DE3037724A1

DE3037724A1 - Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE3037724A1
Application number: DE19803037724
Authority: DE
Inventors: Teruaki Hirakata Kitamori; Yuho Osaka Morimune
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1979-10-09
Filing date: 1980-10-06
Publication date: 1981-04-30
Also published as: JPS5656162A; FR2467504B1; FR2467504A1; GB2062976B; DE3037724C2; GB2062976A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor und insbesondere einen leicht selbst anlaufenden Gleichstrommotor mit einer Schaltvorrichtung anstelle eines gewöhnlichen Kommutators oder Stromwenders.

Die meisten herkömmlichen Gleichstrommotoren mit Schaltvorrichtungen haben mehrere Ständer- .oder Statorwicklungen und einen Läufer oder Rotor mit der gleichen Anzahl von Polen eines Dauermagneten,, die bei den gleichen Winkelteilungen wie diejenigen der Ständerwicklungen angeordnet sind. Dabei sind die Ständerwicklungen und die Pole der Dauermagneten des Läufers mit einer gleichmäßigen Winkelteilung um die Achse des Motors vorgesehen. Wenn bei einem derartigen herkömmlichen Gleichstrommotor der Läufer in einer bestimmten Stellung ist, in der die Pole des Dauermagneten des Läufers den Polen des Ständers gegenüberliegen und die Polaritäten der jeweils einander gegenüberliegenden Pole gleich sind, wird der Läufermagnet leicht in einer der beiden Drehrichtungen zurückgestoßen. Wenn jedoch die jeweils einander gegenüberliegenden Pole gerade zugekehrt sind, macht es der Ausgleich der magnetischen Rückstoßungskraft unmöglich, daß der Läufer eine Drehung beginnt. Wenn die Polaritäten der jeweils einander gegenüberliegenden Pole entgegengesetzt sind, wird jeder Läufermagnet durch den Ständer in die Stellung gezogen. Daher gibt es zwei Arton von Totpunkten im herkömmlichen Gleichstrommotor; der erste Totpunkt ist ein instabiler Tötpunkt, und der letzte Totpunkt ist ein stabiler Totpunkt. Wenn der Läufer in derartigen Totpunkten ist, kann der Motor nicht anlaufen, selbst wenn elektrische Leistung in den Motor eingespeist wird.

Um die mit derartigen Totpunkten verknüpften Probleme zu überwinden, gibt es einen Motoraufbau, der sich durch einen Läufer

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auszeichnet (vgl. ÜS-PS 3 299 335) , der aus magnetischen Teilen und nicht-magnetischen Teilen um den Läuferumfang besteht, wobei die nicht-magnetischen Teile zwischen aufeinanderfolgenden Paaren von Magnetpolen der magnetischen Teile liegen. Durch einen derartigen Aufbau kann der herkömmliche Motor unabhängig von der Winkelstellung des Läufers anlaufen.

Jedoch besteht bei diesem herkömmlichen Gleichstrommotor der Läufer aus mehreren Teilen, wobei zwei verschiedene Arten von Materialien, nämlich die magnetischen Teile und die nichtmagnetischen Teile, miteinander verbunden sind. Daher hat dieser Motor den Nachteil, daß der Läufer nicht einfach herstellbar ist, da verschiedene Arten bogenförmiger Bauteile verbunden werden sollten, um einen Ring mit einem genauen Ausgleich zur Drehung zu bilden, und der Läufer zerbricht leicht infolge der Zentrifugalkraft.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Gleichstrommotor anzugeben, der keine Totpunkte aufweist und unabhängig von der Stellung des Läufers anlaufen kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Der Läufer des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors kann mit einem einheitlichen Material um seine Winkelstellung ausgeführt werden, wodurch der Läufer sehr einfach und haltbar herstellbar ist. Wenn ein Magnetfühler zur Erfassung einer Drehung des Läufers verwendet wird, kann einer der Läufermagneten an sich benutzt werden, um dort einen Wechselmagnetfluß zu liefern.

Der erfindungsgemäße Gleichstrommotor hat also einen Ständer, der einen Ständer-Magnetfluß mit einer Dichteverteilung ein-

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schließlich einer Grundkomponente und einer Hilfskomponente erzeugt, und einen Läufer mit zwei ringförmigen Magneten, von denen der erste Pole besitzt, die mit geraden Winkelteilungen um eine Welle angeordnet sind, und von denen der zweite Pole eines geradzahligen Grades des ersten Magneten aufweist, wobei der Spitzenwert der Flußdichte-Verteilung des zweiten Magneten in einer verschiedenen Lage von den Spitzenwerten der Hilfskomponente ist, wenn der eine Pol der Magnete der Stellung der Flußdichte-Verteilung-Spitzenwerte der Grundkomponente des Ständers gegenüberliegt, wodurch der Motor selbst von Totpunkten der Läuferstellungen durch ein Drehmoment anlaufen kann, das durch die Magnetkräfte zwischen dem zweiten Magneten des Läufers und der Hilfskomponente des Ständers erzeugt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht der Grundstruktur des erfindungsgemäßen Gleichstrommotores;

Fig. 2(a) bis 2(f) Kurven, die Flußdichte-Verteilungen des Gleichstrommotores bezüglich der Winkelstellung um die Achse des Läufers angeben;

Fig. 3 eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung von Magnetringen eines Läufers eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 5 eine Draufsicht eines Ständers des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 6 einen senkrechten Schnitt des Motors des zweiten Ausführungsbeispiels; und

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Fig. 7(a), 7(b) und 7(c) Kurven, die die Flußdichte-Verteilungen des Motors des zweiten Ausführungsbeispiels bezüglich der Winkelstellung um die Achse des Läufers angeben.

Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip wird im folgenden anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. In Fig. 1 hat ein Ständer 1 einer zylindrischen Form zwei Hauptpole 2a und 2b in diagonaler Stellung, d.h. 180° voneinander bezüglich der Achse des Läufers entfernt, und zwei Feldspulen 2a¹ und 2b¹ sind jeweils um die Hauptpole 2a und 2b gewickelt. Ein Läufer 3 ist direkt oder indirekt an einer Welle 4 des Ständers 1 befestigt. Der Läufer 3 umfaßt zwei Dauermagneten 5 und 6, die koaxial angeschlossen oder entlang der Welle 4 verbunden sind. Der Dauermagnet 5 hat zwei Hauptpole (N- und S-PoIe) in der diagonalen Stellung, d.h. 180 voneinander bezüglich der Achse entfernt, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Der Dauermagnet 6 hat vier Hilfspole, die in einer Weise in einem Kreuz angeordnet sind, das Pole entgegengesetzter Art voneinander bezüglich der Achse um 90° entfernt sind, wobei jeder Pol des Dauermagneten 5 zwischen den Polen des Dauermagneten 6 bezüglich einer Winkelstellung um die Achse des Läufers 3 liegt. Die Fläche des in Fig. 1 gezeigten Dauermagneten 5 ist größer als die Fläche des Dauermagneten 6, und folglich ist die Magnetkraft des Dauermagneten 5 größer als die Magnetkraft des Dauermagneten 6. Die Feldspulen 2a¹ und 2b¹ werden abwechselnd aufgrund der Drehung des Läufers 3 durch einen Läuferstellungsdetektor mit beispielsweise einem Hallelement ein- und ausgeschaltet. Die Schaltintervalle der Feldspulen 2a¹ und 2b¹ sind synchron zu einer Polaritätsänderung des Magnetflusses bei den Hauptpolen 2a und 2b durch den Magneten 5. Um ein derartiges synchronisiertes Schalten auszuführen, ist das Hallelement an einer Stelle untergebracht, die gerade dem Magneten 5 gegenüberliegt.

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Wenn die Feldspule 2a¹ erregt ist, wird ein Magnetfluß im Ständer 1 induziert, und die Flußdichte-Verteilung bezüglich der Winkelstellung um die Welle 4 des Ständers 1 ist in Fig. 2(a) gezeigt. Die auf der Abszisse der Figuren 2(a) bis 2(f) aufgetragene Winkelstellung entspricht der in Fig. 1 gezeigten Winkelstellung. In Fig. 2(a) hat die Flußdichte-Verteilung des Ständers 1 eine derartige Form, daß sie in zwei Komponenten aufgelöst werden kann, von denen eine eine in Fig. 2(b) gezeigte Grundkomponente und die andere eine in Fig. 2(c) dargestellte Hilfskomponente, ist. In der Stellung von 0°, in der die Mitte des Hauptpoles 2a vorliegt, haben die Grundkomponente und die Hilfskomponente beide ihre Spitzenwerte der Flußdichte-Verteilung, und die Hilfskomponente hat eine Form einer sekundären harmonischen Welle von derjenigen der Grundkomponente. Zu der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Zeit ist der Hauptpol 2a zu einem N-PoI und der andere Hauptpol 2b zu einem S-PoI erregt. Dagegen haben in dem Läufer 3 in Fig. 1 die Dauermagneten 5 und 6 eine in Fig. 2(d) bzw. 2(e) gezeigte Flußdichte-Verteilung. Insbesondere ist die Verteilung des Flusses des Dauermagneten 5 im wesentlichen gleich wie diejenige der Grundkomponente des Ständers 1, und diejenige des Dauermagneten 6 ist im wesentlichen gleich wie diejenige der Hilfskomponente, wobei jedoch die Phase der Flußdichte-Verteilung des Dauermagneten 6 um 45° von derjenigen der HiIfskomponenten verschoben ist, wie dies in den Fig. 2(c) und 2(e) dargestellt ist.

Unter diesen Umständen ist der Dauermagnet 5 des Läufers 3 im instabilen Totpunkt, da der Ausgleich der magnetischen Rückstoßungskraft zwischen dem Dauermagneten 5 und dem Ständer 1 bewahrt wird, wie dies in den Fig. 2(b), 2(c), 2(d) gezeigz ist. Jedoch läßt eine zwischen dem Dauermagneten 6 und dem Ständer 1 erzeugte Magnetkraft„ d.h. die Magnetkraft zwischen dem Dauermagneten 6 und der HiIfskomponenten der Flußdichte-Verteilung den Läufer 3 in der durch einen Pfeil A in Fig. 1

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angegebenen Richtung im Uhrzeigersinn umlaufen. Wenn der Läufer 3 umläuft, wird ein Drehmoment für die Richtung des Uhrzeigersinnes zwischen dem Dauermagneten 5 und der Grundkomponenten der Flußdichte-Verteilung erzeugt, damit der Läufer 3 weiter umläuft. Wenn sich der Läufer 3 um 180° dreht und den stabilen Totpunkt erreicht, in dem der Dauermagnet 5 durch den Ständer 1 angezogen wird, um dort ruhig zu halten, wird die Erregung der Feldspule 2a' unterbrochen, und die Feldspule 2b¹ wird erregt. Dann nimmt die Flußdichte-Verteilung des durch die Feldspule 2b· erregten Ständers 1 den in Fig. 2(f) gezeigten Verlauf an. Zu dieser Zeit tritt durch das Schalten der Erregung wieder ein instabiler Totpunkt zwischen dem dann N-erregten Hauptpol 2b und dem Pos N des Dauermagneten auf. Jedoch dreht sich der Läufer 3 weiter in der gleichen Uhrzeigerrichtung durch die Magnetkraft zwischen dem Dauermagneten .6 und dem Ständer 1 und durch die Trägheitskraft. Somit wird nach einem Durchgang durch den instabilen Totpunkt ein Drehmoment für die Uhrzeigerrichtung zwischen dem Dauermagneten 5 und der Grundkomponente der Flußdichte-Verteilung in ähnlicher Weise erzeugt, wie dies oben erläutert wurde. Daher läuft der Motor weiter um.

Beispiel 1

Fig. 3 zeigt einen Gleichstrommotor mit einem zweipoligen Innenläufer nach der Erfindung. In Fig. 3 hat der Ständer 11 zwei Hauptpole 21a und 21b in der diagonalen Stellung und zwei Ergänzungs- oder Zusatzpole 21c und 21d, die jeweils zwischen diesen Hauptpolen 21a und 21b angeordnet sind. Die Ergänzungspole 21c und 21d dienen zum Erzeugen einer Hilfskomponenten der Flußdichte-Verteilung des Ständers 11. Feldspulen 21a¹ und 21b¹ sind um Halsteile der Hauptpole 21a und 21b gewickelt. Die einen Enden der beiden Feldspulen 21a¹ und 21b¹ sind mit einem Schalttransistor Tr1 bzw. Tr2 verbunden, und die ande-

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ren Enden der beiden Feldspulen 21a¹ und 21b¹ sind mit einer Gleichspannungsquelle E zusammengeschaltet. Der Läufer 31 dieses Ausführungsbeispiels ist gleich wie der Läufer der Fig. Eine Detektoreinrichtung, wie beispielsweise ein Hallelement HD, liegt vor dem Ergänungspol 21c zum Erfassen der Drehung des Läufers 31. Durch das Hallelement HD synchron mit der Änderung des Magnetflusses des Läufermagneten 5 erhaltene Drehungssignale werden zu einem Schaltglied 71 gespeist, das beispielsweise ein Flip-Flop aufweist und die Schalttransistoren Tr1 und Tr2 so steuert, daß sie abwechselnd einschalten. Durch einen derartigen Aufbau wird der Strom zu den Feldspulen synchron mit der Drehung des Läufers 31 durch die Schalttransistoren Tr1 und Tr2 geschaltet.

Beispiel 2

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Außengleichstrommotores nach der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Außenläufer 32 eine zylindrische Gestalt mit einem Loch, d.h. er bildet ein kurzes Rohr oder einen Ring, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Der Läufer 32 dieses Ausführungsbeispiels besteht aus einem ersten ringförmigen Dauermagneten 52 mit vier Polen und aus einem zweiten ringförmigen Dauermagneten 62 mit acht Hilfspolen. Die N- und S-PoIe der Dauermagneten 52 und 62 sind abwechselnd entlang des Randes hiervon angeordnet, und jede andere Randfläche der Pole des Dauermagneten 62 liegt gerade auf demjenigen der Pole des Dauermagneten 52, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Die Dauermagneten 52 und 62 haben die gleichen Außen- und Innendurchmesser und die gleichen Dicken. Jedoch ist die Höhe "a" des Dauermagneten 52 größer als die Höhe "b" des Dauermagneten 62, wodurch die Magnetkraft des Dauermagneten 52 größer als diejenige des Dauermagneten 62 ist. Beide ringförmigen Dauermagneten 52 und 62 sind koaxial um die Achse des Läufers

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32 verbunden. Der Ständer 12 dieses Äusfuhrungsbeispiels hat vier Hauptpole 22a, 22b, 22c und 22d und vier Ergänzungspole 22e, 22f, 22g und 22h, die abwechselnd angeordnet sind. Die Ergänzungspole 22e, 22f, 22g und 22h dienen zum Erzeugen der Hilfskomponenten der Flußdichte-Verteilung. Die Feldspulen 22a¹ und 22c¹, die entlang den jeweiligen Hauptpolen 22a und 22c gewickelt sind, sind in Reihe von der Gleichspannungsquelle E zu einem Schalttransistor Tr3 verbunden. Die Feldspulen 22b' und 22d', die entlang den jeweiligen Hauptpolen 22b und 22d gewickelt sind, sind in Reihe von der Gleichspannungsquelle E zu einem Schalttransistor Tr4 verbunden. Ein Hallelement HD zum Erfassen einer Drehung des Läufers 32 ist neben dem Ergänzungspol 22f gehalten und sendet erfaßte Signale zu einem Schaltglied 72. Das Schaltglied 72 hat beispielsweise ein Flip-Flop und steuert die Schalttransistoren Tr 3 und Tr4 derart, daß sie abwechselnd bezüglich der Drehung des Läufers 32 einschalten. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist der Ständer 12 auf einer Motorgehäuseunterlage 13 befestigt. Der Läufer 32 ist um den Ständer 12 angeordnet und in einem Flanschteil 33 einer Haube 34 befestigt. Die Haube 34 ist drehbar auf der Motorgehäuseunterlage 13 gehalten, indem eine Welle 42 durch ein Lager 14 gelagert ist.

Für dieses Ausführungsbeispiel ist die Flußdichte-Verteilung des Ständers 12 zu der Zeit, wenn die Feldspulen 22a¹ und 22c¹ erregt sind, in Fig. 7(a) angegeben. Wie in Fig. 7(a) gezeigt ist, hat diese Flußdichte-Verteilung einen ähnlichen Verlauf wie in Fig. 2(a), wobei jedoch die Frequenz doppelt so hoch wie die Frequenz des ersten Beispiels ist. Ähnlich zum ersten Beispiel kann die Flußdichte-Verteilung des Ständers 12 in zwei Komponenten, d.h. in die Grundkomponente und die Hilfskomponente, aufgelöst werden. Die Flußdichte-Verteilung des Dauermagneten 52 und 62 des Läufers 32 ist ebenfalls ähnlich zu den Verläufen in Figuren 2(d) und 2(e), wobei jedoch beide eine verdoppelte Frequenz haben. Daher kann der Motor

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dieses Ausführungsbeispiels in ähnlicher Weise unabhängig von der Winkelstellung des Läufers anlaufen, wie dies oben böschrieben wurde.

In den obigen Ausführungsbeispielen ist die Hilfskomponente der Flußdichte-Verteilung des Ständers eine sekundäre harmonische Welle der Grundkomponenten hiervon. Jedoch kann die Hilfskomponente irgendeine harmonische Welle eines geradzahligen Grades der Grundkomponenten sein.

Der erfindungsgemäße Gleichstrommotor hat keine Totpunkte wie der herkömmliche Motor, so daß er bei jeder Winkelstellung des Läufers anlaufen kann. Weiterhin besteht der Läufer bei der Erfindung lediglich aus zwei ringförmigen magnetischen Materialien, die sehr fest gegen die Zentrifugalkraft sind, und damit kann der Motor einfach hergestellt werden, und er ist äußerst haltbar. Wenn weiterhin ein Hallelement für die Drehungs-Detektoreinrichtung benutzt wird, ist es nicht erforderlich, andere Magnete zu verwenden, damit ein Wechselmagnetfluß für das Hallelement vorliegt, um die Drehung des Läufers synchron zu gestalten.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

f1.J Gleichstrommotor mit einem Dauermagnetlaufer und einem Ständer mit wenigstens zwei Erregerspulen, wobei der in die Erregerspulen zu speisende Gleichstrom abwechselnd abhängig von der Winkelstellung des Läufers schaltbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (1) eine vorbestimmte Anzahl von Hauptpolen (2a, 2b) aufweist, die durch die Erregerspulen (2a¹, 2b¹) zu erregen sind und einen Magnetfluß mit einer Flußverteilung bezüglich einer Winkelstellung um die Achse des Ständers (1) erzeugen, der eine Grundkomponente einer wellenförmigen Flußdichte-Verteilung und eine Hilfskomponente einer Flußdichte-Verteilung einer harmonischen Welle eines geradzahligen Grades der wellenförmigen Flußdichte-Verteilung aufweist, wobei die harmo-

nische Welle einen Wellen-Spitzenwert bei der gleichen Winkelstellung wie der Wellen-Spitzenwert in der Welle der Grundkomponente hat, und daß der Läufer (3) einen ersten Magneten (5) und einen zweiten Magneten (6) aufweist, von denen der erste Magnet (5) die gleiche Anzahl von Läuferpolen wie diejenige der Hauptpole (2a, 2b) und eine erste Flußdichte-Verteilung bezüglich der Winkelstellung um die Achse des Läufers (3) hat, wobei die erste Flußdichte-Verteilung im wesentlichen den gleichen Verlauf wie die Grundkomponente aufweist, und von denen der zweite Magnet (6) Hilfsläuferpole der geraden Anzahl der Hilfsläuferpole und eine zweite Flußdichte-Verteilung bezüglich der Winkelstellung um die Achse des Läufers (3) hat, wobei die zweite Flußdichte-Verteilung im wesentlichen den gleichen Verlauf wie die Flußdichte-Verteilung der Hilfskomponente aufweist, wobei jedoch ein Wellen-Spitzenwert der zweiten Flußdichte-Verteilung bezüglich eines Wellen-Spitzenwertes der Hilfskomponenten um einen vorbestimmten Winkel verschoben ist und die ersten und zweiten Magneten (5, 6) koaxial um die Achse des Läufers (3) angeordnet sind.
2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskomponente der Flußdichte-Verteilung des Ständers (1) eine sekundäre harmonische Welle der Grundkomponente ist.
3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Magnet (5) eine größere Magnetkraft als der zweite Magnet (6) aufweist.
4. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Magnet (5, 6) des Läufers (3) Dauermagneten sind.
5. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (1) jeweils Ergänzungspole (22e, 22f, 22g und 22h) jeweils zwischen den Hauptpolen (22a, 22b, 22c

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und 22d) aufweist.
6. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Magnet (5, 6) miteinander verbunden sind.
7. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltglied (72) in Reihe zu den Erregerspulen (2a¹, 2b¹) liegt, und daß das Schaltglied (72) eine Einrichtung (HD) aufweist, um eine Änderung des Magnetflusses des ersten Magneten (5) des Läufers (3) zu erfassen, um dadurch diesen gesteuert zu schalten.

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