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Mit einem Tachogenerator für seine Drehzahlregelung
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versehener kollektorloser Gleichstrommotor (Zusatz zu P 27 30 142.4-32)
Die Erfindung betrifft einen Motor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher
Motor ist vorgeschlagen worden in der DE-OS 2 730 142. Die Windungen der Tachowicklung
liegen hier neben der Statorwicklung im flachen Luftspalt des Hauptmagneten, und
Stromänderungen in der Statorwicklung induzieren deshalb in der Tachowicklung Spannungen,
die bei einer präzise arbeitenden Regelung stören. Andererseits würde eine Anordnung
des Tachogenerators an einer anderen Stelle des Motors dessen axiale Länge erheblich
vergrößern, besonders, wenn eine magnetische Abschirmung zwischen Motor und Tachogenerator
vorgesehen wird.
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Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motor
der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei kompaktem Aufbau, insbesondere'kurzer
Länge in Richtung seiner Drehachse, ein störarmes Tachosignal liefert welctes mit
zunehmendem Alter des Motors zumindest gleichbleibt oder sogar besser wird, um z.B.
bei einem drehzahlgeregelten Direktantriebsmotor für Plattenspieler oder dergleichen
das Gleichlaufverhalten mit zunehmender Alterung allenfalls zu verbessern, mindestens
aber gl eichzuhalten.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die im Anspruch
1 angegebenen maßnahmen. Durch die Anordnung des Tachogenerators im Raum zwischen
Drehachse und Rotormagnet ergibt
sich eine kompakte, gedrungene
Anordnung, wobei Streufelder von der Statorwicklung oder dem Rotor in diesem Bereich
weniger stark wirken als im Luftspalt des Motors und bei Bedarf auch noch in der
üblichen Weise durch Eisenbleche oder dergleichen abgeschirmt werden können. Da
das Axiallager des Rotors erfahrungsgemäß mit zunehmendem Alter noch etwas einsinkt
und daher der Luftspalt des Tachogenerators kleiner wird, erhöht- sich dessen Ausgangsspannung
mit zunehmendem Alter des Motors, so daß sich die Gleichlaufeigenschaften mit zunehmendem
Alter werbessern.
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Weitere Einzelhesiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten,
in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispiel,
sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt: Fig. 1 einen Schnitt durch ein bevorzugtes
Ausführungsbelspiel eines erfindungsgemäßen Motors, gesehen längs der Linie I-I
der Fig. 2, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Statorwicklung des Motors nach Fig. ,
gesehen etwa längs der Linie II-II derFTgl 1, wobei Einzelheiten der Welle und ihrer
Lagerung weggelassen sind, Fig. 3 eine Darstellung der Tachowicklung in gegenüber
Fig. 1 und 2 vergrößertem Maßstab und gesehen etwa längs der Linie III-III der Fig.
1, wobei ebenfalls Welle und Lageranordnung des Motors nicht dargestellt sind, und
Fig. 4 ein Schaubild zur Erläuterung einer bevorzugin AusbIldung des Tachogenerators.
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Der Motor 10 nach den Fig. 1 und 2 ist im Prinzip gleich aufgebaut
wie der Motor nach Fig. 8 und 9 der DOS 27 30 142, wobei
die Spulenvariante
141 gemäß der dortigen Fig.9 verwendet - - -wird. Es wird deshalb zur Vermeidung
überflüssiger Längen auf die gesamte dortige Beschreibung und Zeichnung ausdrücklich
Bezug genommen.
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Der mit 11 bezeichnete Stator weist eine Basisplatte 12 aus einem
weichferromagnetischen Werkstoff, typisch Eisen, auf, die als magnetischer Rückschluß
dient und gleichzeitig die vier Statorspulen 13, 14, 15, 16, ein Axiallager 17 und
ein Lagerrohr 18 für die mit 19 bezeichnete Rotorwelle trägt. Das Lagerrohr 18 ist,
wie bei langsamlaufenden Motoren üblich, als Gleitlager ausgebildet, könnte naturgemäß
aber auch Wälzlager aufnehmen. Das Axiallager 17 ist ebenfalls ein Gleitlager und
weist eine Kunststoffscheibe 19 auf, gegen die eine Spurkuppe 20 der Welle 9 anliegt.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß diese Spurkuppe 20 mit der Zeit noch etwas
in die Kunststoffscheibe 19 einsinkt, z.B. um o,2 ... o,3 mm, und dieser Umstand
wirkt sich bei der vorliegelnden Erfindung in einer Verbesserung der Qualität des
Motors aus, wie nachfolgend erläutert wird. - Zur Einstellung des Axiallagers 17
ist eine Einstellschraube 23 vorgesehen.
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Die Basisplatte 12 ist, wie dargestellt, mit einem Kunststoff-Formstück
24 umspritzt, welches a) das Lagerrohr 18 durch Eindringen in dessen Ringnuten 25,
26, 27 sicher befestigt, b) die Schraube 23 des Axiallagers 17 in ihrer zentralen
Ausnehmung 28 faßt, c) zur Führung,der, alr umspritztes T-eil vorgesehen-, -schwer
gängigen Einstellschraube 23 dient, d) die Spulen 13 bis 16 durch einen oberen Kragen
29 festhält, e) Hohlräume 32, 33 aufweist, die von Vorsprüngen im Spritzwerkzeug
für die Fixierung der Statorspulen herrühren und f) eine Leiterplatte 34, die als
Träger für einen Hallgenerator 35 oder ein sonstiges galvanomagnetisches Sensorelement
dient, mittels zweier Kunststoffniete 36, 37 festhält, welche nach dem Montieren
dieser Leiterplatte durch Warmstauchen von Vorsprüngen des Formstücks 24 erzeugt
werden.
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Ferner enthalten das Formstück 24 und die Basisplatte 12 eine Durchführung
38 zum Durchleiten der Anschlußdrähte 39 eines insgesamt mit 40 bezeichneten Tachogenerators,
wobei die Drähte 39 zur Leiterplatte 34 geführt und dort angelötet sind.
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Die Basisplatte 12 und das Kunststoff-Formstück 24 einschließlichter
vier Spulen 13 bis 16 bilden also zusammen einen kompakten Stator 11 einschließlich
eines magnetischen Rückschlusses für den mit 44 bezeichneten Rotor des Motors lo.
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Dieses konstruktive Konzept für den Stator ist natürlich nicht nur
für eine Anordnung gemäß Stammpatent, sondern für alle Motorprinzipien mit stehendem
Rückschluß und ebenem Luftspalt erfinderisch wertvoll.
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Die Leiterplatte 34 ist auf ihrer Oberseite mit einer gedruckten
Schaltung versehen und trägt ferner elektrische Bauelemente 45, z.B. aie Leistungstransistoren
für die Ansteuerung der Spulen 13 bis 16, Widerstände etc. Sie ist in ihrer Form
an die der Spulen 13 bis 16 angepaßt und erstreckt sich mit einer Zunge 46 bis weit
in den Luftspalt 47 des Rotors 44 um am Hallgenerator 35 ein hohes Ausgangssignal
zu erhalten, vgl.
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Fig.1 Die Leiterplatte 34 kann z.B. in Form von sogenannten IC's auch
die gesamte Regelschaltung des Motors aufnehmen, was dazu führt, daß dann nur wenige
Zuleitungen zur Leiterplatte 34 für die betriebsmäßige Funktion erforderlich sind.
Werden die Stumpfe Niet- 36,P 37 außerdem-durch lösbare Befestigungsmittel, z.B.
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Schrauben, ergänzt, so stellt eine solche Ausgestaltung der ~ Leiterplatte
eine seir fertigungs-und servicefreundliche .Ano nung dar. Sind die lösbaren Mittel
von außen separat lösbar angeordnet (z.B. Schrauben radial außerhalb des Rotors
44 wobei die Platte 24 oder 73 radial entsprechend vorsteht), kann der Motor separat
fertiggestellt und die gesamte Elektronik zusätzlich anschließend auf einfache Weise
montiert werden, was für den Service in gleicher Weise wichtig ist. Eine solche
Ausgestaltung der Leiterplatte ist ebenso erfinderisch wertvoll für andere als die
Motorenanordnungen nach der Stammanmeldung, nämlich generell für kollektorlose Gleichstrommotoren,
besonders solche mit ebenem Luftspalt.
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Die Statorspulen 13 bis 16 sind nach der Lehre der DOS 27 30 142 etwa
fünfeckförmig gewickelt, und sie sind äquidistant angeordnet. Der Rotor 44 ist vierpolig,
d.h. er ist wie in Fig.8 der DOS 27 30 142 magnetisiert. Er weist eine Rückschlußplatte
50 aus Eisen auf, die an einer Buchse 51 angebördelt ist, welche ihrerseits auf
die Welle 19 aufgepreßt und dadurch fest mit dieser verbunden ist. Auf die Rückschlußplatte
50 ist ein Magnetring 52 aus einem Oxidmagnetmaterial aufgeklebt und in der erläuterten
Weise axial magnetisiert.
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In seinem Inneren bildet der Magnetring 52 einen Hohlraum 53, in dem
der Tachogenerator 40 raumsparend untergebracht ist.
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Dieser weist eine Magnetplatte 54 auf, die zweckmäßig aus einem sogenannten
Gummimagneten bestehen kann, also aus einer Mischung aus Hartferriten und einem
Elastomer. Diese Magnetplatte 54 ist direkt auf die Rückschlußplatte 50 aufgeklebt
und rotiert
deshalb im Betrieb mit dieser. Die Magnetplatte 54
ist an ihrer Unterseite abwechselnd mit Nord- und Südpolen magnet tisiert und weist
zweckmässig eine große Zahl von Polpaaren auf, um für eine Frequenzregelung, wie
sie z.B. in Fig. 9 der DOS 2 533 187 dargestellt ist, eine ausreichend hohe Frequenz
zu erhalten. Fig. 3 zeigt in einem Ausschnitt bei 55 die Art der Magnetisierung
der Platte 54 wobei wie üblich S - Südpol und N = Nordpol bedeutet.
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Der Magnetplatte 54 gegenüberliegend ist am oberen Ende des Lagerrohrs
l8 an einer Ausdrehung 56 eine Isolierplatte 57lfestgebördeltw die auf ihrer Oberseite
58 mit einer Måanderwicklung 59 in Form einer gedruckten Schaltung versehen ist
und deren Form aus Fig. 3 hervorgeht. Bei Fig. 3 hat z.B.
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die Mäanderwicklung 59 insgesamt 96 d radial verlaufende Abschnitte
60, und die Magnetplatte 58 hat 48 Nordpole 63 und 48 Südpole 64, also 48 Polpaare.
Die Mäanderwicklung 58 hat einen ersten Anschluß 652 der direkt zu einem radial
verlaufenden Abschnitt 60' führt. Der diesem Abschnitt 60' benachbarte Abschnitt
60'S zu zu führt zu einer Kompensationswicklung 66, die auf der Innenseite der Mäanderwicklung
um etwa 3200 rückwärts zurückgeführt ist bis zu einem zweiten Anschluß 67, der eng
beim Anschluß 65 liegt. Die Leitungen 39 sind an diese Anschlüsse65 und 67 angelötet.
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Wenn Streuflüsse, z.B. von der Statorwicklung 13 bis 162 die Mäanderwicklung
58 durchdringen, so induzieren sie in dieser eine Störspannung ul. Gleichzeitig
induzisre sie in der Kompensationswicklung 66 eine Störspannung u2, die etwa gleich
u, ist. Durch die Serienschaltung der beiden Spannungenw die natürlich auch auf
andere Weise erreicht werden kann, erreicht man, daß (u-1 + u2) ungefähr gleich
Null ist, d.h.
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an den Ausgangsklemmen 65, 67, ist die Störspannung weitgehend unterdrückt
und erhält nur die gewünschte Nutzspannung, die von der Magnetplatte 54 in der Tachowicklung
58 induziert wird.
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Bei der Wahl der Polzahl p der Magnetscheibe 54, und folglich auch
der Zahl der radial verlaufenden Abschnitte 60 der Mäanderuicklung 58, geht man
gemäß Fig. 4 so vor, daß man gleichbleibendem Luftspalt 68 und gleichbleibender
Drehzahl n die Ausgangsspannung u für verschiedene Drehzahlen p ermittelt. Die ermittelte
Kurve 70 hat ein Maximum, und für eine Frequenzregelung wählt man eine Polzahl im
Bereich oberhalb dieses Maximums, da im wesentlichen das Produkt aus Frequenz und
Spannung u optimiert werden muß, weil sich bei höherer Frequenz ein kleineres Funk
el rauschen ergibt und. dadurch die Regelung - und folglich der Gleichlauf - besser
werden. Dieser Bereich ist in. Fig. 4 mit Popt angegeben. \ Bei der Montage wird
einfach der Rotor 44 mit seiner Welle 19 in das Lagerrohr 18 gesteckt und dort durch
den magnetischen Zug festgehalten. Man stellt dann mit der Schraube 23 den Luftspalt
68 ds Tachogenerators 40 auf z.B. 0,8 mm ein und läßt den Motor etwå;einen Tag ruhen.
Dabei drückt sich die Spurkuppe 20 etwas in die Kunststoffscheibe 191 ein, wodurch
sich die Ausgangsspannung des Tachogenerators 40 vergrößert und der Gleichlauf besser
wird, wenn dieser z.B. am nächsten Tag gemessen uird. Anschließend sinkt die Spurkuppe
20 erfahrungsgemäß noch etwas weiter ein, d.h. der Gleichlauf wird mit zunehmender
Alterung des Motors 10 immer besser, was naturgemäß außerordentlich wünschenswert
ist.
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Um den Rotor 44 herum ist ein hohlzylindrisches Teil 70 aus Kunststoff
so angeordnet, daß es den-Rotor mit sehr geringem Abstand umgibt und so das Eindringen
von Fremdkörpern in den Motor 10 verhindert. Das Teil 70 ist mit einem verbreiterten
Fuß 71 versehen, der am Stator 11 in der dargestellten Weise befestigt ist.
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Zur Befestigung an einem bei 72 angedeuteten Chassie dienen seitliche
Flansche 73 der Basisplatte 12. In diesen Flanschen sind Befestigungslöcher 74 vorgesehen.
Die Basisplatte 12 dient also gleichzeitig als Rückschluß und zur Befestigung.
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Zur Aufnahme der Einstellschraube 23 für das Axiallager 17 bildet
das Kunststoff-Formstück 24 in seiner Mitte einer Art Vorsprung 75, der eine Ringschulter
76 bildet. Die metallene Einstellschraube 23 wird vor dem Spritzen des Kunststoff-Formstticks
24 in die Spritzform so eingelegt, daß axial unterhalb ihres Gewindes kein Kunststoff
sein kann. Dann. wir das tzenf einfach Weise das Gewinde für sie erzeugt. Nach dem
Spritzen kann sie nur axial nach unten bewegt werden. Das Lagerrohr 18 könnte am
unteren Ende ein Gewinde tragen, in das die Einstellschraube 23 zur Halterung vor
dem Spritzen eingedreht ist.
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Die vorliegende' Erfindung ist besonders vorteilhaft bei einem Motor
nach der DOS 27 30 142 (D86r, da ein sogenannter Mäandertacho zwar ein kleineres
Ausgangssignal, aber ein sehr gutes/ großes Verhältnis von Nutz-zu Störspannung
aufweist und bei einer Anordnung nah der Stammanmeldung die Statorwicklung unvermeidlich
ein1 st-arkes Streufeld erzeugt, vgl. z.B. Fig.2 der vorliegenden Anmeldung, wo
alternierend die beiden Spulen 13 und 15 oder die beiden Spulen 14 und 16 zusammen
eingeschaltet werden und wo diese Spulen jeweils gleich polarisiert sind, so daß
z.B. beim Einschalten der Spulen 13 und 15 beide -an ihrer Oberseite einen Nordpol
erzeugen. (Zur besseren Abschirmung gegen dieses und andere Streufelder kann man
unterhalb der Isolierplatte 57 eine Eisenplatte 80 anordnen, die in Fig.1 strichpunktiert
angedeutet ist.) Die Erfindung läßt.sich aber naturgemäß auch bei Motoren mit weniger
großem Streufeld vergnden , z.B. bei Motoren nach der DOS 2 533 187 (D72) ond dort
insbesondere der streufeldarmen Spulenanordnung nach den Fig. 7 und 8aber auch den
anderen Spulenanordnungen, z.B. nach Fig.2 dieser OS.
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Zwischen dem Permanentmagnetring 52und dem Rückschlußteil 12 (Basisplatte)
ist für den Motorluftspalt ein relativ großer Abstand absichtlich vorgesehen, damit
die axial gerichtetemagnetische Kraft nicht zu groß wird. Sie würde sonst auf das
axiale Punktlager zu stark driicken und dort ein verstärktes Einlaufen und damit
unter Umständen eine unerwünscht groß* axiale Positionsverschiebung des Rotors bewirken,
auch die Reibung erhöhen.
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Man hat den Abstand so gewählt, daß die Lagerbealstung der Spurkuppe
20 nicht zu groß wird und der Motor die geforderte Leistung andererseits noch erbringt.
Zu diesen Zwecken macht man auch den Krümmungsradius der Abrundung der Motorwelle
9 möglichst groß.ZDieser Abstand erlaubt andererseits einen relativ großen Abstand
zwischen der Spule und dem Eisenrückschluß, so daß axial zwischen diesen, beispielsweise
in einer Ausnehmung des Kunststoff-Formteils 24 lokalisiert, Magnetfeld-Sensoren
(beispielsweise ein oder zwei Hallgeneratoren) günstig angeordnet werden können.
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Wenn die Anlaufstelle für die Spurkuppe 20 der Welle 9 aus einem
relativ billigen Kunststoff für das größere Gehäusespritzgußteil, beispielsweise
das Formteil 24, besteht, ist das Problem gravierender. Man sieht deshalb eine Polyur-Etanscheibé
als Gegenstück zur Spurkuppe 20, d.h. als Anlaufgleitelement, vor.
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Eine solche hochwertige Kunststoffscheibe, die z.B. noch einen Molybdän-Sulfidzßusatz
aufweist, wird gegenüber der Spurkuppe eingelegt.
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Der große Luftspalt gestattet eine großzügige Handhabung der axialen
Toleranzen in der Serienfertigung, so daß zwischen dem Rotormagneten und den Schei
benspul en des Stators auch ein grosser Luftspalt sein kann, der auf diese Fertigungstoleranz
praktisch keine Rücksicht nehmen lassen muß. Dadurch ist andererseits aber möglich,
die Justierung des Rotors z.B. durch die Einstellschraube 23 relativ genau und ausschließlich
nach dem xfür den Tachogenerator erforderlichen und dort vorteilhafterweise sehr
kleinen Luftspalt zu richten 1u'richtn.. DasbedeutetSigna.ge winn des Tachogenerators.
Der- Motorluftspalt-lst etwa-doppelt so groß wie die axiale Dicke der Statorspulen.
Anfangs wird der tachogeneratorische Luftspalt auf o,8 mm eingestellt, wobei durch
das Einlaufen übe.r die Lebensdauer des Motors um max.o,3 mm ein effektiver Luftspalt
von 0,5 mm sich bildet. Praktisch geschieht das dadurch, daß ein sogenanntes Anlauflager
vorgesehen ist, wo das abgerundete Ende der Rotorwelle 9, gleichzeitig Rotorwelle
des Tachogenerators, gegen ein axial justierbares zentrales Element, z.B. eine Kunststoffscheibe,
mit dem Rotorgewicht und dem magnetisch-axialen Zug, der zwischen den magnetischen
Rückschlußelementen 12 und 50 besteht, rotationsgleitend anläuft. Durch die Hertz'suche
Pressung an der
Berührstelle verändert sich die axiale Rotorposition
langzeitig und asymptotisch gegen einen Endwert, jedoch insgesamt minimal.
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