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Kollektorloser Gleichstrommotor
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Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein solcher Motor soll bei extremer axialer Kompaktheit zum Direktantrieb
von Speicherplatten in signalverarbeitenden Geräten, insbesondere sogenannten Mini-Floppys,
dienen.
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Diese Speicherantriebe haben eine Drehzahl von einigen Hundert Umdrehungen
pro Minute, vorzugsweise 360 oder 300 U/min.
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Dabei soll das Drehmoment möglichst konstant sein. Aus diesem Grunde
ist bei der im übrigen geforderten extrem großen axialen Kompaktheit die Anordnung
der Rotormasse so vorzusehen, daß sich ein großer Trägheitsradius für eine hohe
Schwungenergie im Betrieb ergibt, außerdem ein guter Wirkungsgrad, d.h. große Leistung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese geforderten Eigenschaften
bei einem konstruktiv einfachen und fertigungsfreundlichen, möglichst billigen Motor
zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruchs 1 gelöst.
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Die weiteren Ausgestaltungen betreffen weitere Vorteile der Erfindung.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Dieses ist
durch die folgenden Figuren dargestellt: Fig. 1 zeigt den Schnitt du-rch die Nut
mit dem Hall-IC und durch einen Statorpol.
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Fig. 2 zeigt die Ausbildung der Statorpole, die jeweils dem Hall-IC
benachbart sind.
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Fig. 3 zeigt einen Statorpol, der eine Tachowindung teilweise aufnimmt,
Fig. 4 einen Schnitt ähnlich der Fig. 1, Fig. 5 zeigt den Statorblechschnitt des
Ausführungsbeispiels.
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Auf die zeichnerische Darstellung und ihre Maße, insbesondere auf
die Bemessungsangaben, wird ausdrücklich hingewiesen.
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Der in Fig. 1 dargestellte bürstenlose Gleichstrommotor lo weist ein
mit der Rotorwelle 11 fest verbundenes und zur Rotorwelle 11 konzentrisches Rotorgehäuse
18 auf. Dieses Rotorgehäuse 18 ist aus einem magnetisch gut leitenden Werkstoff,
insbesondere.Weicheisen, gefertigt und vorzugsweise als Tiefziehteil topfartig ausgebildet.
Es dient als magnetischer Rückschluß für den Permanentmagneten 15.
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Der Permanentmagnet im Rotor hat normalerweise einen weichmagnetischen
Rückschluß rotorseitig, der bei zylindrischem Luftspalt ein umfangmäßig diesen Permanentmagneten
umgebender weichmagnetischer Teil ist, der ihnyradial außerhalb umfaßt.
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(den Permanentmagnete> Wenn diese radiale Umfassung radial sehr
dünnwandig ist oder eventuell ganz entfällt, kann gerade bei einem kunststoffgebundenen
Permanentmagneten, der
an sich dann auch eine gewisse radiale Dickevbraucht, axial seitlich davon z.B.ein
ferromagnetischeT, also ein weichmagnetischerSringartiger oder scheibenartiger Rückschlußteil
vorgesehen
sein, der eine ebene Erstreckung hat, diesenkrecht zur Rotorachse verläuft. Er ist
also dann u.U.
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axial seitlich im Streuflußbereich des Rotormagneten angeordnet. Bei
bestimmten Anwendungsfällen dürfte eine solche Anordnung des Rückschlußeisens zweckmäßig
sein, insbesondere, wenn man mit dem radialen Einbaumaß begrenzt ist.
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Das Statorblechpaket 12 wird in bekannter Weise aus einzelnen Blechen
gebildet, wobei die Endbleche 13, 14 im Bereich der Polköpfe jeweils axial abgebogen
sind, so daß sich die am Luftspalt magnetisch wirksame Höhe h des Statorblechpaketes
12 erhöht. Der äußerste Abstand (axial) der abgebogenen Enden der Endbleche 13,
14 entspricht in etwa der axialen Erstreckung der Statorspulen 16. In Fig.4 sind
je zwei Bleche in dieser Weise aufgebogen, das Endblech jeweils etwas stärker.
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Die Endbleche des Statorblechpaketes sind im Bereich der Polköpfe
axial vom Blechpaket weggebogen oder es sind dort besondere Endbleche vorgesehen,
an denen Polbleche angeformt oder befestigt sind, die axial am Luftspalt sich vom
Zentrum des Statorblechpakets weg erstrecken, damit das Statorblechpaket axial aufgeweitet
wird und somit der Fluß mit möglichst gleichmäßiger Verteilung aus dem rotorseitigen
Permanentmagnetring, der nur eine begrenzte Induktion aufweist, ins Statoreisen
hinein-oder von dort zurückgeleitet wird, wodurch sich am Luftspalt 28 eine grössere,
magnetisch wirksame Statoreisenlänge h ergibt.
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Im Sinne großer Leistung macht man den Permanentmagneten 15, gerade
wenn er kunststoffgebunden als sogenannter Gummimagnet ausgebildet ist, axial möglichst
lang, d.h. 1 groß.
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Die magnetisch wirksame Höhe h des Statorblechpaketes 12 paßt man
möglichst an die axiale Länge 1 des Permanentmagneten 15 an, d.h. h ist möglichst
groß, d.h. h ist möglichst gleich 1.
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Das Statorblechpaket 12 ist fest auf das eine Ende des Lagerrohrs
20 aufgebracht, das mit dem Montageflansch 21 ein einstückiges Druckgußteil bildet.
Die Rotorwelle 11 ist im Lagerrohr 20 mit Hilfe von zwei Lagern 22, 23 gelagert.
Diese Lager 22, 23 sind durch Klebung oder Preßsitz mit dem Lagerrohr 20 fest verbunden.
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Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen 12-poligen Motor,
wobei jeder Statorpol mit einem magnetischen Wechselfeld bzw. einem pulsierenden
Gleichfeld erregt wird (sogenannter zwei-oder einpulsiger Betrieb), wobei z.B. beim
zweipulsigen Betrieb benachbarte Statorpole,gegensinnig erregt, mit ungleichen benachbarten
Rotorpolen drehmomentbildend zusammenwirken und die Ausbildung des Statoreisens,
hier konkret durch Veränderung des Luftspalts, über den Drehwinkel abhängig derart
verläuft, daß im Betrieb in den Drehmomentpausen, in denen durch das erregende Wechsel-bzw.
durch das pulsierende Gleichfeld kein elektrodynamisches Drehmoment erzeugt wird,
ein wenigstens annähernd gegenphasiges Reluktanzhilfsmoment durch Kraftwirkung zwischen
dem Rotormagneten und dem Statoreisen entsteht. Solche Motoren sind in ihrer Funktionsweise
in der DE-OS 22 25 442 (bzw. DE-OS 28 35 210) beschrieben. Die DE-PS 23 46 38 beschreibt
die vorteilhafte, in Umfangsrichtung trapezförmige Magnetisierung des Rotormagneten
für solche Motorenagemäß der DE-OS 22 25 442.
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Entsprechend der Rotorpolzahl sind die 12 Statorpolevdes Statorblechpakets
12 mit 12 Statorspulen 16 bewickelt. Diese sind fortlatifend, aber jeweils abwechselnd
grgensinnig gewickelt ausgeführt(. 6) Falls die Statorwicklung bifilar ausgeführt
ist, wird sie mit einer sogenannten Halbbrückenschaltung betrieben. Das hat zur
Folge, daß jeweils nur der eine der beiden Drähte bestromt wird, also das Kupfervolumen
nur halb ausgenutzt wird, was natürlich einen Nachteil dann bedeutet, wenn man eine
möglichst große Leistung haben möchte. Im Falle möglichst großer Leistung verwendet
man eine eindrähtige Wicklung und betreibt diese dann mittels einer sogenannten
Vollbrückenschaltung. Zur Bifilarität siehe auch DE-OS 28 35 210.
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Fig. 2 bis 4 zeigen teilweise die Anordnung der Statorspulen 16 auf
dem Statorblechpaket 12. Der magnetische Rotorstellungsgeber 29, hier ein sogenannter
Hall-IC, ist in Fig.2 angrenzend an den Luftspalt 28 in einer Nut zwischen zwei
benachbarten Statorpolköpfen 30, 31 und innnerhalb der axialen Länge des Statorblechpaketes
12 angeordnet (Fig. 1), in Fig. 5 jedoch an der
mit 59 bezifferten Stelle vorgesehen, BiewNutwie in Fig. 2 dargestellt, ausgebildet
sein sollte. Diese Anordnung des Rotorstellungssensors 29 in der Nut zwischen benachbarten
Statorpolköpfen 30, 31 erfordert Änderungen im Bereich der angrenzenden Polenden
32, 33 der Statorpolköpfe 30, 31, die in Verbindung mit Fig. 5 noch näher beschrieben
sind.
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Fig. 3 zeigt die Polkopfausbildung mit quasi ganzen Polkopfenden 34',
34", jedoch ist in der Mitte des Polkopfes eine Nut 50 vorgesehen.
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Die nichtdargestellte Tachowicklung wird in zwei Nuten , die jeweils
in der Mitte zweier benachbarter Statorpolköpfe vorgesehen sind, eingebracht. Zwei
solche benachbarte Nuten 51, 52 zeigt Fig. 5.
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Um ein verbesserte Tachosignal zu gewinnen, ist die Tachowick-Ctd
lung in zwei in Reihe geschaltete Teilwicklungenvaufgeteilt, die um 180 mechanische
Grade versetzt in je zwei benachbarten
Statorpolköpfenjini Bereich des Luftspaltesvangeordnet sind, wie das in Fig.Sdargestellt
ist. Zur Vermeidung von Unsymmetrien der Tachospannung ist es erforderlich, daß
für die Nuten 50 nur Polköpfe verwendet werden, deren beide Polkopfenden der Ausführung
34', 34" entsprechen.(i9.2) Fig. 4 zeigt geschnitten das Statorblechpaket 12, die
Statorspule 16 und den Rotorstellungsgeber 29. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind
jeweils zwei Endbleche 13, 13' bzw. 14, 14' axial abgebogen. Auch entspricht die
Abbiegung der Endbleche in etwa der axialen Erstreckung der Statorspulen über das
Blechpaket 12 hinaus. Des weiteren ist gezeigt, daß Distanzbolzen 60 mit ihrem einen
Ende die Bleche des Statorpakets 12 fixieren, während das andere Ende jeweils eine
LeiLerplatte 61 trägt.
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Typisch und vorteilhaft für den Gleichstrommotor sind nachfolgende
Abmessungen: lo h < d < 20 h h = magnetisch wirksame Höhe des Statorblechpakets
am Luftspalt d = mittlerer Durchmesser des Statorblechpakets o,5 1 < b < 1
1 = axiale Erstreckung des Magneten b = radiale Erstreckung des Magneten hul Ausführungsbeispiel:
1 7 , 5 mm b 4,o mm d 70,0 mm h 5, 0 mm
Fig. 5 zeigt den Blechschnitt
für den Stator des 12-poligen Ausführungsbeispiels, einen sogenannten 12T-Ankerschnitt.
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Dieser Schnitt zeigt die Gesamtanordnung einer tachogeneced ratorischen
Wicklungvin zwei einander diametral gegenüberliegenden, jeweils benachbarten Statorpolpaaren.
Etwa in der Mitte dieser Statorpole ist je eine Ausnehmung vorgesehen, in welche
die Tachowindungen, die zwischen zwei benachbarten Nuten 51, 52 oder 53, 54 verlaufen,
eingelegt werden. Diese Tachowindungen, die zwischen den Nuten 51, 52 und den Nuten
53 und 54 sich jeweils als Ringspule erstrecken, sind somit angenähert 9c0 e;. zur
Statorhauptwicklung, die auf den Statorpolzähnen konzentrisch aufgebracht ist, versetzt.
Würden nun diese Nuten 51 bis 54 exakt in der mitte des Polkopfes liegen, würde
infolge des unterschiedlichen Luftspalts beiderseits der Polmitte die Flußverteilung
über einem solchen Statorpol gestört, weil dann unverhältnismäßig viel magnetischer
Fluß über die gem. Fig. 5 jeweils linke Hälfte eines Statorpoles (nit dem kleineren
Luftspalt) ginge. Aus diesem Grunde sind die beiden Nuten um ein gewisses kleines
Maß in Drehrichtung (von der Mittellinie eines Statorpolzahnes aus gesehen) versetzt.
Das sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem Luftspaltdurchmesser von
etwa 70 mm nur o,5 mm, wodurch man neben einer besseren Flußverteilung im Luftspalt
über einem Polkopf mit einer solchen Tachonutausnehmung außerdem o(ie erreicht,
daß die Windungenr. die Nuten 51, 52 durchlaufen und induzierende Leiter darstellen,
gleichmäßiger mit Fluß durchsetzt werden, so daß also der Fluß, der z.B. in der
linken
Polkopfhälfte links neben der Nut 52 in den Luftspalt aus tritt, nicht wesentlich
größer ist als derjenige, der rechts neben dem Leiter in der Nut 51 in den Luftspalt
austritt.
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Die Fig. 5 zeigt die Anordnung einer stark, jedoch unsymmetrisch geöffneten
Nut zur Aufnahme des sogenannten Hall-IC's, wie in Fig. 2. Diese Nut (im Falle der
Fig. 5 die Nut 55) ist in Richtung gegen die Drehrichtung (Pfeil 56) stärker erweitert
als auf der anderen Seite in Drehrichtung. Das hat einmal den Zweck, daß man dadurch
wieder eine Symmetrierung des Luftspaltflusses zur Mitte des Zahnes 57 erhält, weil
die Statorpolhälfte mit dem kleineren Luftspalt stärker reduziert ist als die rechte,
quasi volle Hälfte des Zahnkopfes 57, die gegen die Drehrichtung sich erstreckt.
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Durch die starke, unsymmetrische, quasi gegen die Drehrichtung 56
des Rotors versetzte Nutöffnung hat man zusätzlich die Möglichkeit, den Hall-IC
in der Nut aus der Nutsymmetrielinie 58 gegen die Drehrichtung 56 um einen gewissen
Betrag (das ist beim hier vorliegenden Luftspaltdurchmesser 1 mm) zu versetzen,
damit man zur Erhöhung des Wirkungsgrades den Schaltvorgang zur Erregung der Statorwicklung
etwas früher einleitet, um somit die Stromkurve und damit das elektrodynamische
Drehmoment besser zu positionieren.
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Die Nut 55 sollte eigentlich nicht gleichzeitig durch ihre starke
Nutöffnung am Luftspalt den Statorpolzahn mit der Nut 54 schwächen und ist deshalb
in einer vorteilhaften Weiterbildung
nicht wie gezeichnet, sondern
z.B. anstelle der Nut 59 vorzusehen.<ei einem maximalen Statordurchmesser von
70 m4> hat bis Polkopffläche zweckmäßigerweise eine zylindrische Form><
A mit einem Radius von etwa 36 mm, deren Mittelachse 61 senkrecht zur Zahnmittellinie
66 aus in Drehrichtung 56 um einen gewissen Betrag (von etwa 2 mm) und senkrecht
hierzu, d.h.
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vom Zahn weg, um einen gleichen Betrag (von etwa 2 mm) versetzt ist,
wobei der Versatz von der Rotationsachse aus gemessen ist.
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Die Fig.1 zeigt ein axial lang bauendes Lagersystem, jedoch ist ein
solches System nicht unbedingt erwünscht.
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Fig. 5 zeigt, daß ein Lagersystem mit großer Genauigkeit im Zentrum
des Statorblechpakets durchaus untergebracht werden kann, weil die Statorjochstärke
sehr groß, für die magnetischen Bedürfnisse unnötig groß, ist. Das heißt, daß ein
Motor mit einem solchen hochpoligen Statorpolkranz für einen sehr präzisen, aber
im Durchmesser groß bauenden Lageraufbau vorteilhaft geeignet ist.
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Fig. 6 zeigt das Wickelschema für die in Serie geschalteten
Ankerspulen auf den Statorpoleny~abwechselnd fortlaufend gegensinnig gewickelt (a
- b) und die zwei Tachospulen c - d, ebenfalls in Serie geschaltet,aber gleichsinnig
gewickelt und um sechs Statorspulen zueinander versetzt.
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