DE2919581A1

DE2919581A1 - Zweipulsiger kollektorloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2919581A1
Application number: DE19792919581
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: 1979-05-15
Filing date: 1979-05-15
Publication date: 1980-11-27
Also published as: JPS55153268A; US4398134A; SG32187G; HK6085A; DE2919581C2; FR2457035A2; JPH0456542B2; GB2052883B; FR2457035B2; GB2052883A

Description

Zweipulsiqar, kollektorloser Gleichstrommotor (Zusatz zum DBP 2 346 3θθ)

Die Erfindung betrifft einen Motor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Motor ist aus dem DBP 2 346 380 bekannt. Dieser bekannte Motor hat sich in großen Stückzahlen außerordentlich bewährt. Es hat sich aber gezeigt, daß besonders relativ breite Statornuten den Momentenverlauf in unerwünschter Ueise beeinflussen können, ueil dann, wenn die Rotorpollücken über diese Nuten hinueglaufen, zuerst ein antreibendes Reluktanzmoment (durch die Luftspaltzunahme) und dann ein bremsendes Reluktanzmoment (durch'■ die Luftspaltabnahme) entsteht. Diese Momentenschuankungen sind.bei manchen Anwendungen unerwünscht, weil sie zu kurzzeitigen Drehzahlschwankunge •führen können, die zwar schwer meßbar sind, aber doch bei bestimmten Anwendungen stören können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den Momentenverlauf des. bekannten Motors weiter zu verbessern, besonders bei einem Motor mit einer im Verhältnis zum Polbogen großen Breite der Statornutöffnungen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Man erreicht so mit einfadi en Mitteln, daß das Reluktanzmoment bereits vor dem Augenblick antreibend wird, in dem die betreffende Rotorpol lücke über di-e Nutöffnung hinwegläuft, und daß es daher in diesem Bereich einen von wesentlichen Schwankungen freien Verlauf hat.

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Dabei geht man ferner *mit großem Vorteil■gemäß Anspruch 5 vor. Man erreicht so, daQ das antreibende Reluktanzmoment auch dann einen ueitgehend gleichmässigen Verlauf hat, Wenn· der im Anspruch 5 angegebene Uinkelbereich von den Rotorpollücken durchlaufen uird, und daß der Nulldurchgang des Reluktanzmoments, also die bevorzugte Startstellung des Rotors, dann vorliegt, uenn eine Rotorpollücke etwa der Stelle maximalen Luftspalts gegenüberliegt, und der Rotor deshalb beim Abschalten mit großer Sicherheit an dieser für den /\nTauf günstigsten Stelle zum Stehen kommt.

Eine weitere, uesentliche Verbesserung des Verlaufs des Reluktanzmoments erreicht man durch die Maßnahme nach Anspruch 6, also entweder durch eine Schrägung der Statorpole oder bevorzugt - eine Schrägung der Rotorpollücken mit dem Ziel, bei Opposition von Nutöffnung und Rotorpollücke die letztere so auszubilden, daQ sie sich vom einen Statorpolhorn über die Nut zum anderen Statorpolhorn erstreckt. , -

Ueitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem. im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Ueise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispiel, sowie aus den Unteransprüchen· Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gemäß der Linie I-I der Fig. dargestellte Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Motors, hier eines Außenläufermotors,

Fig. 2 eine Draufsicht von unten auf den Motor der Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Statorblechschnitt, der beim Motor nach den Fig. 1 und 2 verwendet wird, etwa im Vergrößerungsmaßstab 2:1,

Fig. 4 eine Darstellung eines Ausschnitts aus Fig. 4, etua im Uergrößf^rungsmaßstab 5:1 und

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung des Luftspaltverlaufs bei dem Motor nach den Figuren 1 bis 4 über einem Teil des Statorumfangs.

Fig. 1 zeigt etwa im Maßstab 1:1 einen Außenläufermotor 10 mit einer tiefgezogenen Rotorglocke 11 aus Stahl, die in ihrer Mitte über eine Buchse^ ^m^ ^Bi^ner UbIIb 13 verbunden ist, uelch letztere außerhalb des Motors 10 in schematisch dargestellten Lagern 14 gelagert ist. In die Innenseite 15 der Rotorglocke ist ein Magnetring 16 eingeklebt, der gewöhnlich aus einem sogenannten Gummimagneten besteht, also aus einer Mischung aus Hartferriten und elastomere!!» Uerkstoff. Der Magnetring 16 ist radial magnetisiert und hat vier Pole, vergl. Fig. 5, in dar , ' zuei Rotorpole dargestellt sind. Die Pollücken 17 des Rotormagneten 16 sind stark geschrägt und verlaufen bei dem dargestellten vierpoligen Motor unter etua 45°, uie das Fig. 1 zeigt. Ihre Schrägung uird so gewählt, daß sich ein gleichmässiger Lauf, also ein gleichmässiges Drehmoment, ergibt. Die Schrägung hängt natürlich von der Höhe des mit 18 bezeichneten Statorblechpakets und von dessen Nutbreite N (Fig. 5) ab. Das Statorblechpaket 18 ist - außer am Luftspalt 19 - mit Kunststoff so umspritzt, daß sich Wickelkörper 22 bilden, die in Fig. 1 angedeutet sind, und in diese uerden vier Statoruicklungen eingewickelt, von denen in den Fig. 1 und 2 nur die Uicklungen 23, 24 und 25 sichtbar sind. Die Uicklungen sind so geactnaltet, uie das Fig. 1 des DBP 23 46 oder die Bilder 2 und 3 des Aufsatzes von Müller "Zueipulsige kollektorlose Gleichstrommotoren" in der Zeitschrift asr-digest für angewandte Antriebstechnik, Heft 1-2/77 zeigen. Pro Rotordrehung von 360° el uerden also der Uicklung zuei Stromimpulse zugeführt, die typisch jeweils eine Dauer von weniger als 180 el haben, so daß Lücken im elektromagnetischen Antriebsmoment entstehen. Diese Lücken uerden durch ein Reluktanzmanent gefüllt, uie das das DBP 23 46 380 anhand von Fig. 5 beschreibt, ebenso die Literaturstelle asr anhand von Bild 9. Um unnötige Längen

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zu vermeiden, wird zu diesen Punkten ausdrücklich auf die genannten Veröffentlichungen verwiesen souie darauf, daß der gesamte Inhalt des DBP 23 46 380 integraler Bestandteil der vorliegenden Beschreibung und Zeichnung ist.

Die Drehrichtung des Motors 10 ist in den Fig. 1 und 5 mit 26 bezeichnet.

Das Statorblachpaket 18 ist innen mit einer Öffnung 27 versehen, durch uelche die Buchse 12 durchragt, ferner mit drei Befestigungslöchern 28 zur Befestigung an einem anzutreibenden Gerät, in dem sich in der Praxis auch die Lager 14 für den Rotor befinden·

An der Unterseite des Motors 10, bezogen auf Fig. 1, befindet sich eine Leiterplatte 29, die an \/orsprüngen der Wickelkörper 22 an drei Stellen 32, 33 und 34 befestigt ist und die uie dargestellt Anschlußstifte 35, Bauelemente 36 und einen bei

37 angedeuteten Hallgenerator tragt, der uie dargestellt etua über der Nutöffnung zwischen zuei Statorpolen liegt, uie das auch im DBP 23 46 380 für den Hallgenerator 25 in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Zum Erzeugen einer magnetischen Gegenkopplung ist dieser Hallgenerator 37 etua 1 mm in Drehrichtung das Rotors versetzt, wie das Gegenstand des DBP 2 612 ist.

Der Hallgenerator 37 dient genauso uie beim Stammpatent zur Steuerung der Ströme in den Motoruicklungen und wird vom Magnetfeld des Rotormagneten 16 gesteuert. Ferner ist eine Gummibuchse

38 zur Befestigung eines Kabels in der Leiterplatte 29 vorgesehen. Die einzelnen Anschlüsse der Wicklungen 23, 24, 25 etc. sind an entsprechenden Punkten'der Leiterplatte 29 festgelötet.

Das Statorblechpaket 18 hat, uie in Fig. 3 dargestellt, vier ausgeprägte Pole 40, 41, 42, 43 von identischer Form, die durch Nutöffnungen 44 getrennt sind, uelche zu Nuten 45 führen, in die

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gemäß den Fig· 1 und ⁴2 die Wicklungen eingeuickelt werden. Uie bereits beschrieben, sind diese Nuten 45 zur Isolation mit einem Isolierstoff 46 ausgekleidet, der in Fig. 4 mit strichpunktierten Linien angedeutet ist und einen integralen Bestandteil der Wickelkörper 22 bildet.

Bei der Motorbauart nach der Erfindung ist der Verlauf des Luftspalts - in Verbindung mit der Magnetisierung des Rotormagneten 16 - besonders wichtig, um die gewünschte Form des Reluktanzmoments zu erhalten. Erwünscht wäre im Prinzip ein völlig monotoner, also von Diskontinuitäten freier Verlauf des Luftspalts, doch läßt sich das in der Praxis nicht durchführen, da man zum Einbringen der Wicklung Nutöffnungen 44 braucht, die eine bestimmte Mindestbreite haben müssen. Beim dargestellten Motor hat das Statorblechpaket 18 z.B. einen Durchmesser von 56 mm, und die Nutöffnungen haben eine Breite von 3 mm, damit man die Wicklung einigermaßen bequem einbringen kann. Diese Nutöffnungen können deshalb Drehmomentschwankungen verursachen, die gewiß bei der Mehrzahl alier Applikationen völlig ohne Bedeutung sind, aber bei einzelnen, besonders sensitiven Applikationen doch stören können. Die vorliegende Erfindung befaßt sich also insbesondere mit der Reduzierung dieser Drehmomentschwankungen und hat natürlich besondere Bedeutung für kleine Motoren, da bei diesen die Breite der Nutöffnungen im Verhältnis zur Polbreite groß ist. Im vorliegenden Fall beträgt dieses Verhältnis z.B. rund 7 %, und es nimmt naturgemäß mit steigendem Motordurchmesser ab und hat dann weniger Einfluß auf den Verlauf des Drehmoments.

Fig. 5 zeigt in stark vergrößertem Maßstab den Verlauf des Luftspits über einer Polbreite, also über 180 el. Dieser Luftspaltverlauf ist bei allen vier Statorpolen derselbe und wird deshalb nur für den Statorpol 41 dargestellt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen mit strichpunktierten Linien den Kreis 49, der die kreiszylindrische Umhüllende des Statorblechpakets 18 darstellt. An der Stelle 50, also in Fig. 4

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auf dem oberen Polhorp 51, befindet sich die Stelle kleinsten Luftspalts, und an der Stelle 52, also in Fig. 4 auf dem unteren Polhorn 53, befindet sich die Stelle größten Luftspalts. Der Rotormagnet 16 ist genau uie beim DBP 23 46 380 trapezförmig magnetisiert (vgl. dort Fig. 5 a) und hat enge (magnetische) Lücken 17 (ca. 10 bis 20 el.) zwischen seinen Polen. Diese Lücken 17 sind wie beschrieben und in Fig. 1 dargestellt geschrägt. Im Ruhezustand, also wenn der Motor 10 stromlos ist, stellen sich diese Lücken 17 den Stellen 52 größten Luftspalts gegenüber, wie das in Fig. 5 angedeub et ist (Nulldurchgang des Reluktanzmoments.) Zwischen den Stellen 50 und 52 nimmt der Luftspalt 19 monoton zu, etwa nach einer Funktion der Form y = a.x , wobei y die Größe des Luftspalt^ und χ der Drehwinkel ist und etwa ~T" der" "Stelle 50 der NuIl-

31 ν die uroüe di auf der.HöhjB. ,, ja . der Stellt dθy* x~AchsG
punRt anzunehmen wäre. Von der Stelle 52 ausgehend nimmt der Luftspalt dann in Richtung zur benachbarten Nutöffnung 44 stark ab, und zwar fast auf den .Uert an der Stelle 50. Beim Ausführungsbeispiel beträgt z.B. die' L'uftspaltgröße an der Stelle 50 (25° el in Fig. 5) etwa 1.mm, an der Stelle 52 (16O° el) etwa 3 mm, und direkt an der Nutöffnung 44, also bei etwa 172° el, etwa 1, 5 mm, uie man Fig. 5 direkt entnehmen kann. An der anderen Seite der Nutöffnung 44, also bei etwa 188 el, beträgt der Luftspalt etwa 1,25 mm, steigt dann sehr

rasch an und erreicht bei etwa 192° el ein Zwischenmaximum 53 von etwa 1,6 mm, und fällt riann wieder bis zur Stelle 50' (entsprechend der Stelle 50), also bis 205 el, auf ein Minimum von ca· 1 mm ab.

Anders als beim Hauptpatent liegt also zwischen dem Minimum 50 (bzw. 50') und der benachbarten Nutöffnung 44 ein Abschnitt 54, an dem der Luftspalt 19 ein Zwischenmaximum 53 durchläuft, und dieser Abschnitt 54 ist relativ kurz und hat beim Ausführungsbeispiel nur eine Länge von ca. 15 el. Es hat sich gezeigt, daß mit dieser einfachen Maßnahme die durch die relativ breiten Nutöffnungen 44 verursachten Drehmomentschwankungen weitgehend beseitigt werden können, insbesondere in Verbindung

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mit der beschriebene^ Schrägung dar Rotorpollücken 17· Bei einem Stator 18 für einen Außenläufermotor 10 kann dieser Abschnitt 53 zusammen mit der Umhüllenden 49 bevorzugt ntua die Form einer bikonvexen Linse haben, vgl. Fig. 4. Naturgemäß ist aber immer nur der V/erlauf des magnetisch wirksamen Luftspelts 16 maßgebend, und es wird hierzu uie beim Hatptpatent suf die US-PS 2 185 990 hingewiesen, die zeigt, mit wieviel verschiedenen Blechschnittformen man denselben magnetisch wirksamen Luftspalt erzeugen kann. Wesentlich erscheint, daß ein antreibendes Reluktanzmoment entsteht, wenn bsi der erfindung^gemäßen Luftspaltform die Rotorpollücken 17 jeweils über eine Statornutöffnung 44 hinweglaufen, und der Rotor nicht an einer Kante der Nutöffnung 44 - durch den im Bereich dieser Nutöffnung stark ztfiehrnenden Luftspalt abgebremst wird, und daß er seine Ruhelage dort einnimmt, wo die Rotorpollücken 17 den Stellen 52 größten Luftspalts gegenüberliegen·

Clan kann sich den Effekt der Erfindung auch so veranschaulichen, daß man sich den Ort der Drehmomenterzeugung in die Rotorpollücken 17 verlagert denkt: Uenn diese ein Gebiet zunehmenden Luftspalts durchlaufen, erzeugen sie ein antreibendes Drehmoment, und wenn sie ein Gebiet abnehmenden Luftspalts durchlaufen, erzeugen sie ein bremsendes Drehmoment· Man kann sich nun die Rotorpollücken 17 als stark kurzsichtig vorstelleni d.h. wenn sie in Fig. 5 dsn zusätzlichen Eisenvolumina 60 und 61 beiderseits der Nutöffnung 44 gegenüberliegen, so "sehen" sie statt der Nutöffnung 44 ein mittleres Eisenvolumen, das etwa einem monotonen Luftspaltverlauf zwischen den beiden Extrempunkten 5 0 und 52 entsprechen würde. Wichtig ist dabei, daß diese zusätzlichen Eisenvolumina 60 und 61 beiderseits der Mutöffnung 44 jeweils auf einen engen Uinkelbereich von etwa 5...10° el konzentriert sind. Es entstehen so an den Polhörnern 51 , 53 charakteristische Spitzen 60', 61', die in Richtung zum Luftspalt 19 wnisen· In dor Abwicklung gemäß Fig. 5 wird das besonders deutlich. - Naturgemäß kann dasselbe Prinzip auch bei einem Innenläufermotor angewendet werden. Man muß sich dazu nur Fig. 5 auf einem Gummiband gezeichnet denken: Für

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einen Außenläufermotor muß man das Gummiband nach oben bieg on", für einen Innenläufermotor nach unten·

Naturgemäß könnte man statt geschrägter Rotorpollücken 17 .auch gerade Pollücken verwenden, uenn stattdessen die Statorpole 40 bis 43 entsprechend geschrägt sind, also die Nutöffnungen 44 z.B. unter einem Winkel von etua 26° bis 45° verlaufen.

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Claims

PAPST-MOTOREN KG 1^. 5". 1979

St. Georgen P61.32 D113/m

DT-235

Ansprüche

Zueipulsiger kollektorloser Gleichstrommotor mit einem etwa zylindrischen Luftspalt und mit einem permanentmagnetischen Innen- oder Außenrotor mit schmale Pollücken aufweisender,' etwa trapezförmiger Magnetisierung,

mit einer von einem Drehstellungsdetektor gesteuerten, im Betrieb ein Uechselfeld und damit ein Lücken aufweisendes elektromagnetisches Antriebsmoment erzeugenden Wicklung, ferner mit einem durch Veränderungen des dem Luftspalt zugewandten Statorblechpaketdurchmessers verursachten, über dem Drehuinkel unterschiedlichemLuftspalt, welcher so ausgebildet ist, daß der Drehuinkelbereich, in dem der Rotor im Betrieb ein elektromagnetisches Antriebsmoment erhält, etwa mit dem Uinkelbereich zusammenfällt, in dem die Pollücken ein Gebiet in Drehrichtung abnehmenden magnetisch wirksamen Luftspalts durchlaufen, und daß der Drehwinkelbereich, in dem der Rotor im Betrieb kein elektromagnetisches Antriebsmoment erhält, etwa mit d'em Uinkelbereich zusammenfällt, in dem die Pollücken im Betrieb ein Gebiet in Drehrichtung zunehmenden magnetisch wirksamen Luftspalts durchlaufen, wobei im Bereich beiderseits der Nutöffnungen der magnetisch wirksame Luftspalt jeweils etwas verringert ist, um durch diese Nutöffnungen verursachte Unstetigkeiten des Flotor-Drehmoments zu reduzieren, nach DBP 23 46 380,

dadurch gekennzeichnet, daß jeweils auf dem die Stelle kleinsten Luftspalts (50) aufweisenden Statorpolharn (51) der Luftspalt (19) von der Nutöffnung (44) ausgehend zuerst _zu_ und dann bis zur Stelle kleinsten Luftspalts (50, 50') abnimmt (Abschnitt 54).

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2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils auf dem dia Stelle kleinsten Luftspalts (50, 50') aufweisenden Polhorn (51) der Luftspaltverlauf ab der Nutöffnung (44), bezogen auf eine den Stator umgebende zylindrische Umhüllende (49), bei einem Außenläufermotor (1O) etwa die Querschnittsform einer bikonvexen Linse hat·
3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der linsenförmige Querschnitt über einen Abschnitt (54) von etwa 7...20 el erstreckt·
4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß direkt an der.. Nutöffnung (44) die Luftspaltgröße auf beiden Seiten der Nutöffnung jeueils so ist» daß sie

ihrem nächstbenachbarten Maximum (52) hin zunimmt.
5· Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeueils auf dem die Stelle größten Luftspalts (52) aufwendenden Statorpolhorn (53) der Luftspalt in einem Uinkelbereich von etwa 10...20 el in Richtung von der Nutöffnung (44) ueg auf ein Maximum zunimmt, das größer ist als der größte Luftspalt (53) auf dem die Stelle kleinsten Luftspalts aufweisenden Statorpolhorn (51), und daß anschließend an dieses Maamura (52) der Luftspalt wieder al 1 mäh!i ch abnimmt.
6. Motor· nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch" gekennzeichnet, daß die Rotorpollücken (17) bei einer Lage gegenüber dsn Statornutöffnungen (44) einen spitzen Uinkel mit diesen einschließen.
7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Uinkel etwa 2o° bis 45 ° beträgt.
8. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpolhörnsr (51, 53) spitz zulaufen (60¹), (61¹) und etwa in Richtung zum Rotor (l

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zeigen·
9. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem beiderseits der Nutöffnungen jeweils zusätzliche, den Luftspalt verkleinernde Eisenvolumina vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Eisenvolumina (60, 61) jeweils inner- Uink el bereich? von etwa 5...10 el konzentriert sind.
10. Verwendung bei einem Außenläufermotor (1O) mit einer Breite (N) der Nutöffnungen (A4), die jeweils mehr als 5 ·/, eines Polbogens (180 el) beträgt.

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