DE2913691C2

DE2913691C2 - Ständer für einen bürstenlosen Elektromotor

Info

Publication number: DE2913691C2
Application number: DE2913691A
Authority: DE
Inventors: Jan Soenderborg Dyhr; Poul Erik Dipl.-Ing. Nordborg Hansen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1979-04-05
Filing date: 1979-04-05
Publication date: 1983-12-01
Also published as: DK139080A; GB2049304A; FR2453523A1; DE2913691A1; FR2453523B1; GB2049304B; AT366527B; ES8101339A1; ATA132780A; SE8002463L; US4283646A; IT8067536A0; ES490228A0; IT1128394B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Ständer für einen bürstenlosen Elektromotor mit axialem Luftspalt, mit einer zur Drehachse koaxialen Ständerwicklung und etwa U-förmigen, die Ständerwicklung abwechselnd in entgegengesetzten radialen Richtungen und in gleichen Winkelabständen übergreifenden lamellierten Polschuhen, die einer Dauermagnetpole aufweisenden Radialfläche wenigstens einer ferromagnetischen Läuferscheibe zugekehrte Stirnflächen mit radialen Symmetrieachsen aufweisen, wobei die Stirnfläche aller geradzahligen Polschuhe langgestreckte Rechtecke mit radialer Längssymmetrieachse sind und die Querjoche aller geradzahligen Polschuhe radial innen liegen.

Bei einem bekannten Ständer dieser Art (GB-PS 14 99 652) sind die Schenke! der einzelnen Polschuhe unterschiedlich lang. Innerhalb der Blechpakete der ungeradzahligen Polschuhe sind die Bleche wechselweise um 180° in bezug auf eine radiale Achse so gedreht, daß ihre Polschuh-Stirnfläche aus abwechselnd kurzen und langen Schenkeln der Bleche eines Polschuhs gebildet wird und die Umfangserstreckung der ungeradzahligen Polschuhe zur Drehachse hin abnimmt Auf diese Weise gelingt es zwar, den Abstand der Polschuhe bis auf einen vom Luftspalt abhängigen Mindestabstand zu reduzieren, ohne den äußeren Umkreis der ungeradzahligen Polschuhe und damit den der Läuferscheibe zu vergrößern, so daß deren Trägheitsmoment und Fliehkräfte klein gehalten werden können. Diese Anordnung erfordert jedoch einen erheblichen Aufwand bei der Montage des Motors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ständer der gattungsgemäßen Art anzugeben, dessen Aufbau unter Einhaltung eines Mindestabstandes der Polschuhe in Umfangsrichtung einfacher und dennoch kompakter ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Stirnflächen aller Polschuhe etwa gleich sind, daß die Quersymmetrieachsen aller ungeradzahligen Polschuhe radial verlaufen und daß die Ständerwicklung aus in Umfangsrichtung abwechselnd geradlinigen und gebogenen Abschnitten besteht

Bei dieser Ausbildung und Anordnung der Polschuhe können nicht nur die Bleche der geradzahligen, sondern auch die der ungeradzahligen Polschuhe einheitlich angeordnet werden. Dies vereinfacht die Montage. Gleichzeitig ergibt sich eine bessere Ausnutzung der Zwischenräume zwischen zwei benachbarten geradzahligen Polschuhen durch die dazwischenliegenden ungeradzahligen Polschuhe. Die verfügbaren Blechquerschnitte der geradzahligen Polschuhe werden besser ausgenutzt, so daß der Aufbau des Ständers und damit der des Motors bei gleicher Leistung kompakter gehalten werden kann.

Bei dem aus der GB-PS 13 63 979 bekannten Ständer sind alle Polschuhe als langgestreckte Rechtecke mit radialer Längssymmetrieachse ausgebildet Bei dem aus der GB-PS 10 23 930 bekannten Elektromotor haben die Polschuhe die Form von Kreisringsegmenten und keine Längssymmetrieachse. Ferner sind die Stirnflächen aller Polschuhe nicht gleich. Gegenüber diesen bekannten Ständern bzw. mit diesen versehenen Elektromotoren ergibt sich durch die Erfindung der Vorteil, daß der magnetische Widerstand im Luftspalt wegen der bei gleichem Ständer- bzw. Motordurchmesser größeren Polschuh-Stirnflächen kleiner ist, so daß sich bei gleicher Ampere-Windungszahl ein stärkerer Fluß im Luftspalt und damit ein höheres Drehmoment ergibt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es günstig, wenn die Jochquerschnitte der geradzahligen Polschuhe etwa gleich den Jochquerschnitten der ungeradzahligen Polschuhe sind. Der hauptsächlich durch diese Jochquerschnitte bestimmte wirksame Magnetkreiswiderstand ist daher bei allen durch jeweils einen Magnetkreis zwischen zwei benachbarten Pol-

schuhen gebildeten Magnetpolen gleich, so daß das Drehmoment gleichmäßig ist

Wenn das Verhältnis von Länge zu Breite der Stirnflächen etwa 1,5 beträgt, läßt sich ein besonders kompakter Aufbau bei hohem Ausnutzungsgrad der wirksamen Blechquerschnitte erzielen.

Ferner kann dafür gesorgt sein, daß die ungeradzahligen Polschuhe die geradlinigen Abschnitte der Ständerwicklung von außen übergreifen. Auf diese Weise läßt sich bei praktisch unverändertem Aufwand an Blechmaterial für die Polschuhe ein im Vergleich zu einer kreisförmigen Wicklung geringerer Außendurchmesser des Ständers wählen. Bezogen auf die Leistung des Motors ist der Aufbau mithin kompakter, insbesondere wenn hierbei die radial äußeren Axialkanten der Polschuhe auf dem gleichen Umkreis liegen.

Der Querschnitt der Polschuh-Schenkel sollte zu den freien Enden hin bei gleichbleibender Schenkelbreite abnehmen. Dadurch steigt der magnetische Widerstand der Polschuh-Schenkel zu ihren freien Enaen hin auf einen sehr hohen Wert an, so daß der Magnetfluß gezwungen wird, hauptsächlich an den Stirnflächen der Polschuhe ein- bzw. auszutreten, und nicht an den Seitenflächen und freien Enden der Schenkel, wo er nicht zum Drehmoment beiträgt. Auf diese Weise wird der Streufluß verringert. Eine noch weitere Verringerung des Streuflusses ergibt sich wenn der Querschnitt der Polschuh-Schenkel bis auf Null abnimmt.

Besonders günstig ist es, wenn die Abnahme mehr als linear ist. Dadurch erhöht sich nicht nur die Magnetflußdichte in den Polschuh-Stirnflächen, sondern auch der zwischen den Polschuh-Schenkeln liegende Wickelraum für die Ständerwicklung. Daher können bei gleicher Windungszahl der Ständerwicklung und gleicher Motorleistung die Abmessungen (der Durchmesser) verringert a oder bei gleichen Abmessungen die Windungszahl und damit die Leistung erhöht werden, so daß sich ein noch kompakterer Aufbau ergibt.

Vorzugsweise ist die Stirnfläche jedes Polschuhs dreibis viermal größer als der kleinste Jochquerschnitt jedes Polschuhs. Bezogen auf eine bestimmte Leistung ergibt sich hierbei eine Begrenzung der Magnetflußdichte (Induktion) im Polschuh, die auch bei einem Überstrom wegen der dann einsetzenden Sättigung des Polschuhmaterials nicht wesentlich überschritten wird, so daß auch bei einem Überstrom in der Ständerwicklung, z. B. auf Grund einer Überlastung oder eines Kurzschlusses, die Gefahr einer Entmagnetisierung der Dauermagnetpole durch das Magnetfeld der Ständtrwicklung vermieden ist. ίο

Im einzelnen läßt sich dies dadurch erreichen, daß der Jochquerschnitt zur Mitte der Querjoche hin abnimmt und/oder die Querjoche der Polschuhe eine Aussparung aufweisen.

Insgesamt führt der kompakte Aufbau zu einer Verringerung der Trägheitskräfte und Fliehkräfte im Läufer.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Axialansicht eines erfindungsgemäßen Ständers für einen bürstenlosen Elektromotor,

F i g. 2 den Axialschnitt A-A des Ständers nach Fig.] mit Läufer,

F i g. 3 eine Radialansicht des Ständers nach F i g. 1,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild der Stromversorgungs- und Steuereinrichtung eines den Ständer nach den Fie. 1 bis 3 aufweisenden bürstenlosen Elektromotors, Fig.5 einen Axialschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ständers mit einem bürstenlosen Elektromotor,

F i g. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Läuferscheibenausbildung teilweise im Axiuischnitt und

F i g. 7 eine weitere Ausführungsform eines Polschuhs in Seitenansicht

Der in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Ständer des in den F i g. 2 und 4 dargestellten bürstenlosen Elektromotors weist acht etwa U-förmige lameliierte Polschuhe 1 bis 8 auf, die rittlings auf einer etwa quadratischen Ständerwicklung 10 mit abgerundeten Ecken sitzen. Die Schenkel der ungeradzahligen Polschuhe 1, 3, 5, 7 sind gleich lang und ragen etwa radial nach innen. Die Schenkel der geradzahligen Polschuhe 2, 4, 6, 8 sind ebenfalls gleich lang und ragen etwa radial nach außen. Die Querjoche 12 der geradzahligen Polschuhe 2,4,6,8 liegen radial innen und die Querjoche 14 der ungeradzahligen Polschuhe 1, 3, 5, 7 radial außen. Alle Querjoche 12, 14 erstrecken sich in Axialrichtung (des Motors). Die ungeradzahligen Polschuhe 1, 3, 5, 7 übergreifen die geradlinigen und die geradzahligen Polschuhe 2, 4, 6, 8 die um 90° kreisförmig gebogenen Abschnitte an den Ecken der Ständerwicklung 10.

Die Stirnflächen 16 der ungeradzahligen Polschuhe 1, 3,5, 7 sind einander gleich. Auch die Stirnflächen 18 der geradzahligen Polschuhe 2,4, 6, 8 sind einander gleich. Sodann bilden alle Stirnflächen 16, 18 langgestreckte Rechtecke, wobei die Stirnflächen 18 der geradzahligen Polschuhe etwa gleich den Stirnflächen 16 der ungeradzahligen Polschuhe sind und die Längssymmetrieachsen 20 der geradzahligen Polschuhe, dagegen die Quersymmetrieachsen 22 der ungeradzahligen Polschuhe radial verlaufen.

Die Symmetrieachsen 20 und 22 der Polschuhe haben gleiche Winkelabstände von etwa 45°, und die axialen Außenkanten 24, 26 aller Polschuhe 1 bis 8 liegen auf dem gleichen Umkreis um die Drehachse 28 der nicht dargestellten Läuferwelle.

Auf der Läuferwelle sind nach F i g. 2 zwei Läuferscheiben 30 und 32 aus ferromagnetischem Material drehfest angeordnet. Auf den den Stirnflächen 16,18 der Polschuhe zugekehrten Radialseiten der Läuferscheiben 30, 32 sind in gleichen Winkelabständen einander abwechselnde Nord- und Südpole mittels nicht dargestellter Dauermagnete ausgebildet.

Eine die Drehwinkelstellung des Läufers 30, 32 auch im Stillstand mittels eines Fühlers erfassende Steuereinrichtung 34 steuert vier in Brückenschaltung angeordnete elektronische, als Kontakte dargestellte Schalter synchron mit der Läuferdrehzahl. Im Querzweig der Brückenschaltung liegt die Ständerwicklung 10. Die Steuerung der elektronischen Schalter erfolgt derart, daß die Ständerwicklung 10 in abwechselnden Richtungen vom Strom aus einer Gleichspannungsquelle 36 durchflossen wird. Das aus einer Stirnfläche 16 eines Polschuhs 1 austretende, von der Ständerwicklung 10 ausgebildete Magnetfeld tritt über den angrenzenden axialen Luftspalt in die zugekehrte Radialfläche der zugehörigen Läuferscheibe ein und wieder aus der gleichen Radialfläche gegenüber der Stirnfläche 18 des benachbarten Polschuhs 2 aus und in diese Stirnfläche 18 ein. Am axial anderen Ende des Ständers tritt dieses Magnetfeld dagegen an der Stirnfläche 18 desselben Polschuhs 2 aus und über die Läuferscheibe 32 in die Stirnfläche 16 des ersten Polschuhs 1 wieder ein. Auf diese Weise wird über die Querjoche 12, 14 zweier benachbarter Polschuhe und die Läuferscheiben ein

Magnetkreis eines Ständerpols geschlossen. Entsprechende Magnetkreise schließen sich über alle benachbarten Pobchuhe und die Läuferscheiben. In Umfangsrichtung folgen daher im Ständer Magnetpole mit von Polschuh zu Polschuh wechselnder Polarität aufeinan- ■-> der. Die Polarität jedes Ständer-Magnetpols wechselt ferner synchron mit der Drehzahl des Läufers, so daß ein Drehfeld entsteht und sich nach einmal erfolgtem Anlauf die Drehbewegung des Läufers selbst aufrechterhält. Den Anlauf erleichternde Einrichtungen in sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht im einzelnen dargestellt. Im Ergebnis handelt es sich daher um einen bürstenlosen Gleichstrommotor.

Die radialen Querschnitte aller Querjoche haben etwa gleich große Flächen, so daß der magnetische Widerstand in den Magnekreisen aller Ständerpole praktisch gleich ist und sich ein gleichmäßiges Drehmoment einstellt.

Die radiale Anordnung der Quersymmetrieachsen 22 der ungeradzahligen Polschuhe 1,3,5,7 hat den Vorteil, daß der Außendurchmesser des Ständers und mithin der des Läufers zur Erzielung eines geringen Trägheitmoments und geringer Fliehkräfte im Läufer klein gehalten werden kann im Vergleich zu einer um 90° gedrehten Anordnung und Ausbildung der ungeradzahligen Polschuhe wie die der geradzahligen. Der Raum zwischen zwei benachbarten geradzahligen Polschuhen wird besser ausgenutzt. Dennoch kommt man mit nur zwei verschiedenen Blechzuschnitten für alle Polschuhe aus. In Verbindung mit der an den Ecken abgerundeten Quadratringform der Ständerwicklung 10 wird trotz der rechtwinkligen Form der Polschuh-Stirnflächen einerseits der zwischen den Schenkeln der Polschuhe zur Aufnahme der Ständerwicklung 10 verfügbare Raum maximal ausgenutzt, und andererseits ist es gegenüber einer Kreisringform der Ständerwicklung 10 mit einem der Diagonallänge der Quadratringform entsprechenden Außendurchmesser möglich, die ungeradzahligen Polschuhe 1, 3, 5, 7 weiter radial nach innen zu versetzen, da ihre Querjoche 14 außen liegen und die äußere Kontur des Ständers so weitgehend zur Kreisringform ergänzen.

Besonders günstig ist hierbei ein Verhältnis von Länge zu Breite der Polschuh-Stirnflächen von 3 : 2.

Fig. 5 stellt ein etwas abgewandeltes Ausführungsbeispiel schematisch, teilweise im Axialschnitt durch die Polschuhe 1 und 2 dar, wobei die an sich nur um 45° zueinander in Umfangsrichtung versetzten Polschuhe 1 und 2 um 180° zueinander versetzt (in die Zeichenebene gedreht) dargestellt sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Läuferscheiben 30, 32 mit ausgeprägten Dauermagnetpolen 38 versehen und lamelliert. Die Blechlamellen 39 sind in Axialrichtung gestapelt, so daß die von Polschuh zu Polschuh verlaufenden Hauptkomponenten des Magnetflusses in den Blechebenen liegen und die von diesen Hauptkomponenten erzeugten Wirbelströme unterbrochen werden. Die Schenkel der Polschuhe verjüngen sich bei gleichbleibender Breite linear zu den freien Enden hin bis praktisch auf Null, so daß ihr magnetischer Widerstand wegen des abnehmenden Querschnitts zu den freien Enden hin auf einen sehr hohen Wert ansteigt und der Magnetfluß gezwungen wird, hauptsächlich an den Stirnflächen 16, 18 der Polschuhe ein- bzw. auszutreten, und nicht an den Seitenflächen oder freien Enden der Schenkel, wo er nicht zum Drehmoment beiträgt. Auf diese Weise wird der Streufluß verringert. Außerdem sind in der Mitte der Querjoche 12 und 14 sich über die gesamte Breite der Querjoche erstreckende Aussparungen 40 und 41 vorgesehen, die den Jochquerschnitt so weit verringern, daß der Magnetfluß auf einen zulässigen Höchstwert begrenzt wird, bis zu dem sichergestellt ist, daß die Dauermagnete 38 nicht durch das Magnetfeld der Wicklung 10 entmagnetisiert werden, z. B. bei einem Überstrom. Ein günstiges Verhältnis von Polschuh-Stirnflächen zu Jochquerschnittsfläche liegt zwischen 3 und 4.

F i g. 6 zeigt am Beispiel de^r Läuferscheibe 30 eine abgewandelte Ausführung, bei der die Lamellierung als spiralförmiger Blechwickel 42 (nach Art einer Uhrfeder) ausgebildet ist. Hierbei werden auch die von axialen Komponenten des Magnetflusses ausgebildeten Wirbelstrombahnen in der Läuferscheibe durch die Lamellierung unterbrochen. Mit 43 ist eine Halteplatte bezeichnet.

F i g. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Polschuhs in Seitenansicht, bei dem der Schenkelquerschnitt bei gleichbleibender Schenkelbreite mehr als linear zum freien Ende hin abnimmt. Dies ergibt neben einer verbesserten Führung des Magnetflusses zu den Stirnflächen hin einen größeren Wickelraum für die Ständerwicklung oder eine bessere Wickelraumausnutzung und damit einen kompakteren Aufbau.

Bei einem Ausführungsbeispiel waren die ungeradzahligen Polschuh-Stirnflächen 16 etwa 21 mm breit und 28,6 mm lang, die geradzahligen Polschuh-Stirnflächen 18 etwa 20 mm breit und 30 mm lang, der Außendurchmesser des Ständers zwischen zwei sich diametral gegenüberliegenden Axialkanten 26 oder 24 etwa 112 mm und der Abstand der Querjoche 14 zweier sich diametral gegenüberliegender ungeradzahliger Polschuhe etwa 90 mm lang.

Zur gegenseitigen Arretierung sind die Ständerwicklung 10 und die Polschuhe unter Freilassung der Polschuh-Stirnflächen und einer zentralen Bohrung für den Einbau der Läuferwelle in (nicht dargestelltes) Kunstharz eingegossen.

Es ist auch möglich, anstelle der einen Läuferscheibe eine Scheibe aus ferromagnetischem Material zur Ausbildung der Magnetkreise der Ständerpole (ohne Luftspalt) fest mit den zugekehrten Stirnflächen der Polschuhe zu verbinden und nur eine Läuferscheibe vorzusehen. Die Verwendung zweier Läuferscheiben ergibt jedoch bei kleinem Läuferdurchmesser ein höheres Drehmoment

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ständer für einen bürstenlosen Elektromotor mit axialem Luftspalt, mit einer zur Drehachse koaxialen Ständerwicklung und etwa U-förmigen, die Ständerwicklung abwechselnd in entgegengesetzten radialen Richtungen und in gleichen Winkelabständen übergreifenden lamellierten Polschuhen, die einer Dauermagnetpole aufweisenden Radialfläche wenigstens einer ferromagnetischen Läuferscheibe zugekehrte Stirnflächen mit radialen Symmetrieachsen aufweisen, wobei die Stirnflächen aller geradzahligen Polschuhe langgestreckte Rechtecke mit radialer Längssymmetrieachse sind und die Querjoche aller geradzahligen Polschuhe radial innen liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (16,18) aller Polschuhe (1 bis 8) e'wa gleich sind, daß die Quersymmetrieachsen (22) aller ungeradzahligen Polschuhe (1 , 3, 5, 7) radial verlaufen und daß die Ständerwicklung (10) aus in Umfangsrichtung abwechselnd geradlinigen und gebogenen Abschnitten besteht

2. Ständer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Jochquerschnitte der geradzahligen Polschuhe (2,4,6,8) etwa gleich den Jochquerschnitten der ungeradzahligen Polschuhe (1,3,5,7) sind.

3. Ständer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Breite der Stirnflächen (16,18) etwa 1,5 beträgt.

4. Ständer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ungeradzahligen Polschuhe (1,3,5,7) die geradlinigen Abschnitte der Ständerwicklung (10) von außen übergreifen.

5. Ständer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußeren Axialkanten (24, 26) der Polschuhe (1 bis 8) auf dem gleichen Umkreis liegen.

6. Ständer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dali der Querschnitt der Polschuh-Schenkel zu den freien Enden hin bei gleichbleibender Schenkelbreite abnimmt.

7. Ständer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Polschuh-Schenkel bis auf Null abnimmt.

8. Ständer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahme mehr als linear ist (F ig. 7).

9. Ständer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (16; 18) jedes Polschuhs drei- bis viermal größer als der kleinste Jochquerschnitt jedes Polschuhs ist.

10. Ständer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Jochquerschnitt zur Mitte der Querjoche hin abnimmt.

11. Ständer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Querjoche der Polschuhe eine Aussparung (40; 41) aufweisen.