor zu schaffen. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen leistungsstarken, bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem grossen Drehmoment-Gewicht-Verhältnis zu schaffen.

Diese und andere Aufgaben werden erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Motor mit einer elektronisch kommutierten, zur Erregung der Statorpole bestimmten Spule versehen ist und folgende Merkmale aufweist:

einen Rotor mit Weicheisenpolteilen, um welche Feldspulen gewickelt sind,

einen Transformator, dessen Primärwicklung stationär auf dem Stator und dessen Sekundärwicklung auf dem Rotor angebracht sind,

eine Gleichstromquelle,

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Mittel zum Umwandeln des Gleichstroms in Wechselstrom,

Mittel zum Führen des Wechselstroms zur Primärwicklung, um den Wechselstrom induktiv in die besagte Sekundärwicklung einzukoppeln,

mit der Sekundärwicklung verbundene Mittel zum Gleichrichten des in die Sekundärwicklung induktiv eingekoppelten Wechselstroms , und

Mittel zum Führen des gleichgerichteten Stroms von den gleichrichtenden Mitteln zu den Rotorfeldspulen.

Eine andere Lösung der Aufgabe ist gekennzeichnet durch einen Rotor mit einer Rotationsachse und Weicheisenpolteilen, welche um die Achse angeordnet und mit Feldspulen bewickelt sind, einen den Rotor längs der Achse umgebenden Stator, ein den Stator tragendes Gehäuse und eine den Rotor zum Zwecke der Rotation um die Achse im Stator tragende Welle und einen Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer zum Erregen der Feldspulen des Rotors, wobei der Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer folgende Bestandteile umfasst:

einen in Bezug auf das Gehäuse stationären Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer ,

einen in Bezug auf den Rotor stationären Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer, und

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übertragende Mittel, um den Wechselstrom vom Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer zum Wechselstrom-Gleichstrom-Umfor-· mer zu übertragen.

Diese Lösungen beruhen darauf, den bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem Rotor zu versehen, wobei dieser Rotor ein Elektromagnet ist, der durch einen Transformator, dessen Primärwicklung stationär auf dem Stator und dessen Sekundärwicklung auf dem Rotor angebracht sind, erregt wird. Gesteuerter Gleichstrom wird in Wechselstrom umgewandelt und an die stationären Primärwicklungen geführt, um induktiv in die rotierende, vom Rotor getragene Sekundärwicklung eingekoppelt zu werden. Der Wechselstrom der Sekundärwicklung wird gleichgerichtet, um den auf diese Weise gebildeten Gleichstrom an die Rotorfeldspulen zu führen. Auf diese Weise erregt ein gesteuerter Gleichstrom ohne die Verwendung von Bürsten die Feldspulen des Rotors.

Die für diese Erfindung als charakteristisch angesehenen Merkmale werden in den anliegenden Ansprüchen ausführlich festgelegt. Die Erfindung ist am besten durch Lesen der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu verstehen.

Hierbei bedeuten

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Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines bürstenlosen Gleichstronunotors in Uebereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1, und Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild des Motors der Fig. 1

Nachfolgend wird eine spezielle, in der Zeichnung erläuterte Ausführung der Erfindung beschrieben. Es soll angemerkt werden, dass bei speziellen Umgebungen und Betriebsbedingungen ohne weiteres viele Umstellungen und Veränderungen an der Gestaltung und Anordnung der verschiedenen Elemente vorgenommen werden können. Diese spezielle Ausführungsform soll daher nur als Beispiel und nicht als Einschränkung der Erfindung verstanden werden, welche am besten aus dem elektrischen Schaltbild der Fig. 3 hervorgeht.

In den Fig. 1 und 2 ist ein hohles, zylinderförmiges Motorgehäuse 10 dargestellt, welches Endplatten 11 und 12 aufweist, die einen Rotor 13 auf einer in üblicher Weise in Lagern 15 abgestützten Welle 14 tragen. Der Rotor 13 ist als rechtwinkliger, blockförmiger Teil der Welle ausgebildet und trägt vier aus Weicheisen hergestellte Polstücke 16, um welche Feldspulen 17 gewickelt sind. Auf dem einen Ende der Rotorwelle

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ist ein becherförmiger Ferritkern 18 angebracht, in dessen Zentrum ein zylinderförmiger Bolzen derart angebracht ist, dass ein Schnitt durch das Zentrum in jeder Ebene die Form eines E ergibt. Um diesen zentralen Bolzen ist eine sekundäre Transformatorwicklung 19 gewickelt, welche mit den Feldspulen 17 über eine, in einer Ausnehmung 20 des Rotors angebrachte Diodengleichrichterbrücke verbunden ist. Eine der Ausnehmung 20 gegenüberliegende Blindausnehmung 21 ist vorgesehen, um wie dargestellt, einen ausgewuchteten Rotor zu erhalten.

Gegenüber dem becherförmigen Kern 18 befindet sich auf der Endplatte 12 ein anderer becherförmiger Ferritkern 2 2 mit einem zylxnderförmigen, zentralen Bolzen, welcher mit einer Primärwicklung 2 3 bewickelt ist. Die Primärwicklung wird über einen elektronischen Kreis m betrieben, welcher einen Oszillator 25 und einen Verstärker 26 umfasst, so wie dies

an
aus Fig. 3'einem gestrichelt gezeichneten Kasten 30, der die Primärseite eines Gleichstrom-Gleichstrom-Umformers darstellt, zu ersehen ist. Die sekundäre, vom Rotor getragene Seite des Umformers ist in dem gestrichelt gezeichneten Kasten 31 dargestellt.

An dem Gehäuse 10 und daher stationär ist ein Kern 27 angebracht, welcher zur Aufnahme von Spulen 29 Nuten 28 (Fig. 2) aufweist. Diese Spulen sind in Fig. 1 wie die Rotorfeldspulen

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17 nur schematisch dargestellt. Das Kernmaterial zwischen den Nuten ist so geformt, dass eng an die Rotorpole angrenzende Polstücke gebildet werden. Der Vorgang beim Einsetzen der Spulen ist wie folgt. Einzelne Spulen 29 werden in ein Nutenpaar eingesetzt, welches soweit wie ein Rotorpolschritt oder etwas weniger, getrennt ist. Jede Spulenseite wird nur eine Hälfte der Nut ausfüllen, während eine Seite einer anderen Spule den restlichen Nutenraum ausfüllen wird. Diese Anordnung vermeidet unhandliche Endverbindungen. Bei der Anordnung mit zwei in einer gemeinsamen Nut untergebrachten Spulenseiten ist die Zahl der Spulen gleich der Zahl der Nuten.

Die Zahl der Nuten ist von vielen Faktoren wie Motorgrösse, Zahl der Rotorpole, Windungs- und Kommutatorart, geforderten Betriebskennwerten usw. abhängig. Sehr kleine Motoren werden nur zwei Rotorpole haben, wohingegen grosse Motoren zur Verminderung der Länge der Endverbindungen und der Dicke des Jochs mehr Pole aufweisen werden. Um die gleichmässige Belastung aller Pole zu gewährleisten, wird bei praktisch allen bürstenlosen Gleichstrommotoren die Zahl der Nuten als ein Vielfaches der Zahl der Pole gefertigt.

Der Fig. 3 kann entnommen werden, dass die auf dem Stator angebrachten, in einem gestrichelt gezeichneten Kasten 30 eingeschlossenen Elemente und die auf dem Rotor angebrachten,

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in einem gestrichelt gezeichneten Kasten 31 eingeschlossenen Elemente einen Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer beinhalten, bei dem der Transformatorkern aus zwei Hälften 18 und 2 2 mit einem kleinen Luftspalt konstruiert ist. Die Primärseite des Transformators wird durch den bei hohen Frequenzen, etwa 10 kHz, betriebenen Oszillator 25 angeregt. Der Ausgang des Oszillators wird durch den Leistungsverstärker 26 verstärkt. Diese Kombination von Oszillator und Leistungsverstärker bewirkt ein hohes Mass an Leistungsübertragung. Der in die Sekundärwicklung 19 eingekoppelte Wechselstrom wird durch einen Diodenbrückengleichrichter 32 gleichgerichtet und an die mit den dargestellten Polaritäten um die Polstücke 16 gewickelten Rotorfeldspulen geführt. Die Statorspulen 29 werden mit Hilfe eines elektronischen Kommutators 34 aus einer Gleichstromquelle 33 erregt.

Der Zweck des elektronischen Kommutators besteht darin, jede Motorspule im richtigen Zeitpunkt und mit der richtigen Polarität mit der Gleichstromversorgung zu verbinden und wieder davon zu trennen. Er besteht aus einem die Stellung der Welle abtastenden Fühler und Leistungsschaltern. Werden spezielle Anforderungen an den Motor gestellt, so können Schalter oder digitale Logiken zwischen dem Fühler und den Leistungsschaltern vorgesehen werden. Umkehrbarkeit ist eine solche Anforderung. Der bürstenlose Gleichstrommotor ist nicht wie der kon-

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ventionelle Gleichstrommotor automatisch umkehrbar, da der elektronische Kommutator nicht notwendigerweise doppelseitig ist.

Der die Stellung der Welle abtastende Fühler liefert eine Folge von Signalen, welche zu jedem Zeitpunkt die Stellung der Welle beschreiben. Da der Fühler im gesamten Geschwindigkeitsbereich des Motors arbeiten muss, sollte das Signal unabhängig von der Motorgeschwindigkeit sein. Für die meisten Motoren kann die Auflösung und Genauigkeit der Positionsangabe recht gering sein, da hierdurch die Motorleistung nur wenig beeinflusst wird.

Der üblicherweise verwendete, die Stellung der Welle abtastende Fühler besteht im allgemeinen aus einem Element, welches ein Signal erzeugt, das bei verschiedenen Winkelstellungen der Welle von Empfängern aufgenommen und in elektrische Signale umgeformt wird. Einige Typen dieser die Stellung einer Welle abtastende Fühler sind erfolgreich entwickelt worden (vgl. z.B. US-PS 3.331.005 und US-PS 3.453.512).

Mit Ausnahme des Gleichstrom-Gleichstrom-Umformers, der zur Erregung der Feldspulen verwendet wird, ähnelt der hier beschriebene Motor dem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, welcher Schleifringe und Bürsten zur Erregung der

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Feldspulen verwendet. Geschwindigkeits- oder Drehmomentsregelung kann durch Steuerung des über den Kommutator an die Statorspulen geführten Gleichstromes bewirkt werden, wird jedoch vorzugsweise durch Steuerung der Amplitude des an die Primärwicklung 2 3 des Gleichstrom-Gleichstrom-Umformers geführten Wechselstroms bewirkt. Dies kann durch direkte Steuerung des Eingangs des LeistungsVerstärkers, etwa durch ein Potentiometer, oder durch Steuerung des Verstärkungsgrades des Verstärkers bewerkstelligt werden. Manchmal ist es wünschenswert, diese Steuerung durch eine Spannungssteuerung der Oszillatorfrequenz herbeizuführen.

Obwohl spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung an dieser Stelle beschrieben und erläutert wurden, wird angemerkt, dass Fachleuten ohne weiteres Abänderungen und Umstellungen einfallen können. Es ist daher beabsichtigt, dass die Ansprüche so ausgelegt werden, dass sie solche Abänderungen und Umstellungen umfassen.

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Claims

Patentansprüche

ίIJ Bürstenloser Gleichstrommotor dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mit einer elektronisch kommutierten Statorwicklung versehen ist und folgende Merkmale aufweist:

einen Rotor (13) mit Polstücken (16) aus Weicheisen, um welche Feldspulen (17) gewickelt sind,

einen Transformator, dessen Primärwicklung (23) stationär auf dem Stator und dessen Sekundärwicklung (19) auf dem Rotor (13) angebracht sind,

eine Gleichstromquelle (33),

Mittel zum Umwandeln des Gleichstroms in Wechselstrom,

Mittel zum Führen des Wechselstroms zur Primärwicklung (2 3) zwecks induktiver Einkopplung in die Sekundärwicklung (19),

mit der Sekundärwicklung (19) verbundene Mittel zum Gleichrichten des in die Sekundärwicklung (19) induktiv eingekoppelten Wechselstroms, und

Mittel zum Führen des gleichgerichteten Stroms von den gleichrichtenden Mitteln zu den Rotorfeldspulen (17).
2. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, gekenn-

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zeichnet durch einen Transformator mit folgenden Bestandteilen:

einen ersten becherförmig geformten Kern (22) mit einem zentralen, mit der Primärwicklung (23) bewickelten Bolzen, wobei der erste becherförmige Kern (22) auf einer Endplatte (12) eines Gehäuses (10) für den Motor am Ende der Rotorwelle (I¹+) angebracht ist, und einem zweiten becherförmigen Kern (18) mit einem zentralen, mit der Sekundärwicklung (19) bewickelten Bolzen, wobei der besagte zweite becherförmige Kern (18) so auf dem Ende der Welle (I¹+) angebracht ist, dass dessen zentraler Bolzen dem zentralen Bolzen des ersten becherförmigen Kerns (22) gegenüber angeordnet ist.
3. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Umformen des Gleichstroms in Wechselstrom,, welcher zur Primärwicklung (23) geführt wird, vorgesehenen Mittel einen Oszillator (25) umfassen.
U. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Führung des Wechselstroms an die Primärwicklung (23) vorgesehenen Mittel einen Verstärker (26) umfassen.
5. Bürstenloser Gleichstrommotor,gekennzeichnet durch einen

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Rotor (13) mit einer Rotationsachse und. Weicheisenpolteilen (16), welche um die Achse angeordnet und mit Feldspulen (17) bewickelt sind, einen den Rotor (13) längs der Achse umgebenden Stator, ein den Stator tragendes Gehäuse (10) und eine den Rotor (13) zum Zwecke der Rotation um die besagte Achse im Stator tragende Welle (14), und einen Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer zum Erregen der Feldspulen (17) des Rotors (13), wobei der Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer folgende Bestandteile umfasst:

einen in Bezug auf das Gehäuse (10) stationären Gleichstrom-Wechsels trom-Umformer,

einen in Bezug auf den Rotor (13) stationären Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer, und

übertragende Mittel, um den Wechselstrom vom Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer zum Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer zu übertragen.
6. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die übertragenden Mittel einen Transformator umfassen, welcher eine Primär (2 3)- und eine Sekundärwicklung (19) aufweist und ferner folgende Elemente aufweist:

einen ersten becherförmigen Kern (22) mit einem zentralen Bolzen, welcher mit der Primärwicklung (23) bewickelt ist,

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wobei der becherförmige Kern (22) auf einer Endplatte (12) eines Gehäuses (10) des Motors am Ende der Rotorwelle (14) angebracht ist,

und einen zweiten becherförmigen Kern (18) mit einem zentralen, mit der Sekundärwicklung (19) bewickelten Bolzen, wobei dieser becherförmige Kern (18) so auf dem Ende der Welle (14) angebracht ist, dass dessen zentraler Bolzen dem zentralen Bolzen des ersten becherförmigen Kerns (22) gegenüber liegt.
7. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Umformen des Gleichstroms in Wechselstrom, welcher zur Primärwicklung (2 3) geführt wird, vorgesehenen Mittel einen Oszillator (25) umfassen.
8. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Führung des Wechselstroms an die Primärwicklung (23) vorgesehenen Mittel einen Verstärker (26) umfassen.

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