DE2919581C2

DE2919581C2 -

Info

Publication number: DE2919581C2
Application number: DE2919581A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr.-Ing. 7742 St Georgen De 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: 1988-07-07
Also published as: GB2052883B; HK6085A; US4398134A; FR2457035A2; JPH0456542B2; JPS55153268A; GB2052883A; DE2919581A1; FR2457035B2; SG32187G

Description

Die Erfindung betrifft einen Motor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Motor ist aus der DE-PS 23 46 380 bekannt. Dieser bekannte Motor hat sich in großen Stückzahlen außerordentlich bewährt. Es hat sich aber gezeigt, daß besonders relativ breite Statornuten den Momentenverlauf in uner wünschter Weise beeinflussen können, weil dann, wenn die Rotorpollücken über diese Nuten hinweglaufen, zuerst ein antreibendes Reluktanzmoment (durch die Luftspaltzunahme) und dann ein bremsendes Reluktanzmoment (durch die Luftspaltabnahme) entsteht. Diese Momentenschwankungen sind bei manchen An wendungen unerwünscht, weil sie zu kurzzeitigen Drehzahlschwankungen führen können, die zwar schwer meßbar sind, aber doch bei bestimmten Anwendungen stören können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den Momenten verlauf 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 kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen. Man erreicht so mit einfachen Mitteln, daß das Relutanzmoment bereits vor dem Augenblick an treibend wird, in dem die betreffende Rotorpollücke über die Nut öffnung hinweigläuft, und daß es daher in diesem Bereich einen von wesentlichen Schwankungen freien Verlauf hat.

Dabei geht man ferner mit großem Vorteil gemäß Anspruch 5 vor. Man erreicht so, daß das antreibende Reluktanzmoment auch dann einen weitgehend gleichmäßigen Verlauf hat, wenn der Statornut bereich von den Rotorpollücken durchlaufen wird, und daß der Nulldurchgang des Reluktanzmoments, also die bevorzugte Start stellung des Rotors, dann vorliegt, wenn eine Rotorpollücke etwa der Stelle maximalen Luftspalts gegenüberliegt, und der Rotor deshalb beim Abschalten mit großer Sicherheit an dieser für den Anlauf günstigsten Stelle zum Stehen kommt.

Eine weitere, wesentliche Verbesserung des Verlaufs des Reluk tanzmoments 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, daß sie sich vom einen Statorpolhorn über die Nut zum anderen Statorpolhorn erstreckt.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Er findung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gemäß der Linie I-I der Fig. 2 dargestellte Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Motors, hier eines Außenläufer motors,

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 Ver größerungsmaßstab 2 : 1,

Fig. 4 eine Darstellung eines Ausschnitts aus Fig. 4, etwa im Vergrößerungsmaßstab 5 : 1 und

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung des Luftspaltverlaufs bei dem Motor nach den Fig. 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 12 mit einer Welle 13 verbunden ist, welch letztere außerhalb des Motors 10 in schematisch dargestellten Lagern 14 gelagert ist. In die Innenseite 15 der Rotorglocke 11 ist ein Magnetring 16 eingeklebt, der gewöhnlich aus einem so genannten Gummimagneten besteht, also aus einer Mischung aus Hartferriten und elastomerem Werkstoff. Der Magnetring 16 ist radial magnetisiert und hat vier Pole, vergl. Fig. 5, in der zwei Rotorpole dargestellt sind. Die Pollücken 17 des Rotormagneten 16 sind stark geschrägt und verlaufen bei dem dargestellten vierpoligen Motor unter etwa 45°, wie das Fig. 1 zeigt. Ihre Schrägung wird so gewählt, daß sich ein gleichmäßiger Lauf, also ein gleichmäßiges Drehmoment ergibt. Die Schrägung hängt natürlich von der Höhe des mit 18 bezeichneten Statorbleckpakets 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 werden vier Statorwicklungen eingewickelt von denen in den Fig. 1 und 2 nur die Wicklungen 23, 24 und 25 sichtbar sind. Die Wicklungen sind so gestaltet, wie das Fig. 1 des DE-PS 23 46 380 oder die Bilder 2 und 3 des Aufsatzes von Müller "Zweipulsige kollektorlose Gleichstrommotoren" in der Zeitschrift asr-digest für angewandte Antriebstechnik, Heft 1-2/77 zeigen. Pro Rotor drehung von 360° el werden also der Wicklung zwei Stromimpulse zugeführt, die typisch jeweils eine Dauer von weniger als 180° el haben, so daß Lücken im elektromagnetischen Antriebsmoment entstehen. Diese Lücken werden durch ein Reluktanzmoment gefüllt, wie das das DE-PS 23 46 380 anhand von Fig. 5 beschreibt, ebenso die Literaturstelle "asr" anhand von Bild 9. Um unnötige Längen zu vermeiden, wird zu diesen Punkten ausdrücklich auf die genannten Veröffentlichungen verwiesen.

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

Das Statorblechpaket 18 ist innen mit einer Öffnung 27 ver sehen, durch welche 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 Vorsprüngen der Wickelkörper 22 an drei Stellen 32, 33 und 34 befestigt ist und die wie dargestellt Anschlußstifte 35, Bauelemente 36 und einen bei 37 angedeuteten Hallgenerator trägt, der wie dargestellt etwa über der Nutöffnung zwischen zwei Statorpolen liegt, wie das auch im DE-PS 23 46 380 für den Hallgenerator 25 in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Zum Erzeugen einer magnetischen Gegenkopplung ist dieser Hallgenerator 37 etwa 1 mm in Dreh richtung des Rotors versetzt, wie das Gegenstand des DE-PS 26 12 464 ist.

Der Hallgenerator 37 dient genauso wie beim Hauptpatent zur Steuerung der Ströme in den Motorwicklungen und wird vom Magnet feld des Rotormagneten 16 gesteuert. Ferner ist eine Gummibuchse 38 zur Befestigung eines Kabels in der Leiterplatte 29 vorge sehen. Die einzelnen Anschlüsse der Wicklungen 23, 24, 25 etc. sind an entsprechenden Punkten der Leiterplatte 29 festgelötet.

Das Statorblechpaket 18 hat, wie in Fig. 3 dargestellt, vier aus geprägte Pole 40, 41, 42, 43 von identischer Form, die durch Nutöffnungen 44 getrennt sind, welche zu Nuten 45 führen, in die gemäß den Fig. 1 und 2 die Wicklungen eingewickelt werden. Wie 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.

Beim Motor nach der Erfindung ist der Verlauf des Luftspalts - in Verbindung mit der Magnetisierung des Rotor magneten 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 darge stellten Motor hat das Statorblechpaket 18 z. B. einen Durch messer 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 aller 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 Be deutung für kleine Motoren, da bei diesen die Breite der Nut öffnungen 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 Luftspalts 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 Stator blechpakets 18 darstellt. An der Stelle 50, also in Fig. 4 auf dem oberen Polhorn 51, befindet sich die Stelle kleinsten Luftspalts, und an der Stelle 52, also in Fig. 4 auf dem unteren Polhorn 55, befindet sich die Stelle größten Luft spalts. Der Rotormagnet 16 ist genau wie bei der DE-PS 23 46 380 trapezförmig magnetisiert (vgl. dort Fig. 5a) 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 angedeutet 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 ^b, wobei y die Größe des Luftspalts und x der Drehwinkel ist und etwa auf der Höhe der Stelle 50 der Null punkt der x-Achse anzunehmen wäre. Von der Stelle 52 ausgehend nimmt der Luftspalt dann in Richtung zur benachbarten Nutöffnung 44 stark ab, und zwar fast auf den Wert an der Stelle 50. Beim Ausführungs beispiel beträgt z. B. die Luftspaltgröße an der Stelle 50 (25° el in Fig. 5) etwa 1 mm, an der Stelle 52 (160° el) etwa 3 mm, und direkt an der Nutöffnung 44, also bei etwa 172° el, etwa 1,5 mm, wie 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 dann 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 Aus führungsbeispiel 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 mit der beschriebenen Schrägung der Rotorpollücken 17. Bei einem Stator 18 für einen Außenläufermotor 10 kann dieser Abschnitt 53 zusammen mit der Umhüllenden 49 bevorzugt etwa die Form einer bikonvexen Linse haben, vgl. Fig. 4. Naturgemäß ist aber immer nur der Verlauf des magnetisch wirksamen Luftspalts 16 maßgebend, und es wird hierzu wie beim Haupt patent auf die US-PS 21 85 990 hingewiesen, die zeigt, mit wieviel verschiedenen Blechschnittformen man denselben magnetisch wirksamen Luftspalt erzeugen kann. Wesentlich er scheint, daß ein antreibendes Reluktanzmoment entsteht, wenn bei der erfindungsgemäßen 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 zunehmenden Luftspalt - abgebremst wird, und daß er seine Ruhelage dort einnimmt, wo die Rotorpollücken 17 den Stellen 52 größten Luftspalts gegen überliegen.

Man kann sich den Effekt der Erfindung auch so veranschaulichen, daß man sich den Ort der Drehmomenterzeugung in die Rotor pollücken 17 verlagert denkt: Wenn diese ein Gebiet zunehmenden Luftspalts durchlaufen, erzeugen sie ein antreibendes Dreh moment, und wenn sie ein Gebiet abnehmenden Luftspalts durch laufen, erzeugen sie ein bremsendes Drehmoment. Man kann sich nun die Rotorpollücken 17 als stark kurzsichtig vorstellen, d. h. wenn sie in Fig. 5 den 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 50 und 52 entsprechen würde. Wichtig ist dabei, daß diese zusätzlichen Eisenvolumina 60 und 61 beiderseits der Nutöffnung 44 jeweils auf einen engen Winkelbereich von etwa 5 . . . 10° el konzentriert sind. Es entstehen so an den Polhörnern 51, 55 charakteristische Spitzen 60′, 61′, die in Richtung zum Luft spalt 19 weisen. In der Abwicklung gemäß Fig. 5 wird das be sonders deutlich. - Naturgemäß kann dasselbe Prinzip auch bei einem Innenläufermotor angewendet werden. Man muß sich dazu nur Fig. 5 auf einem Gummiband gezeichnet denken: Für einen Außenläufermotor muß man das Gummiband nach oben biegen, für einen Innenläufermotor nach unten.

Naturgemäß könnte man statt geschrägter Rotorpollücken 17 auch gerade Pollücken verwenden, wenn statt dessen die Statorpole 40 bis 43 entsprechend geschrägt sind, also die Nutöffnungen 44 z. B. unter einem Winkel von etwa 20° bis 45° verlaufen.

Claims

1. Zweipulsiger 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 Wechselfeld und damit ein Lücken aufweisendes elektromagnetisches Antriebsmoment erzeugenden Wicklung, ferner
mit einem durch Veränderungen des dem Luftspalt zugewandten Statorblechpaketdurchmessers verursachten, über dem Dreh winkel unterschiedlichem Luftspalt, welcher so ausgebildet ist, daß der Drehwinkelbereich, in dem der Rotor im Betrieb ein elektromagnetisches Antriebsmoment erhält, etwa mit dem Winkelbereich 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 dem Winkelbereich zusammenfällt, in dem die Pollücken im Betrieb ein Gebiet in Drehrichtung zunehmenden magnetisch wirksamen Luftspalts durchlaufen, wobei im Bereich beiderseits der Nutöffnungen der magnetich wirksame Luftspalt jeweils etwas verringert ist, um durch diese Nutöffnungen verursachte Unstetigkeiten des Motor-Drehmomentes zu reduzieren, nach Patent 23 46 380,
dadurch gekennzeichnet, daß jeweils auf dem die Stelle kleinsten Luftspalts (50) aufweisenden Statorpolhorn (51) der Luftspalt (19) von der Nutöffnung (44) ausgehend zuerst zu- und dann bis zur Stelle kleinsten Luftspalts (50, 50′) abnimmt (Abschnitt 54).

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils auf dem die Stelle kleinsten Luftspalts (50, 50′) aufwei senden Polhorn (51) der Luftspaltverlauf ab der Nutöffnung (44), bezogen auf eine den Stator umgebende zylindrische Umhüllende (49), bei einem Außenläufermotor (10) 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 gekennzeich net, daß direkt an der Nutöffnung (44) die Luftspaltgröße auf beiden Seiten der Nutöffnung jeweils so verläuft, daß sie zu ihrem nächstbenachbarten Maximum (52, 53) hin zu nimmt.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß auf dem die Stelle größten Luftspalts (52) aufwei senden Statorpolhorn (55) dessen relatives Maximum (52) größer ist als das Maximum (53) auf dem die Stelle kleinsten Luftspalts aufweisenden Statorpolhorn (51), und daß an schließend an dieses Maximum (52) der Luftspalt wieder all mählich abnimmt.

6. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Rotorpollücken (17) bei einer Lage gegenüber den Statornutöffnungen (44) einen spitzen Winkel mit diesen einschließen.

7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel etwa 20° bis 45° beträgt.

8. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpolhörner (51, 55) spitz zulaufen (60), (61′) und etwa in Richtung zum Rotor (16) zeigen.

9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die bei den Spitzen (60′, 61′) der Statorpolhörner (55, 51) mit ihren Volumina (60, 61) jeweils innerhalb eines Winkelbe reichs von 5° . . . 10° el konzentriert sind.

10. Motor nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt über dem Statorpolbogen monoton zunimmt, etwa nach einer Funktion der Form y = a · x ^b, wobei y die Größe des Luftspalts und x der Drehwinkel ist und etwa auf der Höhe der Stelle (50) des kleinsten Luftspaltwertes der Nullpunkt der x-Achse liegt.

11. Motor nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt direkt an der Nut (44) beim Polhorn (51) mit der Stelle des kleinsten Luftspalts (50) (Spitze 61′) klei ner ist als beim Polhorn (55) mit der Stelle des größten Luftspalts (52) (Spitze (60′).

12. Verwendung von Statorpolblechen nach einem der vorhergehen den Ansprüche bei einem Außenläufermotor (10) mit einer Breite (N) der Nutöffnungen (44), die jeweils mehr als 5% eines Polbogens (180° el) beträgt.