DE3026797A1

DE3026797A1 - Kollektorloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE3026797A1
Application number: DE19803026797
Authority: DE
Inventors: Martin 7118 Ingelfingen Wagner
Original assignee: Elektrobau Mulfingen and Co EBM GmbH
Current assignee: Elektrobau Mulfingen and Co EBM GmbH
Priority date: 1980-07-15
Filing date: 1980-07-15
Publication date: 1982-02-04
Also published as: DE3026797C2

Description

Kollektorloser Gleichstrommotor
Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor, wie dieser im Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. Anspruch 4 beschrieben ist.
Kollektorlose Gleichstrommotore sind vielfältig bekannt.
Der kollektorlose Gleichstrommotor nach der DE-PS 23 46 380 ist offenbar ein solcher mit unterschiedlich breitem Luftspalt über den Drehwinkel (steht im Widerspruch zur Einleitung) und weist eine bekannte, etwa trapezförmige Magnetisierung auf. Der Drehwinkelbereich, in dem der Rotor im Betrieb ein elektromagnetisches Antriebsmoment erhält, fällt etwa mit dem Winkelbereich zusammen, in dem die Pollücken ein Gebiet in Drehrichtung abnehmenden magnetisch wirksamen Luftspalt durchlaufen; der Drehwinkelbereich, in dem der Rotor im Betrieb kein elektromagnetisches Antriebsmoment erhält, fällt etwa mit einem bestimmten Winkelbereich zusammen, in dem die Pollücken ein Gebiet in Drehrichtung zunehmenden magnetisch wirksamen Luftspaltes durchlaufen. Hier will man erreichen, daß auch in denjenigen Winkelbereichen, in denen die Pollücken über die Nutöffnungen hinweglaufen, das Reluktanzmoment diese Momenten lücke überwindet.
Ähnliche, jedoch von der Erfindung weiter entfernt liegende kollektorlose Gleichstrommotore sind noch durch die DE-OS 22 25 442, 19 58 546 und 23 14 259, sowie durch die FR-PS 13 88 848 und die US-PS'en 33 83 574, 32 64 538 bekanntgeworden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kollektorlosen Gleichstrommotor zu schaffen, bei dem kein antreibendes Reluktanzmoment während des Betriebes erforderlich ist.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 4 sowie die der Uiteransprüche.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung und Beschreibung, und zwar zeigt: Fig. 1 und 3 schematisch einen erfindnngsgemäßen zweipoligen Außenläufermotor, Fig. 2 und 4 die zugeordnete Abwicklung der vorgenannten Außenläufermotore, und zwar den Luftspaltverlauf über dem oberen Polbogen, Fig. 5 schematisch die Anordnung eines Streubleches in einer Öffnung einer Nut und Fig. 6A bis 6D Darstellungen, um die Wirkungsweise zu erläutern.
Der Außenläufermotor 1 weist einen zweipoligen Rotor 2 auf, der als durchgehender Magnetring ausgebildet ist.
Die beiden Pollücken 3, 4 sind angedeutet.
Der Stator 5, ein Doppel-T-Anker, weist den oberen Pol 6a und den unteren Pol 7a auf. Erkennbar sind die beiden Nuten 8a, 9a (in Fig. 4 8a, 9a). Schematisch dargestellt sind weiter die beiden Wicklungen 10, 11, die vom Pluspol 12 beginnend und mit ihren Enden bis zu den Transistoren 16 und 17 verlaufen. Angedeutet ist noch die Minus leitung 20 einer Gleichspannungsquelle (beispielsweise 24 V oder dgl.). Alternativ bei PNP-Transistoren wird die Potentialzuordnung gewechselt.
Als Drehstellungsdedektor wird ein digitalschaltender Hall-IC 13 verwendet, der vom Pluspol über einen Vorwiderstand 18 gespeist wird. Der Ausgang dieses Hall-IC's steuert den Transistor 16 direkt, den Transistor 17 über eine Invertierstufe an.
Gemäß Fig. 2 ist die Erfindung darin zu sehen, daß im Prinzip der Luftspalt gleichbleibt (in Umfangsrichtung gesehen also zylindrisch), bis auf einen Teilbereich z.B. 300 bis 700el. Hier fällt der Luftspalt von einem Höchstwert ab bis zu der Breite des zylindrischen Teils 14. Die Kante 26 der'Öffnung der Nut 9 und 8 hat den Abstand der zylindrischen gleichbleibenden Luftspaltbreite. Die andere Kante 25 der Öffnung der Nut 9 bzw.
8 hat den größten Abstand vom Magnetmaterial, d.h. hier ist der Luftspalt am größten; im gezeigten Beispiel verringert er sich im Luftspaltbereich 15 kontinuierlich, bis er den konstanten buStspaltbereich 14 erreicht. In Drehrichtung gesehen (s. den Pfeil in Fig. 2) ist dieser Luftspaltsprung wieder bei der Nut 8.
In Fig. 6A ist die Magnetisierung des Rotors 2 dargestellt. Die Induktion B ist praktisch konstant; die schmalen Pollücken sind erkennbar. Die Trapezform ist in Annäherung erreicht. Zur Funktion ist eine trapezförmige Magnetisierung nicht unbedingt erforderlich; besser wäre eine annähernd rechteckförmige Magnetisierung, da sich dadurch die Momentenlücke verkleinert.
Rechteckförmige Magnetisierung scheitert jedoch aus physikalischen Gründen.
Der Stromverlauf ist in Fig. 6B erkennbar. Dieser weicht im weiten Maße von der DE-PS 23 46 380 ab, wodurch weitere Parameter der Anmeldung einen entsprechenden anderen Verlauf erhalten.
Die Stromkennlinie zeigt praktisch keine Nullwerte auf, woraus u.a. ein Momentenverlauf resultiert, dessen Lükkenbreite nur noch von der Pollücke des Rotormagneten abhängt.
In Fig. 6C ist das elektromagnetische Antriebsmoment zu sehen; auch hier gibt es schmal Lücken, wobei Md = 0 nur punktförmig auftritt. Daher ist während des Betriebes kein zusätzliches Hilfsmoment (wie z.B. bei dem kollektoriosen Gleichstrommotor nach der DE-PS 23 46 380) erforderlich, um diese Momentenlücke zu überbrükken. Die Überbrückung der Momentenlücke wird vom Schwungmoment des Rotors 2 übernommen.
In Fig. 6D ist ein Hilfsmoment zur Erreichung einer pseudo-stabilen Lage im unerregten Zustand gezeigt, wie dies beispielsareise durch die Anordnung nach Fig. 1 oder 3 erreicht wird. Dieses sogenannte Hilfsmoment verhindert, daß sich der Rotor nicht in seine ursprüngliche stabile Lage einstellenfkann, in der beim Einschalten keine Tangen tialkraf tkomponen te entsteht.
Der Winkelbereich dieser kritischen Stellung, in der der Rotor beim Auslauf nicht stehen bleiben darf, beträgt ca. 5 0el von Mitte Nutöffnung Fig. 2(8 und 9.
Was gemäß Fig. 2 durch die Veränderung der LuStspaltbreite im Bereich 15 erreicht wird, kann man sinngemäß auch dadurch erzielen, indem man im unmittelbaren Bereich der Öffnung der Nut Bohrungen 21 in die Polspitzen einbringt. Dies ist in Fig. 1 veranschaulicht. Dabei müssen diese Bohrungen 21 diagonal gegenüberliegend vorgesehen werden. Die Ausnehmung 27 darf also nicht zusätzlich im anderen Polschenkel vorgesehen werden, wenn man Bohrungen 21 anbringt; diese Darstellung ist lediglich als Alternative zu den Bohrungen 21 zu sehen und zeigt, daß man statt der Bohrungen auch andere Formen wählen kann, um das Material in die-sem Bereich zu entfemen.
Bei Änderung der Drehrichtung des Motors wird die Aushebung entsprechend auf die anderen Polspitzen verlagert.
Man kann, um den gleichen Zweck zu erreichen, die Nuten 8a, 9a auch asymmetrisch ausbilden, d.h. die Abstände a und b sind unterschiedlich, wobei die größere Breite a bei beiden Nuten 8a, 9a auf der gleichen Seite symmetrisch liegen muß.
In Fig. 5 ist gezeigt, daß man in die Nutöffnungen 8, 9 auch ein Streublech 24 einbringen kann. Es wird in die Nut eingeklemmt. Auf einer Seite ist ferromagnetisches Material vorgesehen (z.B. Dynamoblech) und auf der Gegenseite paramagnetisches oder diamagnetisches Material (z.B. Messing); damit erreicht man ebenfalls die Asymmetrie, wodurch der Anlauf des Motors ebenfalls - genauso wie bei den anderen vorbeschriebenen Maßnahmen - gewährleistet ist.
Es gehört zur Erfindung, daß man auch wenigstens zwei der hier aufgezeigten Lösungen in Kombination anwendet, z.B. die Merkmale von Anspruch 1 und Anspruch 4 oder Anspruch 1 und Anspruch 6 oder Anspruch 4 und Anspruch 6 oder Anspruch 6 und Anspruch 9 usw. bzw. Anspruch 1, Anspruch 4, Anspruch 7 usw.
Stück liste 1 = Außenläufermotor 2 = z.B. zweipoliger Rotor 3/4= Pollücken (nur symbolisch angedeutet) 5 = Stator (Doppel-T-Anker) 6 = oberer Pol (z.B. Südpol) 7 = unterer Pol (Nordpol) 8/9= Nuten (8a, 9a) 10 = Wicklungshälfte 11 = Wicklungshälfte 12 = Pluspol 13 = Digitalschaltendes Hall-IC (Drehstellungsdedektor) 14 = Luftspalt (hier zylindrisch) 15 = Luftspalt (hier konvergierend; konisch) 16 = Transistor 17 = Transistor 18 = Widerstand 1 9 = Luftspalt 20 = Minus leitung des Gleichstroms 21 = Bohrung 22 = Dynamoblech (Stahl) 23 = Messing oder ein ähnliches Material 24 = Streublech 25 = Kante der Öffnung der Nut 26 = Kante der Öffnung der Nut 27 = Ausnehmung Leerseite

Claims

P atentanspruche Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem Luftspalt und einem permanentmagnetischen Innen- oder Außenrotor, mit einer von einem Drehstellungsdedektor gesteuerten, im Betrieb ein Wechsel£eld und damit ein Lücken aufweisendes elektromagnetisches Antriebsmoment erzeugenden Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotormagnetpole jeweils eine bekannte etwa trapezEörmige oder sinusförmige oder rechteckförmige Magnetisierung mit schmalen Pollücken (3, 4) zwischen den Polen (6, 7) aufweisen, und daß der Luftspalt - in Drehrichtung gesehen - sich in einem Bereich (15) zwischen den beiden Nutöffnungen (8, 9), mit seiner größten Breite bei Nutöffnung (9) beginnend, sich zunächst verengt (schmaler wird) (z.B. über einen Winkelbereich von 300 bis 700el) und dann in konstanter Breite (14) (z.B. über einen Winkelbereich von 1500 bis 1100er) bis zum Pol (8) verläuft und nachfolgend an tSutöffnung (8) wieder mit seiner größten Breite beginnt.
2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspaltbreite an der einen Kante (25) der Öffnung der Nut (8, 9) größer ist als der anderen Kante (26).
3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (15) sich kontinuierlich von der Kante (25) der Öffnung der Nut (9, 8) sich bis zu dem konstanten Bereich des Luftspaltes (14) verjüngt.
4. KDllektorloser Gleichstrommotor mit einem zylindrischen Luftspalt und mit einem permanent-magnetischen Innen- oder Außenrotor, mit einer von einem Drehstellungsdedektor gesteuerten, im Betrieb ein Wechselfeld und damit ein Lücken aufweisendes elektromagnetisches Antriebsmoment erzeugende Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotormagnetpole jeweils eine bekannte etwa trapezförmige oder sinusförmige oder rechteckförmige Magnetisierung mit schmalen Pollücken (3, 4) zwischen den Polen (6, 7) aufweisen, und daß im unmittelbaren Bereich der Öffnung der Nut auf einer Seite der Pole (6a, 7a) (symmetrisch von Pol zu Pol liegend) Ausnehmungen z.B. Bohrungen (21) vorgesehen sind.
5. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Öffnung der Nut (8 oder 9) aus der Symmetrie z.B. um 5° bis 150es versetzt ist.
6. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (9a, 8a) asymmetrisch ausgebildet ist.
7. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Streublech (24), eingesetzt in die Öffnung der Nuten (8, 9).
8. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Streublech (24) die Öffnung der Nuten (8, 9) vollständig ausfüllt und aus einer Kombination von ferromagnetischem und diamagnetischem oder paramagnetischem Werkstoff erstellt ist.
9. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der diamagnetische oder paramagnetische Werkstoff überwiegt (z.B. mehr als 50% ausmacht).
10. Kollektorloser Gleichstrommotor insbesondere nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehstellungsdedektor ein digitalschaltendes Hall-IC Verwendung findet.
11. Kollektorloser Gleichstrommotor insbesondere nach den Ansprüchen 5 bis 10, gekennzeichnet durch die Kombination eines symmetrischen Luftspalts und eines asymmetrischen Luftspalts.