DE2618293A1

DE2618293A1 - Kollektorloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2618293A1
Application number: DE19762618293
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Ing Mueller
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1976-04-27
Filing date: 1976-04-27
Publication date: 1977-11-17
Also published as: US4160797A; DE2618293C2

Description

Papst-Motoren KG . 7.4.1976

7742 St.Georgen/Schw. ^ü⁷

Kollektor!oser Gleichstrommotor

(Zusatz zu 24 52 o82.9 und P 24 19 432.9-32)

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einsträngiger Statorwicklung, welche ein reines Wechselfeld erzeugt, und mit Reluktanzhilfsmoment sowie permanentmagnetischem Rotor, mit einer elektronischen Kommutierungseinrichtung, welche durch mindestens einen galvanomagnetischen Sensor im Außenbereich des Rotormagneten in Abhängigkeit von der Rotorstellung den Motorstrom steuert, wobei der Stromfluß in der Statorwicklung im Kommutierungszeitbereich vorübergehend stark reduziert wird nach den Patentanmeldungen P 24 52 o82.9 und P 24 19 432.9-32.

Bei Motoren nach den Hauptpatenten, auf deren gesamte Offenbarung zur Vermeidung von Längen ausdrücklich Bezug genommen wird, wird aus den dort angegebenen Gründen um den theoretischen Kommutierungszeitpunkt herum jeweils eine Stromlücke erzeugt, d.h. der Strom in der einen Motorwicklung wird vor diesem Zeitpunkt

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zu Null gemacht oder jedenfalls stark reduziert, und der Strom in der nachfolgenden Wicklung wird erst nach diesem theoretischen Kommutierungszeitpunkt eingeschaltet bzw. erreicht erst nach diesem Zeitpunkt einen beträchtlichen Wert.

Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, daß Schaltungen, die diese Stromlücke, welche als "i-zu-Nul1-Verhalten" bezeichnet werden könnte, aus der induzierten Spannung erzeugen, z.B. durch Regler oder indem sie die induzierte Spannung in den Kommutierungsvorgang einbeziehen, z.B. durch Überlagern eriner welligen Spannung in den Steuerstrom des Hai 1 generators, keinen speziell gestalteten Rotor benötigen, daß aber die Schaltungen (im allgemeinen-jedoch nicht ausschließlich-Kommutierungsschaltungen) , die das "i-zu-Nul 1-Verhalten" direkt aus dem galvanomagnetischen Sensor erzeugen, zur Verbreiterung der Stromlücke eine Verbreiterung der Rojlliücke im Bereich des Sensors nur unter Nachteilen entbehren würden.

Die gem. Fig. 4 der P 24 19 432.9-32 besondere Form der Rotormagnetisierung wurde als verbreiterte PollUcke dort schon als vorteilhaft erkannt. Jene Maßnahme hat sich in der Praxis auch bewährt, jedoch gibt es Anwendungsf.äl Ie, wo eine solche Magnetisierung Schwierigkeiten bereitet, z.B. bei sehr kleinen Motoren. Das im Folgenden gezeigte erste Ausführungsbeispiel zeigt z.B. einen Flachmotor mit einem Durchmesser von nur ca. 5o mm. Bei solchen Abmessungen sind erstens - wegen der daraus resultieren^· den Verringerung der Induktion im Luftspalt und des sich daraus ergebenden Leistungsabfalls - Verbreiterungen der Pollücken un-. erwünscht, zweitens macht auch

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eine präzise Magnetisierung des Rotormagneten, wie sie zur Erzeugung solcher relativ komplizierten Pollückenformen erforderlich ist, umsomehr Schwierigkeiten, je kleiner der Motor is*t.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, hier eine. Verbesserung zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen.

Ein-e solche Aussparung läßt sich mechanisch ohne größeren Aufwand erzeugen, bei einem sogenannten Gummimagneten z.B. durch einfaches Stanzen. Bei der Magnetisierung des Rotors braucht dann auf die Form der Ausgangssignale des den Motorstrom steuernden Sensors keine Rücksicht genommen zu werden, da durch Verändern der Aussparungen dieses Ausgangssignal praktisch beliebig beeinflußbar ist, z.B. auch im Sinne einer sogenanten "Frühzündung", also einer bei hohen Drehzahlen erforderlichen verfrühten Einschaltung der Motorströme - wie später noch detailliert beschrieben.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motors, etwa im Maßstab 2:1, also 2fach linear vergrößert,

Fig. 2 einen Schnitt, gesehen längs der Linie II - II der Fig.l, wobei die Teile nur schematisch dargestellt sind und insbesondere die Welle und ihre Lagerung nicht dargestellt sind.

Fig. 3 eine mögliche Schaltung zur Verwendung in Verbindung mit dem Motor nach Fig. 2,

Fig. 4 Schaubilder zur Erläuterung der Wirkungsweise des Motors nach den Figuren 1 bis 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbei·

spiels der Erfindung und Fig. 6 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbei spiels der Erfindung. 709846/0047

₇.₄.₁₉₇₆

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Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Motor Io ist ein sogenannter Flachmotor, also ein Motor mit einem flachen Luftspalt 11. Auf einer stationären Basisplatte 12, z.B. einem aus Kunststoff gespritzten Teil, sind 4 Weicheisenringe 13 in der dargestellten Weise konzentrisch befestigt und über ihnen zwei jeweils zweidrähtig gewickelte und gleichsinnig miteinander verbundene Flachspulenl4 und 15. Vom Anschluß A der Spule 15 führt ein Draht durch diese und durch die Spule 14 zum Anschluß E der Spule 14.Wird eine Gleichspannung zwischen A und E angelegt, so erzeugen beide Spulen ein gleich starkes Magnetfeld mit derselben Richtung, z.B. in beiden Fällen oben einen Nordpol. Genau dasselbe gilt wegen der parallelen Wicklung der Drähte für den zwischen den Anschlüssen A¹ und E¹ verlaufenden Draht. Wie aus der Zeichnung klar hervorgeht, liegen die magnetisch aktiven Abschnitte der Flachspulen

etwa ₀
14 und 15 jeweils 14o el. auseinander, und die Spulen liegen einander diametral gegenüber.

In der Mitte der Basisplatte 12 ist ferner ein Lagertragrohr befestigt, in dem mittels zwei Kugellagern eine Welle 17 gelagert ist, an deren oberem Ende¹ e'Tne Buchse 18 ein hutartiger ferromagnetischer Rotorträger 19 befestigt ist, auf.dessen Unterseite ein axial magnetisierter, 4poliger Ringmagnet 22 angeklebt ist.

Dieser Ringmagnet 22 besteht aus einer Mischung von Gummi und/ oder Kunststoff und geeigneten Hartferriten und wird gemeinhin als Gummimagnet bezeichnet. Er ist aus einer Gummimagnetplatte ausgestanzt in der in Fig. 2 dargestellten Form und zwar innen mit einer kreisförmigen Ausstanzung 23 und außen mit einemkreisförmigen Umriß 24, an welchem jeweils um die Pollücken 25 herum Aussparungen in Form von Abflachungen 26 mit einer Winkelerstrekkung von jeweils etwa 5o bis loo° el., beim vorliegenden Beispiel von ca. 8o° el., vorgesehen sind.

Diese Aussparungen bestimmen den Verlauf der Streuinduktion Βς. gem. Fig. 4 A und damit den der Ausgangsspannung Um am Sensor

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Die Pollücken 25, welche beim Magnetring 22 nicht physisch sichtbar sind, sondern nur Lücken seiner trapezförmigen Magnetisierung, also nur ein physikalisch meßbares Phänomen, darstellen, und welche deshalb nur gestrichelt eingezeichnet sind, sind entgegen der Drehrichtung 27 von innen nach außen bogenförmig gekrümmt, wie es in der DOS 22 25 442 beschrieben und nachfolgend weitergestaltet beansprucht ist. Die Form der Magnetisierung, also die im Luftspalt 11 wirksame Nutzinduktion B . ,ist in Fig. 4A dargestellt. Diese Nutzinduktion hat wunschgemäß eine relativ kleine, in Fig. 4 A mit P bezeichnete Pollücke. Diese Form der Magnetisierung ist für die Kommutierung weniger günstig, wie das im Hauptpatent P 24 19 432.9-32 erläutert ist. Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, ist der die Kommutierung steuernde, galvanomagnetische Sensor 31, der beim Ausführungsbeispiel als Hall-IC, z.B. vom Typ Honeywell 63 SS 2 C, ausgebildet ist, gegenüber dem Außenumfang 24 am Stator, also der Basisplatte 12, befestigt. Dieser Hall-IC 31 wird also vom Streufluß des Ringmagneten 22 gesteuert. Die Abflachungen 26 bedeuten dabei, daß im Bereich der Pollücken 25 der Streufluß stark reduziert wird.

Fig. 4 A zeigt auch die Streuflußinduktion B<-. als Funktion des Drehwinkels *$ des Rotors, die auf den Hall-IC 31 wirkt. Durch die Abflachungen 26 hat ^Bs_treu eine breite Pollücke Q, wie sie für die Kommutierung günstig ist. Die Ausgangsspannung u„ des Hall-IC 31 hat die gleiche Form wie Βς. . (Naturgemäß wird im Normalfall die Nutzinduktion wesentlich größer sein als die Streuinduktion; die Amplituden in Fig. 4A sind also nur schematisch dargestellt, um das Verhältnis P und Q zu demonstrieren).

Gegenüber dem Innenumfang 23 des Rotormagneten 22 ist an.der Basisplatte 12 eine etwa quadratische Weicheisenplatte 32 mit abgerundeten Ecken 33 der dargestellten Winkellage befestigt. Sie erzeugt im Zusammenwirken mit dem Streufluß am Innenumfang 23 ein Reluktanzmoment, dessen antreibende Teile bei der dargestellten Drehrichtung, die durch die Lage des Hall-IC 31 festgelegt

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ist, während der Stromlücken Q wirksam sind, wie das im Hauptpatent P 24 19 432.9-32 und den dort ergänzend erwähnten Anmeldungen in großer Ausführlichkeit beschrieben ist, worauf zur Vermeidung von Längen ausdrücklich Bezug genommen wird, ebenso auf P 25 32 551 sowie P 25 35 411. ^J

Fig. 3 zeigt eine Schaltung zum Auswerten der Hall-Spannung u„ und zum Erzeugen der in Fig. 4 B dargestellten Strompause der Länge Q. Diese Schaltung ist Gegenstand der Patentanmeldung P 25 55 055.4 und wird deshalb nur kurz beschrieben. Der eine Stromanschluß des Hall-IC 31 ist über einen Widerstand 35 mit einer Minusleitung 36, der andere direkt mit einer Plusleitung 37 verbunden. Sein linker Ausgang führt direkt zur Basis eines pnp-Transistors 38 und - über einen Widerstand 39 - zum Emitter eines pnp-Transistors 4o. Der rechte Ausgang von 31 führt zur Basis von 4o und - über einen Widerstand 43 - zum Emitter von 44. 39 und 43 sind Gegenkopplungswiderstände von z.B. je looo Ohm und dienen dazu, die Motorströme jeweils etwa zu einem Bild des Verlaufs von u„ oberhalb bezw. unterhalb eines in Fig. 4 A mit plus u_s bzw. minus u_s bezeichneten Schwellenwerts zu machen. Der Kollektor von 38 führt zur Basis eines npn-Leistungstransistors 47, der Kollektor von 4o zur Basis eines npn-Leistungstransistors von 4o.Zwischen den Kollektoren von 44 bzw. 45 und der Plusleitung 37 liegen die Motorwicklungen 46 bzw. 47, deren Wicklungsenden ebenso bezeichnet sind wie in Fig. 2.

Wenn im Betrieb dem Hall-IC eine PolHicke 25 oder der sie umgebende Bereich einer Abflachung 26 gegenübersteht, haben sein linker und rechter Ausgang etwa dasselbe Potential und 38 und 4o sind beide nicht leitend, ebenso 44 und 45. Auch wenn sich eine Ende einer Abflachung 26 dem Hall-IC 31 nähert, so daß z.B. dessen linker Ausgang negativer und dessen rechter Ausgang positiver wird, wird noch keiner der Transistoren 38 und 4o leitend, da die Schwellenspannung U₅ des Transistors 38 noch nicht erreicht ist. Erst wenn u„ größer wird als U₅, werden die Transistoren 38 und 44 leitend, die Wicklung 46 erhält Strom und der Strom i.g nimmt in der in Fig. 4 B dargestellten Weise monoton, also nicht sprunghaft, zu. Beim Erreichen der nächsten Abflachungen 26 wird dann u_s wieder unterschritten und i.,- wird zu Null. Als nächstes wird dann - die

4o

Schaltung ist ersichtlich völlig symmetrisch - in völlig analoger

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DT-200 Weise die Wicklung 47 eingeschaltet. Die Motorströme I₄₅ und I₄₇

werden also sanft ein-und ausgeschaltet und man erhält die gewünschte große Stromlücke Q.

(in Fig.2)

Naturgemäß könnte das Reluktanzeisen 32 auch auf der - dann zweckmäßig zylindrischen - Außenseite des Rotormagneten angeordnet werden und der Hall-IC 31 würde dann vom Streufluß am Innenumfang des

Rotormagneten gesteuert. Fig. 5 zeigt diese Variante schematisch

an

an einem 4poligen, axial polarisierten Ringmagneten an, dessen Innenumfang 51 der Hall-IC 31 angeordnet ist. Der Innenumfang 51 weicht deshalb im Bereich der Pollücken 52 von der - strichpunkttiert angedeuteten - Kreisform 53 ab, und zwar sind wie dargestellt um die Pollücken 52 herum mondsichelförmige Aussparungen 54 vorgesehen. Die Wirkungsweise ist dieselbe wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Die Aussparungen 54 werden bei einem Gummimagnetring 5o zweckmässig gestanzt; sie erstrecken sich - wie die Abflachungen 26 - über ca. 5o bis loo el.

Fig. 6 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Außenläufermotor, z.B. von der Art, wie sie in der DAS 2 346 38o dargestellt ist. Es ist lediglich ein Teil des Außenläufers dargestellt, der die Form einer tiefgezogenen Glocke 60" aus Weicheisen mit einer in ihrer Mitte befestigten Welle 61 hat. In diese Glocke 60 ist ein radial magnetisierter Magnetring 62 (aus einem Gummimagnetstreifen) eingebracht. Eine Pollücke ist bei 63 angedeutet. Am unteren Rand 64 des Magnetrings 62 sind bei den Pollücken jeweils linsenförmige Aussparungen 65 vorgesehen, die sich ebenfalls über einen Winkel von ca. 5o bis loo⁰ el. erstrecken. Der Hall-IC 31 ist gegenüber dem Rand 64 am Stator befestigt. Die Wirkungsweise ist dieselbe

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o55-Rai/schl

wie bei den vorhergehenden Beispielen.

Wenn der galvanomagnetische Sensor im Bereich des Nutzflusses angeordnet ist, genügt meist ein einfacher Hall-Generator, wobei dann die Schaltungen nach dem Hauptpatent besonders zweckmäßig sind. Naturgemäß können auch Magnetdioden, Feldplatten oder dergleichen als galvanomagnetische Sensoren verwendet werden. Auch hierbei läßt sich dann die vorliegende Erfindung mit großem Vorteil anwenden, doch ist die Kombination von Hall-IC im Streuflußbereich und entsprechenden Aussparungen sehr vorteilhaft, besonders bei sehr kleinen Motoren.

Zum Erzielen einer frühzeitigen Einschaltung der Motorwicklungen, speziell bei hochtourigen Motoren, wird man die Aussparungen -zweckmäßig gem. der Lehre des Hauptpatents asymmetrisch zur Pollücke ausbilden, wie das in Fig.2 durch die strichpunktierte Linie 7o bei einer der Abflachungen 26 angedeutet ist. Die vorhergehende Wicklung wird dadurch etwas früher ausgeschaltet, die nachfolgende etwas früher eirigeschaltet₃ um die endliche Strom-anstiegszeit in den Motorwicklungen zu kompensieren.

Entsprechend könnte natürlich auch, wie an sich bekannt, der Hallgenerator um einen kleinen Winkel gegen die Drehrichtung aus der geometrisch neutralen Lage versetzt angeordnet werden.

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Während im"motorischen Pollückenbereich" gerade bei für
gattungsgemäße Motoren vorteilhafter, trapezförmiger Verteilung der Induktion B im Luftspalt eine mehr abrupte Änderung der Induktion B mit dem Drehwinkel^des Rotorsfllsoeingroßtres^ßäy im Pollückenbereich, günstig sein kann, ist im "Sensorbereich der Pollücke" ein möglichst kontinuierlicher Induktionsverlauf schaltungs-und betriebsmäßig vorteilhaft, weshalb für die Pollücken-Induktion folgende Randbedingung gefunden wurde:

<05 3^ß ,

Sensorbereich ^u j /Motorbereich

- Io -

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Lee rf I i t

Claims

Papst-Motoren KG 7.4.1976

St.Georgen/Schw. 26 1 8293 o55-HDP/schl

Patentansprüche

Θ Kollektorloser Gleichstrommotor mit einsträngiger Statorwicklung, welche ein reines Wechselfeld erzeugt, und mit

Reluktanzhilfsmoment sowie permanentmagnetischem Rotor, mit einer elektronischen Kommutierungseinrichtung, welche durch mindestens einen galvanomagnetischen Sensor im Außenbereich des Rotormagneten in Abhängigkeit von der Rotorstellung den Motorstrom steuert, wobei der Stromfluß in der Statorwicklung im Kommutierungszeitbereich vorübergehend stark reduziert wird nach der Patentanmeldung P 24 52 o82.9 und P 24 19 432. 9-32, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor im Bereich seiner magnetischen PoTücken in der auf den Sensor (31) wirkenden Randzone jeweils eine im Vergleich zum elektromotorisch wirkenden Hauptteil des Rotormagneten verbreiterte Pollücke durch Aussparungen (26; 54; 65) in ferromagnetischem Material aufweist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (26; 54) an einem im übrigen mindestens nahezu kreisförmigen Umfangsbereich (24; 51) des Rotors vorgesehen sind.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen jeweils etwa kontinuierliche übergänge zu den mindestens nahezu kreisförmigen Umfangsbereichen aufweisen.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen an einem Außenumfang (24) vorgesehen und als Abflachungen (26) desselben ausgebildet sind.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (54) an einem Innenumfang (51) vorgesehen und im Querschnitt etwa mondsichelartig ausgebildet ist.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Rotor magnet in Form einer flexiblen Mischung aus Gummi und/oder einem Kunststoff und geeigneten Ferriten (sogenannter Gummimagnet) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausspar-

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ungen als Ausstanzungen dieses Gummimagneten ausgebildet sind.

. 7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der galvanomagnetische Sensor (31) in einem Streuflußbereich des Rotors angeordnet ist und daß die Aussparungen an der dem Streuflußbereich zugewandten Seite des Rotors vorgesehen sind.

8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der galvanomagnetische Sensor (31) als Hall-IC ausgebildet ist.

9. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen jeweils etwa symmetrisch zu den Pollücken liegen.

10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (7o) jeweils asymmetrisch zu den geometrisch neutralen Lagen der Pollücken liegen.

11. Motor nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (7o), insbesondere bei hochtourigen Motoren, in Drehrichtung jeweils stärker ausgebildet sind, insbesondere, daß sie sich aus der geometrisch neutralen Lage der Pollücke ausschließlich in Drehrichtung erstrecken.

12. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotormagnet eine trapezförmige Magnetisierung mit schmalen Pollücken (25) zwischen seinen Polen aufweist.

13. Motor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ,gekennzeichnet, daß der. Magnetring (22) Pollücken (25) aufweist, welche von innen nach außen entgegen der Drehrichtung (27) geschrägt sind, wenn der Hall generator (31) in Drehrichtung gesehen vor einer der Spulen angeordnet ist (Fig.2).

14. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (22) Pollücken (25) aufweist, welche \·

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von außen nach innen entgegen der Drehrichtung geschrägt sind, wenn der Hallgenerator in Drehrichtung gesehen hinter einer der Spulen angeordnet ist.

15. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,'dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen im permanentmagnetischen Rotormaterial vorgenommen sind.

16. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen nur im weichmagnetischen, auf der anderen Luftspaltseite des Permanentmagneten angeordneten, rotierenden Rückschlußteil vorgenommen sind.

17. Motor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch

gekennzeichnet, daß sich die Aussparungen (26; 54) jeweils über einen Bere

Aussparung 65).

über einen Bereich von etwa 5o bis loo° el. erstrecken.(auch

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PAPST-MOTOEEN KG P61.32D83

18. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der magnetischen Induktion B des Rotors, bezogen auf dessen Rotordrehwinkel </ und im Bereich von dessen Pollücken (25; 52; 63) der folgenden Bedingung genügt:

d B < 0,5 * d B

J /Sensorbereich ^r /Motorbereich

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