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Kollektorloser Gleichstrommotor
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(Zusatz zu P 26 12 464.1-32) Die Erfindung bezieht sich auf einen
kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem einen vom Rotor kommenden Magnetfluß erfassenden,
magnetfeldabhängigen Sensor, welcher im Bereich zwischen zwei benachbarten, ungleichnamigen
Statorpolen angeordnet ist und im Betrieb den Magnetisierungsstrom und folglich
auch den magnetischen Fluß dieser Statorpole steuert, wobei der Sensor im Streufeldbereich
dieser Statorpole derart angeordnet ist, daß der von ihm erfasste gegenkoppelnde
Anteil des Statorstreuflusses den mitkoppelnden Anteil desselben übersteigt, nach
P 26 12 464.1-32.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen solchen kollektorlosen
Gleichstrommotor der einganges genannten Art, welcher während der Lücken des elektromagnetisch
erzeugten Drehmoments ein zusätzlich antreibendes Reluktanzmoment erzeugt, wobei
vorzugsweise ein magnetisches Flußleitstück vorgesehen und so ausgebildet ist, daß
es den gegenkoppelnden Anteil des Statorstreufeldes stärker einfängt als den mitkoppelnden
Anteil.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach der Hauptanmeldung ist am Sensor
ein in Drehrichtung des Rotors vorragendes ferromagnetisches Teil vorgesehen, weiches
den gegenkoppelnden Anteil des Statorstreuflusses stärker einfängt. Insbesondere
ist nach dem Hauptpatent die Einbettung des Magnetfeldsensors in ferromagnetische
Flußleitstücke vorgesehen. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist eine entsprechende
unsymmetrische Anordnung notwendig, d.h. diese Flußleitstücke sind entsprechend
unsymmetrisch ausgebildet und demzufolge nur für eine Drehrichtung zu gebrauchen.
Diese Unsymmetrie muß bei Versatz des Sensors gegen die Drehrichtung.noch stärker
sein (Figur 91). Das bringt jedoch stärkere, u.U. zu starke Streufelder.
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Der Weiterbildung der Erfindung liegt unter erweiterter Anwendung
derselben die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte und doch voll befriedigende Anordnung
gemäß Hauptanmeldung bei geringstmöglichem zusätzlichem Aufwand zu erreichen, insbesondere
das Ein-und Abschalten
des Erregerstromes (Kommutierung) bei einem
Motor nach der Stammanmeldung zu verbessern (auch im Sinne der dortigen Aufgabe).
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei einem solchen
Motor der Teil der Rotorpole, der auf den Sensor wirkt, gleichzeitig so angeordnet
ist, daß dort der Rand einer Pol lücke des Rotors gegenüber dem motorisch wirkenden
Rotorteil in Drehrichtung vorgesetzt ist.
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Erst die Kombination dieser beiden Maßnahmen bringt bei einer so vereinfachten
Anordnung den vollen Erfolg, weil z.B. die Versetzung des Sensors in Drehrichtung
allein den Wirkungsgrad des Motors verschlechtern würde.
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Eine Weiterbildung sieht vor, daß der Sensor von der Mitte einer PollUcke
des Stators aus ebenfalls in Drehrichtung des Rotors gesehen versetzt ist.
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Bei einem leistungsstarken, i.a,schneller laufenden Motor wird man
weiter erJindungsgemäß die Versetzung der auf den Sensor wirkenden RotorpollUcke
noch größer machen, z.B. größer als der Versatz des Sensors in Drehrichtung statorseitig,
also von der Statorpollücke weg, beträgt, damit der Stromanstieg beschleunigt wird,
d.h.daß er im'Sinne einer trapezförmigen zeitlichen Erregung verläuft, damit man
in Verbindung mit trapezförmiger Magnetisierung des Rotormagneten einen möglichst
guten Wirkungsgrad bekommt.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 24 19 432 ist es an sich bekannt,
bei einem kollektorlosen-GleSchstrommotor die Versetzung eines Hallgenerators gegen
die Drehrichtung vorzusehen bzw. die mit dem Hallgenerator in Wechselwirkung tretenden
Abschnitte der Pol lücken des Rotors relativ zu den übrigen Abschnitten der Pollücken
zu verbreiten oder zu versetzen.
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Ein von einer StatorpollUcke aus erfindungsgemäß versetzter Sensor
kann von symmetrischer Gesamtanordnung sein, z.B. gemäß DT-OS 25 14 o67. Dieser
ist, kombiniert mit der Erfindung, für jede Drehrichtung und auch konstruktiv universaler
anwendbar.
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Man wird bei Quallttsantrieben die Einbettung des eigentlichen Sensorelements,
z.B. des Hallgenerators, in weichmagnetische
Flußleistücke im allgemeinen
vorsehen. Da aber elektronischer Verstärkungsaufwand zunehmend billiger wird, oder
weil es Anwendungsfälle gibt, wo geringere elektrische Genauigkeit ausreicht, wird
eine Anordnung ohne Einbettung des Sensorelements zwischen ferromagnetische Leitstücke
für den Magnetfluß auch wirtschaftlich interessant, insbesondere bei einer Anordnung
nach der Hauptanmeldung, wo der Statorstreufluß auf dieses Sensorelement auch wirken
soll. Daher ist eine Sensoranordnung fallweise vorteilhaft, bei der keine weichmagnetischen
Leitstücke sich vom Sensorelement (bei gattungsgemäßen Motoren häufig ein sogenannter
Hall generator) aus unmittelbar erstrekken. Zur Unterstützung der Streueinwirkung
des Stators auf den Sensor könnte dann ein weichmagnetisches, vom Stator ausgehendes
Flußleitstück sich zum Sensor hin erstrecken, z.B. in einfacher Weise ein abgebogenes
Stück eines Endbleches des Statorblechpaketens.
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Eine vorteilhafte einfache Variante der Figur 3 der Hauptanmeldung
würde auch dort darin bestehen, ein vom Stator aus zum Sensor hin sich erstreckendes
magnetisches Leitstück vorzusehen.
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Bei einer solchen Anordnung konnte der Sensor also mit, aber fallweise
ebenso ohne magnetische Flußleitstücke -in symmetrischer Gesamtanordnung - trotzdem
in der Mitte der Statorpollücke angeordnet bleiben.
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Die Erfindung kann in Verbindung mit einem kunststoffgebundenen Rotormagneten
besonders einfach verwirklicht werden, indem man bei einem Radialschnitt durch den
Permanentmagneten den auf den Sensor wirkenden Bereich des Permanentmagneten des
Rotors vom motorisch wirkenden Teil abtrennt und diesen gegeneinander versetzt.
Solche permanentmagnetischen Rotormagneten sind,wen sie auf Stoß in ein umlaufendes
Außenrotorgehäuse eingelegt sind, einfach zu fertigen.
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Die folgenden Figuren lo bis 12 zeigen weitere Ausführungsbeispiele
der Erfindung und weitere vorteilhafte Einzelheiten.
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Um der besseren Obersichtlichkeit willen werden die Figuren 1 bis
9 der Hauptanmeldung P 26 12 464.1-32 vorangestellt und kurz beschrieben: Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Stators eines erfindungsgemäßen
kollektorlosen Gleichstrommotors, gesehen längs der Linie I - I der Fig. 3, Fig.
2 einen Längsschnitt durch einen vollständigen Motor, gesehen längs der Linie II
- II der Fig. 3, Fig. 3 einen Schnitt, gesehen längs der Linie III - III der Fig.2,
Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht auf den galvanomagnetischen Sensor, gesehen längs
des Pfeils IV - IV der Fig. 5, Fig. 5 einen Schnitt, gesehen längs der Linie V -
V der Fig.4, Fig. 6 eine vereinfachte Darstellung der Schaltung des Motors nach
den vorhergehenden Figuren zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung, Fig.
7 Kurven zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung, Fig. 8 die den Stromverlauf
über der Zeit (Drehwinkel) zeigen.
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Fig. 9 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Fig.lo zeigt einen Schnitt, ähnlich wie Fig.3, jedoch durch ein drittes
Ausführungsbeispiel, Fig. 11 zeigt in der Sicht gemäß Schnittlinie XI - XI der Fig.lo
einen Rotormagneten des dritten Ausführungsbeispiels, während Fig.12 ebenso gemäß
Linie XI - XI der Fig.lo eine Sicht auf eine Variante zu Fig. 11 darstellt, während
Fig.12a wiederum eine Variante zu Figur 12 bedeutet
Im Einzelnen:
In Figur lo haben die gleich wie in der Stammanmeldung bezifferten Teile auch die
gleiche oder entsprechende Funktion, wie dort schon beschrieben. Die um loo vergrößerte
Ziffer hier bedeutet die spezielle Wirkung bzw. Form für das dritte Ausführungsbeispiel,
aber noch von ähnlicher Funktion wie die um loo reduzierte Bezugsziffer dort. So
ist die Anordnung der Figur 5 auch im Falle des dritten Ausführungsbeispiels der
Figur lo in entsprechender Weise vorteilhaft anwendbar, ebenso gilt das für eine
Variante der Figur 4 ohne den Fortsatz 64.
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In Figur lo, 11 ist der symmetrisch (z.B. wie in der DT-OS 25 14 067)
ausgebildete Sensor 130 um einen Winkel s in Drehrichtung 63 versetzt, (was einer
Vergrößerung des gegenkoppelnden Anteils des Statorstreuflusses gleichkommt), während
gleichzeitig die Rotorpollücke 176, 177 in ihrem auf den Sensor wirkenden Bereich
178 einen in Drehrichtung 63 um den Winkel t vorgeschobenen Randbereich 179 aufweist
(was.zu einem optimalen, nicht zu langsamen oder zu spaten Stromanstieg 79 in Figur
7 führt).
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Figur 12 zeigt eine Variante der Randbereiche 179, 180 der auf den
Sensor wirkenden Rotorpollückenbereiche 178. Während Figur 11 eine einseitige Verbreiterung
des Bereiches 178 in Drehrichtung zeigt, so daß nur der eine Rand 179 versetzt ist,
ist bei der Variante des Bereiches 178' eine Versetzung der ganzen Pol lücke im
Sensorbereich gegeben, wobei außerdem der in Drehrichtung liegende Rand 179' wenig,
aber stärker (Winkel ) versetzt ist als der andere Rand 180' (Winkel /3' ß Die Obergänge
sind abgerundet gezeichnet. Die Induktionsverteilung in der Praxis entspricht dem
etwa. Dies ist jedoch erwünscht. Man will keine wirklich unstetigen Obergänge. Eine
in diesem Sinne punktiert gezeichnete Variante (Randlinien 179 " und 180 " ) hat
eine gleichartige Wirkung, die ein noch sanfteres Abschalten (und Einschalten) der
Induktivität ermöglicht.
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magnetisch verwaschenet Die Figuren 12 und 12a zeigen in Drehrichtung
versetzte undiverschleifte Pollücken im Sensorbereich. Eine Anordnung nach Figur
11 mit breiterer Pol lücke ist bei einem langsamlaufenden Motor normalerweise richtig.
Dort ist auch eine scharfe Grenze am Rand 179 der
Pol lücke. Das
bedeutet, daß sich die Hallspannung mit der Zeit stark verändert. Diese Steilheit
der Hallspannung soll jedoch beim Abschalten nicht zu groß werden, deshalb ist der
Rand 179' in Figur 12 gerundet und 179 " in Figur 12a noch stärker verschleift,
d.h. noch stärker (umgekehrt!) gerundet. (Eintauchbreite (auch bei 180") mit Bewegung
von 0 aus zunehmend).
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Dadurch kann außerdem der Versetzungswinkel ( t " pl ; ß' in Fig.12a)
größer gemacht werden.
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Diese Form des Randes 179 bzw. 179' bzw. 179 " bestimmt den Hallspannungsverlauf
und dadurch, daß der gegenkoppelnde Anteil den mitkoppelnden überwiegt, wird eine
Mitkopplung verhindert, wodurch diese Steilheit der Hallspannung (aufgrund P 26
12 464) nicht noch überhöht werden kann.
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Mit diesen zwei Maßnahmen kann man die Abschaltspannung reduzieren.
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Bei schnellaufenden Motoren und solchen hoher'Induktivität, also
.mit solch großen Zeitkonstanten in der Größe eines zeitlichen Polwechsels, ist
es besser, die Pol lücke nicht, wie Figur 11 zeigt, nur in Drehrichtung durch Verbreiterung
vorzusetzen, sondern die Größe der Pol lücke im Sensorbereich etwa beizubehalten,
sie jed-och in Drehrichtung zu verschieben, wie dies Figur 12 und 12a zeigen. Dadurch
daß die Polspitze-oder Nase am Pol S, deren Stirnfläche mit 180 bzw. 180' bzw. 180
" bezeichnet ist-, dann auch mit'vorrückt, wird bei einem schnellaufenden Motor
in günstiger Weise das Einschalten der nächsten Motorwicklung rechtzeitig in die
Wege geleitet. (Für den Verlauf der Stirnfläche 180, 180', 180" gilt ähnliches wie
für den Rand 179, 179', 179 " ).
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Beim Einschalten ist das di/dt durch die Wirkung der Wicklungsinduktivität
begrenzt und dadurch gegenüber dem Abschalten praktisch unproblematisch. Im Gegenteil,
man will sogar den Stromanstieg beim Einschalten durchaus noch etwas steiler machen
als er ist, damit ein Stromverlauf, wie er in den Figuren 7 und 8-angedeutet ist,
auch im Bereich 79 tatsächlich zustandekommt.
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Der Stromverlauf soll also, auch schon im Sinne des Wirkungsgrades,
möglichst trapezförmlg sein. Wie erwähnt, hat man beim Einschalten eher das Problem,
daB der Strom zu spät auf seine volle Höhe kommt und den Motorwirkungsgrad beelntrEchtgt,
weil
bei hoher Drehzahl und einer vorgegebenen Motorwicklung (Induktivität) ohne diese
Versetzung der Pol lücke der Strom unter Umständen vor dem Abschalten seinen vollen
Wert, d.h. die Impulshöhe, nicht oder zu spät erreicht.
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Bei schnellaufenden Motoren ist einfach eine Pulsdauer (vergl.
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Figuren 7 und 8) relativ kurz, so daß man dort besonders schnell
den Strom auf seine volle Höhe bringen will.
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Besonders zweckmässig ist es deshalb dort, die Pol lücke im Sensorbereich
nur zu versetzen (nicht zu erweitern), so daß eine vorzeitige Kommutierung erfolgt,
welche die verzögernde Wirkung der Induktivität der Motorwicklung hinsichtlich des
Stromanstiegs kompensiert und den Nachteil wieder aufhebt.
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Durch die Gestaltung der Stirnfläche 180, 180', 180" wird der Stromanstieg-steuerbar.
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Die Erfindung, vor allem in ihrer Ausgestaltung nach den Figuren
12, 12a, ist deshalb besonders interessant bei größeren und/oder schnellaufenden
Motoren mit Brückenschaltung und einer einzigen Wicklung, da dort das Verhältnis
von L/R besonders hoch wird.(dicke Cu-Drähte) und deshalb die Zeitkonstante derWicklung
Schwierigkeiten macht. Bei der Brückenschaltung ist die Abschaltung des Stroms weitgehend
problemlos, weil die Leerlaufdioden den Strom übernehmen; schwierig zu beherrschen
ist der Stromanstieg, jedoch ist wegen der Reduzierung störender Schwingungsneigungen
(durch Rückkopplungswirkungen) auch bei Brückenschaltungen das Oberwiegen des gegenkoppelnden
Anteils und damit insbesondere die Anwendung der Weiterbildung der Erfindung in
Verbindung mit solchen Brückenschaltungen vorteilhaft.
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Außerdem werden durch die Maßnahmen der Stammanmeldung die Funkstörspannungen
stark reduziert, gerade bei zweipulsigen kollektorlosen (Wechselfeld)-Motoren nach
der DT-OS 22 25 442, denn solche Motoren - in neuerer Fachliteratur auch als einsträngige
oder einphasige oder zweipulsige oder als solche bezeichnet, deren Statorwicklung
ein reines Wechselfeld erzeugt - haben ohne zusätzliche Maßnahmen größere di/dt-Werte,
weshalb die Erfindung jedenfalls in dieser Hinsicht hier noch vorteilhafter ist
als bei mehrsträngigen (mehrphasigen) Statorwicklungen, bei denen ein Strang den
Strom
vom vorlaufend erregten übernimmt und bei dem außerdem mehr und deshalb kleinere
Stromimpulse pro Zeit über die Schaltung gehen.
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Diese verschiedenen Ausgestaltungen der Pol lücken des Permanentmagneten,
vor allem im Rotor, sind natürlich von genereller Bedeutung für Motoren, die einen
magnetischen Rotorbereich auf einen galvano-magnetischen Sensor wirken lassen.