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Um eine unerwünschte, relativ zum Rotorstellungsgeber symmetrische
Ruhestellung des Rotors zu vermeiden, ist bei diesem Gleichstrommotor entweder der
magnetische Rückschluß so ausgebildet, daß ein Reluk-
tanzmoment
entsteht, dessen antreibende Komponente in den Lücken des elektromagnetischen Antriebsmoments
wirksam ist, oder ein weich-ferromagnetisches Formstück vorgesehen, das zur Verbindungsachse
der Antriebsspulen winkelversetzt angeordnet ist.
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Dieser vorbekannte Gleichstrommotor läuft unter hoher Last nicht
an, besitzt kein für Antriebszwecke, etwa für Kompressoren, geeignetes hohes Drehmoment
und weist keine elektronische Steuerung auf, die eine Anpassung der Leistungsaufnahme
an die Betriebslast erlaubt.
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Der DE-OS 25 27 041 ist ferner ein kollektorloser Gleichstrommotor
zu entnehmen, bei dem der Stator einen zusätzlichen Permanentmagneten aufweist,
der so angeordnet ist, daß die Polachse des Stators mit der Polachse des Rotors
einen spitzen Winkel einschließt, um den Selbstanlauf des Motors zu verbessern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Gleichstrom-Flachmotor
der gattungsgemäßen Art anzugeben, der unter Last anläuft und ein hohes Drehmoment
liefert und dessen Energieaufnahme sich an die jeweiligen Betriebslast anpaßt.
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Die Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
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Der erfindungsgemäße elektrisch kommutierte, kollektorlose Gleichstrom-Flachmotor
umfaßt einen einseitig gelagerten, scheibenförmigen Rotor mit mehreren Permanentmagneten
und einer auf der Rückseite der Permanentmagnete am Rotor vorgesehenen Rückschlußscheibe,
einen scheibenförmigen Stator mit mehreren als Flachspulen ausgebildeten Antriebsspulen,
eine Tachospule, die statorseitig gegenüber dem Rotor angeordnet ist und eine der
Drehzahl entsprechende Tachospannung liefert, und eine elektronische Steuereinrichtung
zur Kommutierung der Antriebsspulen mit einem Rotorstellungsgeber und einem Spannungskomparator,
der die von der Tachospule erzeugte, gleichgerichtete Tachospannung mit einer der
Solldrehzahl des Motors entsprechenden internen Referenzspannung vergleicht; er
ist dadurch gekennzeichnet, daß (a) eine weitere, innere Rückschlußscheibe an einem
Ringansatz am Rotor so vorgesehen ist, daß der Stator in einem Luftspalt des Rotors
zwischen den Permanentmagneten und der inneren Rückschlußscheibe liegt, (b) die
Tachospule auf dem Stator in der gleichen Ebene wie die Antriebsspulen und ihnen
gegenüber elektrisch phasenverschoben exzentrisch angeordnet ist und beim Anlaufen
des Motors, wenn keine eindeutige Polarität vom Rotorstellungsgeber erfaßt wird,
als Anlaufspule, die elektrisch phasenverschoben angesteuert wird, und nach dem
Anlaufen als Tachospule dient, (c) die Steuereinrichtung ferner umfaßt: - zwei Verstärker,
die das Signal des Rotorstellungsgebers verstärken, - eine Vergleichsschaltung,
die mit den Ausgängen der beiden Verstärker verbunden ist und zum Anlaufen des Motors
die Anlauf- und Tachospule erregt, wenn sich der Rotorstellungsgeber im neutralen
Bereich zwischen zwei Magnetpolen befindet, - einen Frequenzgenerator mit einem
Impulsbreitenmodulator, dessen Ausgänge in einer Brückenschaltung geschaltete Leistungsstufen
für die Ansteuerung der Antriebsspulen angesteuern, und (d) der Spannungskomparator
der Steuereinrichtung ein der Regelgröße entsprechendes Eingangssignal an den lmpulsbreitenmodulator
liefert.
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Beim erfindungsgemäßen Gleichstrommotor befindet sich der Stator
in einem schmalen Ringspalt zwischen dem Permanentmagneten und der Rückschlußplatte
des Rotors, wobei sich der Luftspalt sehr genau einstellen läßt, was wiederum den
Wirkungsgrad günstig beeinflußt.
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Durch Verwendung relativ schwerer Permanentmagnete am Rotor in Verbindung
mit den beiden Rückschlußplatten kann der Rotor eine so große Masse erhalten, daß
er zugleich als Schwungrad wirkt und damit ein sehr gleichmäßiges Drehmoment ergibt.
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Die elektronische Steuereinrichtung umfaßt einen oder mehrere Rotorstellungsgeber
zur Erfassung der jeweiligen Stillstandsstellung des n-poligen Rotors; als Rotorstellungsgeber
können Hallgeneratoren oder andere geeignete winkelabhängige Indikatoren, wie z.
B.
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Feldplatten, Hochfrequenzfelder, Lichtschranken, u. dgl., verwendet
werden. Die elektronische Steuereinrichtung arbeitet so, daß beim Anlauf die Relativposition
des Rotors gegenüber den Antriebsspulen des Stators erfaßt wird; die entsprechenden
Signalimpulse gelangen nach Verstärkung zu einem Frequenzgenerator mit lmpulsbreitenmodulator,
der eine der Solldrehzahl entsprechende Frequenz erzeugt, mit der die aus stromverstärkenden
Bauelementen bestehenden Leistungsstufen angesteuert werden, die in einer Brückenschaltung
angeordnet sind und ihrerseits die Antriebsspulen erregen. Da die Antriebsspulen
im Magnetfluß des Rotors liegen, erfolgt eine Drehbewegung des Rotors um ein Polpaar.
Danach befindet sich der Rotorstellungsgeber gegenüber einem Permanentmagneten mit
entgegengesetzter Polarität, so daß sich der Drehvorgang mit einer elektrischen
Phasenverschiebung von 1800 wiederholt, wobei sich diese Folge bis zu einer Frequenz
fortsetzt, die der Frequenz des Frequenzgenerators und damit der Solldrehzahl entspricht.
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Wenn die Stillstandsposition des Rotors zufällig gerade so ist, daß
dem Rotorstellungsgeber eine neutrale Zone zwischen Nord- und Südpol gegenübersteht,
erfolgt keine Positionserfassung. Für diesen Fall ist eine Vergleichsschaltung vorgesehen,
die dann die Anlauf-und Tachospule erregt. wenn an den Ausgängen der Verstärker,
die die Signale des Rotorstellungsgebers verstärken, keine entsprechenden Signale
vorliegen.
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Der Stromfluß in der Anlauf- und Tachospule, die elektrisch phasenverschoben
angeordnet ist, führt zu einer Verdrehung des Rotors gegenüber dem Rotorstellungsgeber,
so daß dieser dann seine Steuerfunktion übernehmen kann. Nach dem Anlaufen des Motors
wird die Vergleichsschaltung abgeschaltet; die Anlauf- und Tachospule übernimmt
dann die Funktion eines Tachogenerators. Die von ihr erzeugte Tachospannung, die
nach Gleichrichtung eine Gleichstrom-Meßgröße für die Ist-Drehzahl darstellt, dient
nach Vergleich mit einer internen Referenzspannung in einem Spannungskomparator
als Stellgröße für den lmpulsbreitenmodulator des Frequenzgenerators, der zur Drehzahlregelung
über z. B.
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einen Dreiecksgenerator die Ansteuerzeit für die Lei-
stungsstufen
der Antriebsspulen regelt.
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Für den Fall, daß die Betriebsspannung des Motors nicht konstant
bleiben sollte, beispielsweise bei Verwendung von Autobatterien und unterschiedlichem
Ladezustand, kann ein Spannungskomparator vorgesehen werden, der die Betriebsspannung
mit einer internen Referenzspannung vergleicht und den Frequenzgenerator abschaltet,
wenn die Betriebsspannung unter einen vorbestimmten Mindestwert abfällt, und den
Frequenzgenerator erst dann wieder einschaltet, wenn die Betriebsspannung den vorgegebenen
Mindestwert überschreitet, wobei das Verhältnis zwischen Aus- und Einschaltvorgang
der Schalthysterese entspricht.
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Aufgrund der hohen auftretenden Kräfte und Drehmomente im Motor ist
es erforderlich, die Antriebsspulen fest am Stator zu verankern. Dies geschieht
erfindungsgemäß auf einfache Weise durch Verwendung eines als Preß- oder Spritzteil
ausgeführten Spulenträgers, in dem die flachen Antriebsspulen sowie die in gleicher
Ebene angeordnete Anlauf- und Tachospule angeordnet und durch Ummanteln mit einem
geeigneten Kunststoffmaterial fixiert sind. Die Herstellung des Stators ist besonders
einfach, wenn die Ausformung des Trägers und die Ummantelung der Antriebsspulen
gleichzeitig in einem einzigen Arbeitsgang erfolgt.
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Zur Vermeidung von Winkelraumverlusten besitzt der Spulendraht vorzugsweise
rechteckigen oder quadratischen Querschnitt.
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Bei der Herstellung des Stators ist es ferner günstig, die Antriebsspulen
sowie die Anlauf- und Tachospule während des Preß- oder Spritzvorgangs durch Nuten
oder Stege im Werkzeug in einer vorbestimmten Lage zu halten.
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Es ist ferner günstig, die elektrischen Ausgänge der ummantelten
Teile durch Leiterbahnen vorzusehen.
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Der Läufer des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors weist vorzugsweise
einen mittleren Teil aus einem diamagnetischen Material auf, an dem die Rückschlußscheiben
und die Permanentmagnete befestigt sind.
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Um eine ausreichende Kühlung der Bauteile der elektronischen Steuereinrichtung
ohne wesentliche Erhöhung des Raumbedarfs sicherzustellen, sind die Bauteile der
elektronischen Steuereinrichtung an der Rückseite des Trägers im Saugstrom des Motor
angeordnet.
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Der erfindungsgemäße Gleichstrommotor eignet sich insbesondere zum
Antrieb von gekapselten Kompressoren, beispielsweise für Kälteerzeuger.
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Der Gleichstrommotor gemäß der Erfindung wird im folgenden anhand
der Zeichnung näher erläutert; es zeigt F i g. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Gleichstrommotor, der mit einem Kolbenkompressor integriert ist; F i g. 2 eine Draufsicht
auf den Gleichstrommotor von F i g. 1 ohne Gehäuse und F i g. 3 ein Blockschaltbild
der elektronischen Steuereinrichtung.
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Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Gleichstrommotor 2, der mit
einem Kolbenkompressor 1 integriert ist, besitzt eine Trägerplatte 3, an deren Außenseite
die elektronische Steuerung 4 im Kühlstrom angeordnet ist.
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Der Rotor 28 des Gleichstrommotors weist eine flache Profilscheibe
28a auf, in der zentrisch ein Lagerzapfen 30 vorgesehen ist, der in einem Lager
31 in der Trägerplatte 3 gelagert ist, das in einem hohlzylindrischen Teil 32 der
Trägerplatte 3 vorgesehen ist; der Lagerzapfen 30 steht entsprechend nur an der
inneren Stirnfläche der Profilscheibe 28a vor.
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An der Profilscheibe 28a ist ein mit n Polen lateral magnetisierter
Permanentmagnet 35 starr befestigt. Der Permanentmagnet 35 ist ferner an einer äußeren
ringförmigen Rückschlußscheibe 36 befestigt, die zusammen mit einer weiteren, inneren
Rückschlußscheibe 37 zur Schließung des magnetischen Flusses dient. Die Rückschlußscheibe
37 ist an einem Ringansatz 38 der Profilscheibe 28a befestigt, dessen Innenflächen
39 konisch ausgebildet sind und zusammen mit den Konusflächen 40 eines hohlzylindrischen
Teils 32 einen kegelstumpfförmigen Ringkanal 41 begrenzen. Die Konusflächen 39,
40 bewirken, wenn der Gleichstrommotor in der dargestellten Form mit einem Kolbenkompressor
integriert eingesetzt wird, durch Schleuderradwirkung eine intensive Strömung des
Schmier- und Kühlmitels im Ringkanal 41 und wirken somit als Schmiermittelpumpe.
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Das freie Ende des Lagerzapfens 30 ist mit einer Abdeckkappe 45 abgedeckt.
Ein in der Abdeckkappe 45 vorgesehener Schlauch 46 führt in den Ölsumpf. Durch die
Schleuderwirkung des konischen Ringkanals 41 entsteht in dem von der Abdeckkappe
45 abgedeckten Raum eine Saugwirkung durch das Lager 31 hindurch, die zu einem Schmiermittelfluß
aus dem Ölsumpf durch den Schlauch 46 zum Lager 31 führt.
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An der Trägerplatte 3 ist der scheibenförmige Stator 42 befestigt,
der die in F i g. 2 schematisch dargestellten Antriebsspulen I bis VI in gleichmäßiger
gegenseitiger Winkelversetzung sowie eine elektrisch phasenverschobene Anlauf- und
Tachospule VIII trägt, die bei der dargestellten Ausführungsform in der Mittelachse
der Anordnung liegt.
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Die Antriebsspulen sowie die Anlauf- und Tachospule sind in einem
Träger 43 aus Kunststoff flach angeordnet und durch Ummantelung mit Kunststoff lagefixiert.
Zur Versteifung weist der Träger 43 mehrere Rippen 44 auf.
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Durch die Einbettung der Antriebsspulen in das Kunststoffmaterial
des Trägers 43 und die Anordnung dieses Trägers zwischen dem Permanentmagnet 35
sowie der Rückschlußscheibe 37 des Läufers 28 ergeben sich sehr genau einzustellende
ebene Luftspalte, die sich auch nach langen Betriebszeiten nicht verändern, da auf
den Rotor keine oder nur äußerst geringe Kippmomente wirken.
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Auf der Rückseite der Trägerplatte 3 sind die einzelnen Bauteile
der elektronischen Steuereinrichtung 4 vorgesehen.
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Bei der in F i g. 3 dargestellten Schaltung ist als Winkelindikator
zur Erfassung der Relativposition des Rotors zum Stator ein ortsfester Hallgenerator
51 vorgesehen, dessen beide Ausgänge zu zwei Spannungskomparatoren 52, 53 gelangen,
die als Operationsverstärker arbeiten. Der Hallgenerator 51 ist zweckmäßigerweise
der Anlauf- und Tachospule VIII räumlich zugeordnet.
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Die beiden Ausgänge 54,54' der Spannungskomparatoren 52,53 sind mit
einer elektronischen Vergleichsschaltung 55 sowie einem Frequenzgenerator 56 verbunden,
der über ein RC-Glied eine der gewünschten Solldrehzahl entsprechende Frequenz erzeugt.
Die beiden Ausgänge 57, 57' des als lmpulsbreitenmodulator wirkenden Frequenzgenerators
56, der ferner eine interne Referenzspannung U erzeugt, führen zu Leistungsverstärkern
58, 59, 60, 61, die als Doppelbrücke geschaltet sind.
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Mit dem Frequenzgenerator 56 sind ferner zwei Spannungskomparatoren
62 und 64 verbunden.
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Beim Einschalten vor dem Anlaufen des Motors erfaßt der Hallgenerator
51 die Relativposition des Permanentmagneten 35 des Rotors 28 gegenüber den Antriebsspulen
des
Stators. Je nach der erfaßten Lage und Polarität werden die Signalimpulse von einem
der Verstärker 52 bzw. 53 verstärkt und gelangen dann zum Frequenzgenerator 56 mit
dem Dreiecksgenerator 63, der seinerseits die entsprechenden Leistungsstufen 58,
60 bzw. 59, 61 für die Antriebsspulen I bis VI ansteuert.
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Die Erregung der Antriebsspulen bewirkt eine Verdrehung des Rotors
um ein Polpaar. Die neue Rotorposition wird vom Hallgenerator 51 wiederum erfaßt,
und der Steuervorgang wiederholt sich, wobei eine Phasenverschiebung um 1800 erfolgt
ist und nunmehr die jeweils anderen Verstärker- bzw. Leistungsstufen wirksam werden.
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In der Praxis kann der Fall eintreten, daß im Rotorstellungsgeber,
d. h. dem Hallgenerator 51, vor dem Anlaufen des Motors genau der neutrale Bereich
zwischen zwei Magnetpolen gegenübersteht, so daß eine Positionserfassung nicht möglich
ist. Für diesen Sonderfall ist die Anlauf- und Tachospule VIII im Stator 42 vorgesehen,
die über die Vergleichsschaltung 55 erregt wird und aufgrund ihrer elektrischen
Phasenverschiebung eine Verdrehung des Rotors 28 bewirkt. Diese Rotordrehung reicht
aus, um den Rotorstellungsgeber wirksam werden zu lassen, woraufhin der weitere
Anlaufvorgang in der normalen, oben beschriebenen Weise stattfindet.
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Nach dieser ersten Startphase wird die Vergleichsschaltung 55 abgeschaltet.
Die Anlaufspule VIII wirkt dann als Tachogenerator; die von ihr erzeugte Spannung
wird nach Gleichrichtung sowie über eine Siebkette 65 dem Spannungskomparator 62
zugeführt und in ihm mit einer im Frequenzgenerator 56 erzeugten internen Referenzspannung
U1 sowie mit der Betriebsspannung UB verglichen. Der Spannungskomparator 62 ermöglicht
durch Ansteuerung des als Impulsbreitenmodulator wirkenden Dreiecksgenerators 63
eine Drehzahlregelung des Rotors durch entsprechende Ansteuerung der Leistungsstufen
58 bis 61 für die Antriebsspulen I bis VI.
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Im Spannungskomparator 64 wird die Betriebsspannung Us mit der internen
Referenzspannung U verglichen. Wenn die Betriebsspannung Us unter einen vorgegebenen
Wert abfällt, wird der Frequenzgenerator 56 abgeschaltet. Damit kann sichergestellt
werden, daß bei sinkender Leistung der Energiequelle, z. B. einer Autobatterie,
die Stromentnahme durch den Motor wegfällt.
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Es ist erfindungsgemäß ferner zweckmäßig, entweder im Luftspalt des
Rotors oder in dessen Streuzonen einen Permanentmagneten vorzusehen, der den Rotor
bei Stillstand immer in eine Position gegenüber dem Rotorstellungsgeber verdreht,
bei der bei erneutem Einschallen ein sofortiges Anlaufen erfolgt. Durch diese Ausgestaltung
kann die Anlaufsteuerung des erfindungsgemãßen Gleichstrommotors vereinfacht werden.
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