DE2804787C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kollektorlosen Gleichstrom­ motor nach dem deutschen Patent 26 12 464.

Bei einem solchen kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art, welcher während der Lücken des elektromagnetisch erzeugten Drehmoments ein zusätzlich antreibendes Reluktanzmo­ ment erzeugt, ist nach dem Hauptpatent ein magnetisches Fluß­ leitstück vorgesehen und so ausgebildet, daß es den gegenkoppeln­ den Anteil des Statorstreufeldes stärker einfängt als den mit­ koppelnden Anteil.

Bei den Ausführungsbeispielen nach dem Hauptpatent ist die Ein­ bettung des Magnetfeldsensors in ferromagnetische Flußleit­ stücke 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 Un­ symmetrie muß bei Versatz des Sensors gegen die Drehrichtung noch stärker sein (vgl. Fig. 9 des Hauptpatents). Das bringt jedoch u. U. zu starke Streufelder.

Der Weiterbildung der Erfindung liegt unter erweiterter Anwendung derselben die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte und doch voll befriedigende Aufgabe gemäß Hauptpatent bei geringstmöglichem zusätzlichem Aufwand zu erreichen, insbesondere das Ein- und Ab­ schalten des Erregerstromes (Kommutierung) bei einem Motor nach dem Hauptpatent zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichen­ gemäßen Merkmale des Anspruchs 1.

Die Kombination dieser Maßnahme und der des Hauptpatents ist bei einer so vereinfachten Anordnung besonders effektiv, weil z. B. die Versetzung des Sensors in Drehrichtung allein den Wirkungsgrad des Motors verschlechtern würde.

Die Weiterbildung sieht vor, daß der Sensor von der Mitte einer Pollücke des Stators aus ebenfalls in Drehrichtung des Rotors ge­ sehen versetzt ist.

Bei einem leistungsstarken, i. a. schneller laufenden Motor wird man weiter erfindungsgemäß die Versetzung der auf den Sensor wirkenden Rotorpollücke 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 Rotormag­ neten einen möglichst guten Wirkungsgrad bekommt.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 24 19 432 ist es an sich bekannt, bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor die Versetzung eines Hallgenerators gegen die Drehrichtung vorzusehen bzw. die mit dem Hallgenerator in Wech­ selwirkung tretenden Abschnitte der Pollücken des Rotors relativ zu den übrigen Abschnitten der Pollücken zu verbreitern oder zu versetzen. Jene Lösung strebt an, den Stromanstieg eines Pulses zu verbessern, während die Erfindung linearisierend und stabili­ sierend auf einen analogen Verstärkungsvorgang einwirkt und so Abschaltspitzen "verrundet".

Ein von einer Statorpollücke aus erfindungsgemäß versetzter Sen­ sor kann von symmetrischer Gesamtanordnung sein, z. B. gemäß DE-OS 25 14 067. Dieser ist, kombiniert mit der Erfindung, für jede Drehrichtung und auch konstruktiv universaler anwendbar.

Man wird bei Qualitätsantrieben die Einbettung des eigentlichen Sensorelements, z. B. des Hallgenerators, in weichmagnetische Flußleitstücke im allgemeinen vorsehen. Da aber elektronischer Verstärkungsaufwand zunehmend billiger wird, oder weil es An­ wendungsfälle gibt, wo geringere elektrische Genauigkeit aus­ reicht, wird eine Anordnung ohne Einbettung des Sensorelements zwischen ferromagnetische Leitstücke für den Magnetfluß auch wirtschaftlich interessant. Daher ist eine Sensoranordnung vorteilhaft, bei der keine weichmagnetischen Leit­ stücke sich vom Sensorelement (bei gattungsgemäßen Motoren häufig ein sogenannter Hallgenerator) aus unmittelbar erstre­ cken. Zur Unterstützung der Streueinwirkung des Stators auf den Sensor könnte dann lediglich ein weichmagnetisches, vom Stator ausgehendes Flußleitstück sich zum Sensor hin erstrecken, z. B. in einfacher Weise ein abgebogenes Stück eines Endbleches des Statorblechpaketes. (Vgl. Anspruch 5)

Eine vorteilhafte einfache Variante besteht darin, ein vom Stator aus zum Sensor hin sich er­ streckendes magnetisches Leitstück vorzusehen. Bei einer solchen Anordnung kann der Sensor also mit magnetischen Flußleit­ stücken - in symmetrischer Gesamtanordnung - trotzdem in der Mitte der Statorpollücke angeordnet bleiben. Die symmetrische Position des Sensors kann auch ohne Flußleitstücke beibehalten werden. (Vgl. ebenso Anspruch 5)

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 gegen jenen ver­ setzt. Solche permanentmagnetischen Rotormagneten sind, wenn sie auf Stoß in ein umlaufendes Außenrotorgehäuse eingelegt sind, einfach zu fertigen.

Die folgenden Fig. 4 bis 7 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung und weitere vorteilhafte Einzelheiten. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung der Schaltung des Motors nach dem Hauptpatent zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung,

Fig. 2 eine Kurve zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung, die den Stromverlauf über der Zeit (Drehwinkel) zeigen,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nach dem Haupt­ patent,

Fig. 4 zeigt einen Schnitt, ähnlich wie Fig. 3 des Hauptpa­ tens jedoch durch ein erfindungsgemäßes Ausführungs­ beispiel,

Fig. 5 zeigt in der Sicht gemäß Schnittlinie XI-XI der Fig. 4 einen Rotormagneten des dritten Ausführungsbeispiels, während

Fig. 6 ebenso gemäß Linie XI-XI der Fig. 4 eine Sicht auf eine Variante zu Fig. 5 darstellt, während

Fig. 7 wiederum eine Variante zu Fig. 6 bedeutet.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Schaltung zur Steuerung des Stroms in den Statorwicklungen 24 und 25 des Motors. Es wird darauf hingewiesen, daß bevorzugte Schaltungen für diesen Zweck ausführlich beschrieben sind in der DE-OS 24 19 432, sie sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Im vorliegenden Fall genügt zur Beschreibung der Wirkungsweise eine vereinfachte Schaltungsdarstellung.

Der Hallgenerator 30 ist mit seinem einen Steuerein­ gang über einen Widerstand 71 an eine Plusleitung 72 angeschlossen, mit seinem anderen Steuereingang direkt an eine Minusleitung 73. Sein linker Ausgang führt zur Basis eines npn-Transistors 74, sein rechter Ausgang zur Basis eines npn-Transistors 75. Die Emitter von 74 und 75 sind mit der Minusleitung 73 verbunden. Die Kollektoren von 74 und 75 sind jeweils mit dem einen Ende der Statorwicklungen 24 bzw. 25 verbunden, deren andere Enden an der Plusleitung 72 liegen.

Da der Hallgenerator 30 in dem wicklungsfreien Raum 21 zwischen den beiden Statorwicklungen 24 und 25 liegt, also relativ nahe bei den Polspitzen 50 und 51 und an der Öffnung der Nut 9, wirkt auf ihn im Betrieb ein Streufluß vom Blechpaket. Fig. 1 zeigt dies schematisch. Mit B _Rotor ist die vom Rotormagneten 43 auf den Hallgenerator 30 wirkende Induktion bezeichnet. Dieser Induktion überlagert sich im Betrieb, also dann, wenn ein Strom in einer der Statorwicklungen 24 oder 25 fließt, eine im gleichen Sinne gerichtete Induktion B _{S 2} von der Polspitze 51 des Pols 53. Dies ergibt sich ohne weiteres, denn die über dem Flußleitstück liegende Polspitze ist zum dargestellten Zeitpunkt (vlg. die vorstehende Beschreibung) ein Nordpol, unterstützt also den Rotormagneten 43. B _{S 2} wirkt also als Mitkopplung, d. h. wenn das Ausgangssignal des Hallgenerators größer wird, wird auch B _{S 2} größer und verstärkt wiederum das Ausgangssignal des Hallgenera­ tors, und wenn das Ausgangssignal des Hallgenerators 30 kleiner wird, wird auch B _{S 2} kleiner und verringert dadurch kumulativ das Ausgangssignal des Hallgenera­ tors 30.

Gleichzeitig wirkt auf den Hallgenerator 30 im Betrieb auch eine Induktion B _{S 2} von der Polspitze 50 des Statorpols 52.

Das Überwiegen der Gegenkopplung bedeutet, daß dann, wenn am Rotormagneten 43, wie dargestellt, ein Nordpol auf den Hallgenerator 30 wirkt, die Gesamtwirkung des vom Statorblechpaket 11 auf den Hallgenerator 30 wirkenden Streuflusses stets die eines Südpols ist, und es bedeutet umgekehrt, daß bei einem Rotor Südpol das Statorblechpaket auf den Hallgnerator 30 wie ein Nordpol wirkt. Das Statorfeld wirkt also in den Zeiträumen, in denen es vorhanden ist, gegenkoppelnd auf den Hallgenerator 30. (Fig. 3)

Naturgemäß ist es zur Erzeugung einer erfindungsge­ mäßen Gegenkopplung nicht unbedingt erforderlich, Flußleitstücke oder Flußkonzentratoren am Hallgene­ rator zu verwenden. In gleicher Weise kann z. B. am Statorblechpaket, vorzugsweise in genügendem Ab­ stand vom Rotor, ein Weicheisenstück an der Polspitze 50 befestigt werden, um den Streufluß von dieser Polspitze 50 zum Hallgenerator 30 so weit zu erhöhen, daß er den Streufluß von der Polspitze 51 überwiegt. Es können im Rahmen der Erfindung auch andere galvanomagnetische Sensoren verwendet werden, z. B. Feldplatten, Magnetdioden oder Hall-ICs.

In Fig. 4, 5 ist der symmetrisch (z. B. wie in der DE-OS 25 14 067) ausgebildete Sensor 130 um einen Winkel ε in Dreh­ richtung 63 versetzt, (was einer Vergrößerung des gegenkoppelnden Anteils des Statorstreuflusses gleichkommt), während gleichzeitig die Rotorpollücke 176, 177 in ihrem auf den Sensor wirkenden Be­ reich 178 einen in Drehrichtung 63 um den Winkel γ vorgescho­ benen Randbereich 179 aufweist (was zu einem optimalen, nicht zu langsamen oder zu späten Stromanstieg 79 in Fig. 2 führt).

Fig. 6 zeigt eine Variante der Randbereiche 179, 180 der auf den Sensor wirkenden Rotorpollückenbereiche 178. Während Fig. 5 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 Pollücke im Sensorbereich gegeben, wobei außerdem der in Drehrichtung lie­ gende Rand 179′ wenig, aber stärker (Winkel γ′) versetzt ist als der andere Rand 180′ (Winkel β′).

Die Übergänge sind abgerundet gezeichnet. Die Induktionsverteilung in der Praxis entspricht dem etwa. Dies ist jedoch erwünscht. Man will keine wirklich unstetigen Übergänge. 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.

Die Fig. 6 und 7 zeigen in Drehrichtung versetzte und magnetisch verwaschene, ver­ schleifte Pollücken im Sensorbereich. Eine Anordnung nach Fig. 5 mit breiterer Pollücke ist bei einem langsamlaufenden Motor norma­ lerweise richtig. Dort ist auch eine scharfe Grenze am Rand 179 der Pollücke. 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 Fig. 6 gerundet und 179′′ in Fig. 7 noch stärker ver­ schleift, d. h. noch stärker (umgekehrt!) gerundet. (Eintauch­ breite (auch bei 180′′) mit Bewegung von 0 aus zunehmend.) Dadurch kann außerdem der Versetzungswinkel (γ′′ < γ′; β′′ < β′ in Fig. 7) größer gemacht werden.

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 (vgl. Hauptpatent 26 12 464) nicht noch überhöht werden kann.

Mit diesen zwei Maßnahmen kann man die Abschaltspannung reduzieren. Bei schnellaufenden Motoren und solchen hoher Induktivität, also mit solch großen Zeitkonstanten in der Größe eines zeitlichen Pol­ wechsels, ist es besser, die Pollücke nicht, wie Fig. 5 zeigt, nur in Drehrichtung durch Verbreiterung vorzusetzen, sondern die Größe der Pollücke im Sensorbereich etwa beizubehalten, sie je­ doch in Drehrichtung zu verschieben, wie dies Fig. 6 und 7 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 gün­ stiger Weise das Einschalten der nächsten Motorwicklung recht­ zeitig in die Wege geleitet. (Für den Verlauf der Stirnfläche 180, 180′, 180′′ gilt ähnliches wie für den Rand 179, 179′, 179′′.)

Beim Einschalten ist das di/dt durch die Wirkung der Wicklungs­ induktivität begrenzt und dadurch gegenüber dem Abschalten prak­ tisch unproblematisch. Im Gegenteil, man will sogar den Strom­ anstieg beim Einschalten durchaus noch etwas steiler machen als er ist, damit ein Stromverlauf, wie er in Fig. 2 angeduetet ist, auch im Bereich 79 tatsächlich zustandekommt. Der Stromverlauf soll also, auch schon im Sinne des Wirkungs­ grades, möglichst trapezförmig sein. Wie erwähnt, hat man beim Einschalten eher das Problem, daß der Strom zu spät auf seine volle Höhe kommt und den Motorwirkungsgrad beeinträchtigt, weil bei hoher Drehzahl und einer vorgegebenen Motorwicklung (Induktivität) ohne diese Versetzung der Pollücke der Strom unter Umständen vor dem Abschalten seinen vollen Wert, d. h. die Impulshöhe, nicht oder zu spät erreicht.

Bei schnellaufenden Motoren ist einfach eine Pulsdauer (vergl. Fig. 2) relativ kurz, so daß man dort besonders schnell den Strom auf seine volle Höhe bringen will.

Besonders zweckmäßig ist es deshalb dort, die Pollücke im Sen­ sorbereich 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.

Durch die Gestaltung der Stirnfläche 180, 180′, 180′′ wird der Stromanstieg steuerbar.

Die Erfindung, vor allem in ihrer Ausgestaltung nach den Fig. 6 und 7, 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 der Wick­ lung Schwierigkeiten macht. Bei der Brückenschaltung ist die Abschaltung des Stroms weitgehend problemlos, weil die Leerlauf­ dioden den Strom übernehmen; schwierig zu beherrschen ist der Stromanstieg, jedoch ist wegen der Reduzierung störender Schwin­ gungsneigungen (durch Rückkopplungswirkungen) auch bei Brücken­ schaltungen das Überwiegen des gegenkoppelnden Anteils und damit insbesondere die Anwendung der Weiterbildung der Erfindung in Verbindung mit solchen Brückenschaltungen vorteilhaft.

Außerdem werden durch die Maßnahmen der Stammanmeldung die Funk­ störspannungen stark reduziert, gerade bei zweipulsigen kollektor­ losen (Wechselfeld)-Motoren nach der DE-OS 22 25 442, denn solche Motoren - in neuerer Fachliteratur auch als einsträngige oder ein­ phasige oder zweipulsige oder als solche bezeichnet, deren Stator­ wicklung 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 mehrsträn­ gigen (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 Schal­ tung gehen.

Claims (9)

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem einen vom Rotor kommenden Magnetfluß erfassenden magnetfeldabhängigen Sen­ sor, welcher im Bereich zwischen zwei benachbarten, von ei­ ner Statorwicklungsanordnung erregten, ungleichnamigen Statorpolen angeordnet ist und im Betrieb den Erregerstrom der den Statorfluß erzeugenden Statorwicklungsanordnung steuert, insbesondere kollektorloser Gleichstrommotor, wel­ cher während der Lücken des elektromagnetisch erzeugten Drehmoments ein zusätzliches, antreibendes Reluktanzmoment erzeugt, wobei der Sensor (Hallgnerator 30) im Streufeld­ bereich der Statorpole (52, 53) derart angeordnet ist, daß der von ihm erfaßte gegenkoppelnde Anteil (B _{S 1}) des Stator­ streuflusses den mitkoppelnden Anteil (B _{S 2}) desselben über­ steigt, nach Patent 26 12 464, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Rotorpole (178, 178′), der auf den Sensor (30; 130) wirkt, gleichzeitig so angeordnet ist, daß dort der Rand (179; 179′; 179′′) einer Pollücke (42) des Rotors ge­ genüber dem motorisch wirkenden Rotorteil (143; 143′; 143′′) in Drehrichtung vorgesetzt (Winkel γ; γ′; γ′′) ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sen­ sor (130) von der Mitte einer Pollücke des Stators (10) aus ebenfalls in Drehrichtung (63) des Rotors gesehen versetzt (Winkel ε) ist.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sen­ sor (130) in bezug auf eine durch ihn und die Motorachse gehende Ebene von magnetisch-symmetrischer Gesamtan­ ordnung ist.

4. Motor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Versetzungswinkel γ größer als der Ver­ setzungswinkel ε, insbesondere bei einem schnellaufenden Motor, ist.

5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich nur ein weichmagnetisches Flußleitstück vom Sta­ toreisen aus in Richtung zum Sensor (Hallgenerator 130) hin erstreckt.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rotormagnet (143) in Umfangsrichtung trapezför­ mig magnetisiert ist.

7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei zylindrischem Luftspalt der auf den Sensor (Hallgenerator 130) wirkende Rotormagnet ein separater Gummimagnetstrei­ fen, auf Stoß in ein ferromagnetisches Außenläufergehäuse (42) eingesetzt ist.

8. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Breite der Pollücken (42) im motori­ schen Bereich praktisch gleich wie die Breite der Pollücken (178, 178′) im Sensorbereich ist.

9. Motor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Winkel ε zwischen 5° el. und 60° el. liegt.