DE3149766C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Motoren haben sich wegen ihres einfachen Aufbaus und ihres hohen Wirkungsgrads ein breites Anwendungsfeld erobert.

Ideal für einen Motor mit Reluktanz-Hilfsmoment wäre ein Stator ohne Nutöffnungen, denn jede Nut bringt Diskontinuitäten in den Luftspaltverlauf und verzerrt das Reluktanz-Hilfsmoment, das der Konstrukteur idealerweise erzielen möchte.

Man benötigt aber Nutöffnungen, um auf wirtschaftliche Weise die Wicklung in das Statorblechpaket einzubringen, und die Nutöffnungen müssen auch eine Mindestbreite von 3 . . . 4 mm haben, damit man die Wicklung bequem einbringen kann. Jeder, der schon einmal selbst gewickelt hat, kennt das Problem. Bei Motoren dieser Bauart hat das Statorblechpaket typisch einen Durchmesser von etwa 50 mm, und dabei sind naturgemäß Nutbreiten von 3 . . . 4 mm nicht vernachlässigbar.

Ein Motor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist bekannt aus der DE 23 46 380 C2. Aus dieser Schrift ist der Gedanke zu entnehmen, den Effekt der Nutöffnung auf das Reluktanz- Hilfsmoment dadurch zu kompensieren, daß man links und rechts von der Nutöffnung zusätzliche Eisenmassen anbringt. Dadurch rückt das Minimum des Luftspalts bis an die Nut heran. Das Maximum des Luftspalts ist etwa vier Nutbreiten von der Nut entfernt. Dies führt dazu, daß die Phasenlage des Reluktanz-Hilfsmoments relativ zum elektromagnetischen Drehmoment nicht optimal ist.

Die DE 29 19 581 A1 betrifft einen Motor dieser Art mit einem Luftspaltverlauf für einen speziellen Anwendungsfall, nämlich einen Motor, der im Betriebszustand nur ein kleines Drehmoment benötigt. Ein typisches Beispiel ist ein Kopfradmotor für einen Videorecorder. Bei Betriebsdrehzahl bildet sich zwischen Kopfrad und Videoband eine Luftschicht, die wie ein Gleitfilm wirkt, so daß der Motor dann mehr oder weniger im Leerlauf läuft und folglich nur ein kleines Antriebsmoment braucht.

In einem solchen Fall, wo also das elektromagnetische Antriebsmoment im Betriebspunkt nur klein ist, würde ein starkes antreibendes Reluktanz-Hilfsmoment stören, und deshalb hat man es hier klein gehalten, damit es im Betrieb das kleine elektromagnetische Antriebsmoment ergänzt, aber nicht über dieses hinausragt, was zu einem unregelmäßigen Gesamtmoment führen würde und unerwünschte Vibrationen und Verzerrungen des Videobildes zur Folge hätte.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen kollektorlosen Gleichstrommotor bereitzustellen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Motor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst durch die im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen. Man erhält so ein Reluktanz-Hilfsmoment, dessen antreibender Teil kurz und stark ist und zudem relativ zum elektromagnetischen Antriebsmoment die richtige Phasenlage hat, deshalb gut in die Lücken des elektromagnetischen Antriebsmoments paßt und dieses ergänzt, so daß ein guter Gleichlauf entsteht.

Ein solcher Motor hat auch dann gute Anlaufeigenschaften, wenn er ein Gerät mit sogenannter trockener Reibung antreibt. Eine solche Reibung ergibt sich z. B., wenn Lager mit sogenannten Dichtlippen abgedichtet werden, welche das Eindringen von Schmutz verhindern sollen. Größe und Form des antreibenden Teils des Reluktanz-Hilfsmoments bewirken, daß auch bei trockener Reibung, wie sie z. B. für die Verwendung bei Plattenspeichern charakteristisch ist, der Rotor sicher in eine für den Start günstige Stellung gedreht wird, so daß ein sicherer Anlauf gewährleistet ist. Auch der bremsende Teil des Reluktanz-Hilfsmoments hat hierbei einen sehr günstigen Verlauf.

Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch die im Anspruch 2 angegebenen Maßnahmen, denn man erhält so auch eine optimierte Form des elektromagnetischen Antriebsmoments, so daß dieses optimal an die Form des Reluktanz- Hilfsmoments angepaßt ist. Die Erzeugung einer frühen Kommutierung ist für sich bekannt aus der DE 28 04 787 A1.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich durch die Maßnahmen gemäß Anspruch 4. Hierdurch erzielt man eine besonders günstige Form des - an sich unerwünschten - bremsenden Teils des Reluktanz-Hilfsmoments, welcher dem Motor Energie entzieht (und vorübergehend speichert), so daß der Energieentzug gleichmäßig ist und sich über einen großen Drehwinkel verteilt.

Sehr vorteilhafte Anwendungen ergeben sich bei erfindungsgemäßen Motoren als Plattenspeicherantrieb oder als Antrieb eines Gerätelüfters.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, sowie aus den übrigen 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 Außenläufermotors,

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 Vergrößerungs­ maßstab 2 : 1,

Fig. 4 einen kompletten Blechschnitt analog Fig. 3, aber in natürlicher Größe und gegenüber Fig. 3 spiegelverkehrt dargestellt,

Fig. 5 eine maßstäblich vergrößerte, abgewickelte Darstellung des Luftspaltverlaufs bei dem Motor nach den Fig. 1 bis 4 über einem Teil des Statorumfangs, und

Fig. 6 Schaubilder zur Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt etwa im Maßstab 1 : 1 einen als Außenläufermotor ausgebildeten kollektorlosen Gleichstrommotor 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 soge­ nannten Gummimagneten besteht, also aus einer Mischung aus Hart­ ferriten und elastomerem Werkstoff. Der Magnetring 16 ist radial magnetisiert und hat vier Pole, vgl. Fig. 5, in der zwei Rotor­ pole dargestellt sind. Die Pollücken des Magnetrings 16 sind mit 17 bezeichnet und können leicht geschrägt sein; Fig. 1 zeigt eine ungeschrägte Pollücke 17.

Die Rotorpole haben jeweils eine etwa trapezförmige Magnetisierung, und die Pollücken 17 sind schmal und haben jeweils eine Breite im Bereich von etwa 10 . . . 20° el., d.h. bei den Rotorpolen ist der Bereich mit etwa konstanter Induktion groß, wie das in der DE 23 46 380 C2 ausführlich beschrieben ist.

Das Statorblechpaket 18 ist - außer am Luftspalt 19 - mit Kunst­ stoff so umspritzt, daß sich Wickelkörper 22 bilden, die in Fig. 1 angedeutet sind, und in diese sind vier Statorwicklungen einge­ wickelt, von denen in den Fig. 1 und 2 nur die Wicklungen 23, 24 und 25 sichtbar sind. Die Wicklungen sind so geschaltet, wie das Fig. 1 der DE 23 46 380 C2 oder die Bilder 2 und 3 des Aufsatzes von Müller "Zweipulsige kollektorlose Gleichstrommotoren" in der Zeitschrift "asr-digest für angewandte Antriebstechnik", Heft 1-2/1977, zeigen. Pro Rotordrehung 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 die DE 23 46 380 C2 anhand von Fig. 5 beschreibt, ebenso die vorgenannte Literatur­ stelle "asr" anhand von Bild 9. Um unnötige Längen zu vermeiden, wird zu diesen Punkten ausdrücklich auf die genannten Veröffent­ lichungen verwiesen sowie darauf, daß der gesamte Inhalt der DE 23 46 380 C2 integraler Bestandteil der vorliegenden Beschrei­ bung und Zeichnung ist.

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

Das Statorblechpaket 18 ist innen mit einer Öffnung 27 versehen, durch welche die Buchse 12 durchragt, ferner mit Befestigungs­ löchern 28 zur Befestigung an einem anzutreibenden Gerät, in dem sich in der Praxis auch die Lager 14 für den Rotor befinden kön­ nen. Ferner sind im Statorblechpaket 18 Befestigungslöcher 28′ vorgesehen.

An der Unterseite des kollektorlosen Gleichstrommotors 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 darge­ stellt, Anschlußstifte 35, Bauelemente 36 und einen bei 37 ange­ deuteten Hallgenerator trägt. Der Hallgenerator, welcher als Drehstellungs­ detektor 37 dient, ist nicht in der neutralen Zone angeordnet, die in Fig. 2 mit 38 bezeichnet ist, und die durch die Mitte der betreffenden Nutöffnung geht, sondern er ist um einen Winkel 39 entgegen der Drehrichtung 26 versetzt. Der Winkel 39 hat bevorzugt eine Größe von etwa 0 . . . 5° el. Der Drehstellungsdetektor 37 dient, genauso wie bei der DE 23 46 380 C2, zum Steuern der Ströme in den Statorwicklungen 23, 24, 25 etc. und wird vom Magnetfeld des Magnetrings 16 gesteuert. Die einzelnen Anschlüsse der Wicklungen sind an entsprechenden Punkten der Leiterplatte 29 festgelötet.

Das Statorblechpaket 18 hat, wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, vier ausgeprägte Statorpole 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.

Fig. 5 zeigt maßstäblich in stark vergrößertem Maßstab den Verlauf des Luft­ spalts 19 über einer Polbreite, also über 180° el. Dieser Luft­ spaltverlauf ist bei allen vier Statorpolen derselbe und wird deshalb nur für den Statorpol 40 dargestellt.

Fig. 3 zeigt mit einer strichpunktierten Linie den Hüllzylinder 49, der die kreiszylindrische Umhüllende des Statorblechpakets 18 darstellt. An der Stelle 50, also in Fig. 3 auf dem rechten oberen Polhorn 51, befindet sich die Stelle kleinsten Luftspalts, und an der Stelle 52, also in Fig. 3 auf dem rechten unteren Pol­ horn 53, befindet sich die Stelle größten Luftspalts. Der Magnetring 16 ist ebenso wie bei der DE 23 46 380 C2 etwa trapezförmig magnetisiert (vgl. dort Fig. 5a) und hat, wie bereits erläutert, enge (magnetische) Pollücken 17 zwischen seinen Polen. Im Ruhe­ zustand, also wenn der Motor 10 stromlos ist, stellen sich diese Pollücken 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, und zwar nimmt er, wie dargestellt, von der Stelle 50 ausgehend entgegen der Drehrichtung etwa auf der ersten Hälfte des Polbo­ gens langsam und auf der zweiten Hälfte des Polbogens stärker zu. Dieser Verlauf ergibt sich gemäß Fig. 3 durch eine kreisringsektor­ förmige Ausbildung, wobei der Kreismittelpunkt 70 für den Pol 41 etwa auf der Winkelhalbierenden 71 zwischen den Statorpolen 40 und 41 liegt und von der Mitte des Blechschnitts einen Abstand 73 aufweist, der bevorzugt etwa 3 . . . 6% des Durchmessers des Hüll­ zylinders 49 beträgt. Der Radius des Kreisringsektors ist mit 74 be­ zeichnet, und wie dargestellt geht dieser Kreisringsektor z. B. für den Statorpol 41 an der Stelle 50 etwa tangential in den Hüll­ zylinder 49 über. Diese Ausbildung hat naturgemäß auch stanz­ technisch erhebliche Vorteile. Der Kreisringsektor erstreckt sich also z. B. beim Statorpol 41 von der Stelle 50 bis etwa zur Stelle 52. Die Ausbildung der anderen Statorpole ist völlig symmetrisch, wie Fig. 4 klar zeigt.

In Fig. 5 ist die Stelle kleinsten Luftspalts des Statorpoles 44 mit 50′ bezeichnet. Man erkennt, daß von der Stelle 50′ zur Stelle 52 in einem kleinen Drehwinkelbereich von etwa dem Zweifachen der Breite der Nutöffnung 44 eine starke Luftspalt­ zunahme in Drehrichtung erfolgt, und daß anschließend der Luft­ spalt 19 zunächst ebenfalls wieder stark abnimmt.

Die Form des Reluktanzmoments wird bei Motoren dieser Art weitgehend durch die Art der Zu- und Abnahme des Luftspalts 19 bestimmt. Zur Erleichterung des Verständnisses kann man sich die Erzeugung des Reluktanzmoments in der Pollücke 17 konzen­ triert denken. (In der Realität bewirkt naturgemäß die Pollücke 17 kein Drehmoment, da sie ja weitgehend unmagnetisch ist.) - Läuft die Pollücke 17 vom Punkt 50′ zum Punkt 52, so entsteht ein starkes antreibendes Reluktanzmoment, das in Fig. 6B mit 75 bezeichnet ist. Dieses antreibende Reluktanzmoment ent­ steht während eines Zeitraumes, während dessen dem Rotor 16 kein elektromagnetisches Drehmoment zugeführt wird, vergleiche in Fig. 6A die Lücken 76 zwischen den im Motor fließenden Strömen i_Mot.

Läuft anschließend der Rotor 16 - elektromagnetisch angetrieben - weiter, so durchläuft die Pollücke 17 den Luftspaltbereich von 52 bis 50, wobei ein bremsendes Reluktanzmoment erzeugt wird, das in Fig. 6B mit 77 bezeichnet ist. Günstig ist hierbei, daß dieses bremsende Reluktanzmoment relativ gleichmäßig ist.

Man erreicht so zum einen, daß auch bei relativ starker trockener Reibung, wie sie für manche Anwendungen charakteristisch ist, z. B. für Plattenspeicherantriebe, der Rotor stets in eine richtige Startstellung kommt, die in Fig. 6B mit 52 bezeichnet ist, also der in Fig. 5 dargestellten Rotorstellung entspricht, bei der die Pollücke 17 der Statorstelle 52 gegenüberliegt.

Zum anderen ergibt sich trotz dieses Verlaufs des bremsenden Reluktanzmoments 77 ein günstiger Verlauf des Gesamtmoments, da durch die beschriebene Versetzung des Drehstellungsdetektors 37 ent­ gegen der Drehrichtung 26 um den Winkel 39 der Motorstrom nach der Kommutierung rasch auf einen Höchstwert 80 ansteigt, der einem maximalen elektromagnetisch erzeugten Drehmoment ent­ spricht und zeitlich etwa mit dem Maximum 78 des Reluktanzmo­ ments zusammenfällt, und da anschließend, bedingt durch die dann aufgebaute hohe Gegen-EMK in der betreffenden Statorwicklung, der Motorstrom im Bereich 81 abfällt, wodurch auch das elektro­ magnetische Drehmoment entsprechend abnimmt, wobei diese ab­ fallende Zone 81 etwa mit der abnehmenden Zone 79 des bremsenden Reluktanzmoments zusammenfällt. Anders gesagt: Elektromagnetisches Antriebsmoment und Reluktanzmoment sind optimal aneinander ange­ paßt.

Ein solcher Motor vereinigt also in sich die - an sich gegen­ sätzlichen - Forderungen nach sicherem Anlauf bei trockener Reibung und nach einem weitgehend gleichmäßigen Gesamtmoment. Da der Anlauf naturgemäß bei niedriger Reibung um so leichter erfolgt, eignen sich erfindungsgemäße Motoren für ein großes Anwendungsspektrum vom Gerätelüfter bis zum Magnetplattenspeicher.

Fig. 6A zeigt bei 82 mit einer gestrichelten Linie den Verlauf des Motorstroms bei Anordnung des Drehstellungsdetektors 37 in der mag­ netisch neutralen Zone. In diesem Fall ergibt sich ein langsamer Stromanstieg, und das Strommaximum 83 liegt an einer anderen Stelle, nämlich kurz vor dem Kommutierungszeitpunkt. In diesem Falle würde sich ein sehr ungleichförmiges Gesamtmoment ergeben. Außerdem wäre die beim Abschalten entstehende hohe Stromspitze auch ungünstig, weil sie magnetostriktive Geräusche im Blech­ paket hervorrufen könnte. Durch die Erfindung ergibt sich also gleichzeitig auch ein geräuscharmer und elektrisch störungs­ armer Lauf des Motors.

Naturgemäß kann dasselbe Prinzip auch bei einem Innenläufer­ motor 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.

Zum Erzielen eines raschen Stromanstiegs nach der Kommutierung, d.h. zum Erzielen einer "frühen" Kommutierung, kann man auch den Drehstellungsdetektor 37 in der neutralen Zone 38 belassen und stattdessen beim Magnetring 16 die Pollücken dort etwas ver­ setzen, wo dieser Rotormagnet den Drehstellungsdetektor 37 steuert. Es ergibt sich dann eine kompliziertere Form der Rotormagneti­ sierung, aber ebenfalls eine "frühe" Kommutierung.

Claims (12)

1. Zweipulsiger kollektorloser Gleichstrommotor (10) mit einem etwa zylindrischen Luftspalt, mit einem permanentmagnetischen Innen- oder Außenrotor (11, 12, 13, 16), dessen Magnetisierung etwa trapezförmig ist und schmale Pollücken (17) der Magnetisierung zwischen den Polen aufweist, mit einem Statorblechpaket (18), welches eine von mindestens einem Drehstellungsdetektor (37) gesteuerte, im Betrieb ein Wechselfeld und damit ein Lücken aufweisendes elektromagnetisches Antriebsmoment erzeugende Statorwicklung (23, 24, 25) sowie Nutöffnungen (44) an den Enden der Statorpolbögen aufweist, mit einem zur Erzeugung eines Reluktanzmomentes (Fig. 6B) über einem Statorpolbogen (τ_p) in Drehrichtung (26) gesehen zuerst zunehmenden und dann abnehmenden magnetisch wirksamen Luftspalt zwischen dem Umfang des Statorblechpakets (18) und dem diesem gegenüberliegenden Umfang des Rotors, wobei sich das Minimum (50, 50′) des Luftspalts (19) jeweils praktisch bei der Nutöffnung (44) an einem Ende eines Statorpolbogens (τ_p) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisch wirksame Luftspalt in Drehrichtung (26) gesehen sowohl zwischen den Kanten dieser Nutöffnung (44) als auch anschließend in einer Größenordnung von der Breite dieser Nutöffnung (44) stark zunimmt.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Drehstellungsdetektors (37) und/oder der ihn steuernde Informationsträger zur Erzeugung einer frühen Kommutierung ausgebildet ist, um im Bereich einer niedrigen in der Statorwicklung induzierten Spannung einen raschen Stromanstieg in der vom Drehstellungsdetektor (37) angesteuerten Statorwicklung (23, 24, 25) zu erhalten.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Stelle maximalen tatsächlichen Luftspalts (52) von dem luftspaltseitigen Hüllzylinder (49) des Statorblechpakets (18) etwa 3 . . . 6% des Durchmessers dieses Hüllzylinders (49) beträgt.

4. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Drehrichtung (26) gesehen der magnetisch wirksame Luftspalt von seiner Stelle maximalen tatsächlichen Luftspalts (52) aus jeweils etwa auf der Hälfte des betreffenden Statorpolbogens (τ_p) schnell und etwa auf der anschließenden Hälfte langsam abnimmt.

5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in Drehrichtung (26) gesehen abnehmende Abschnitt des Luftspalts im Bereich der Nutöffnungen (44) am Ende eines Polbogens (τ_p) jeweils etwa tangential in den luftspaltseitigen Hüllzylinder (49) des Statorblechpakets (18) übergeht.

6. Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, welcher als vierpoliger Außenläufermotor mit ausgeprägten Statorpolen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole (40 bis 43) etwa von der Stelle maximalen tatsächlichen Luftspalts (52) bis etwa zu dem in Drehrichtung (26) weisenden Statorpolhorn (z. B. 51) als Kreisringsektoren (Radius 74) ausgebildet sind.

7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (Radius 74) des Kreisringsektors etwa 85 . . . 95% des Durchmessers des luftspaltseitigen Hüllzylinders (49) des Statorblechpakets (18) und vorzugsweise etwa 91% dieses Wertes beträgt.

8. Motor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt (70) des Kreiszylinders jeweils etwa auf der Winkelhalbierenden (71) zwischen dem betreffenden Statorpol (41) und dem in Drehrichtung (26) darauffolgenden Statorpol (40) liegt.

9. Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Mittelpunkts (70) des Kreisringsektors vom Mittelpunkt des Hüllzylinders (49) etwa 3 . . . 6% des Durchmessers des Hüllzylinders (49) beträgt.

10. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor für eine Drehzahl im Bereich über 3000 U/min der als galvanomagnetischer Sensor ausgebildete Drehstellungsdetektor (37) um etwa 0 . . . 5° el. entgegen der Drehrichtung (26) aus der neutralen Zone (38) heraus versetzt (39) oder die Magnetisierung des Rotormagneten in seinem diesen Drehstellungsdetektor (37) steuernden Bereich um einen entsprechenden Winkel in Drehrichtung (26) versetzt ist, um eine entsprechend frühe Kommutierung zu erhalten.

11. Verwendung eines Motors nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche als Plattenspeicherantrieb.

12. Verwendung eines Motors nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 in einem Gerätelüfter.