DE3432946A1 - IRONLESS COLLECTORLESS DC MOTOR FOR HIGH SPEED - Google Patents
IRONLESS COLLECTORLESS DC MOTOR FOR HIGH SPEEDInfo
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Description
2ARTHUR PFEIFFER VAKUUMTECHNIK WETZLAR GMBH Eisenloser kollektorloser Gleichstrommotor für hohe Drehzahlen 2 ARTHUR PFEIFFER VAKUUMTECHNIK WETZLAR GMBH Ironless brushless DC motor for high speeds
Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor für hohe Drehzahlen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zum Antrieb von z.B. Turbomolekularpumpen, Kreiseln, Spinn- oder Schleifspindeln, insbesondere von magnetisch gelagerten Rotoren.The invention relates to a brushless direct current motor for high speeds, according to the preamble of the claim 1, for driving e.g. turbo molecular pumps, gyroscopes, spinning or grinding spindles, especially magnetically mounted Rotors.
Die überwiegende Anzahl schneilaufender Maschinen wird heute mit Drehstrommotoren angetrieben. Nachteilig an diesen Motoren ist der abnehmende Wirkungsgrad mit zunehmendem Luftspalt zwischen Rotor und Stator durch den zunehmenden Magnetisierungsstrom. Kollektorlose Gleichstrommotoren mit einem bewickelten Blechstator und rotierendem permanent-magnetischen Rotor weisen zwar diesen Nachteil nicht auf, üben aber radiale Anziehungskräfte zwischen Rotor und Stator aus, die im Falle einer radialen Magnetlagerung durch zusätzliche Lagerkr.äfte kompensiert werden müssen. Aus der deutschen Patentanmeldung P 3302 839 ist ein Motor bekannt, der diese Nachteile nicht hat und in den eine eisenlose Wicklung in einem mehrpolig magnetisierten Luftspalt hineinragt. Zweipolige Anordnungen sind mit Hilfe dieser Bauart nur schwer zu verwirklichen, da für die Wickelköpfe kein Raum vorhanden ist. Vierpolige Anordnungen benötigen zum Antrieb die doppelte Lauffrequenz, was zu höheren Umschaltverlusten im Versorgungsgerät und höheren Wirbelstromverlusten in den Drähten der Wicklung führt. Außerdem ist die Herstellung einer solchen Wicklung sehr kompliziert und sie benötigt einen großen Luftspalt.The vast majority of high-speed machines are now powered by three-phase motors. Disadvantage of these engines is the decreasing efficiency with increasing air gap between rotor and stator due to the increasing magnetizing current. Brushless DC motors with a wound sheet metal stator and rotating permanent magnetic Although rotors do not have this disadvantage, they exert radial attractive forces between the rotor and stator, which in the case of radial magnetic bearings must be compensated for by additional bearing forces. From the German patent application P 3302 839 a motor is known that does not have these disadvantages and in which an ironless winding in a multi-pole magnetized air gap protrudes. Two-pole arrangements are difficult to implement with the help of this design, since there is no space for the winding heads. Four-pole arrangements require twice as much to drive them Running frequency, which leads to higher switching losses in the supply device and higher eddy current losses in the wires of the winding leads. In addition, the manufacture of such a winding is very complicated and it requires a large air gap.
Weiterhin sind bürstenkommutierte Gleichstrommotoren mit eisenlosen Schrägwicklungen bekannt, wie sie bei Faulhaber (Fritz Faulhaber: Einfache Berechnungsgrundlagen für rasch anlaufende Gleichstrom-Stellmotoren, VDI-Z. Bd 107 Nr. 4, S. 149-152) be-Brush-commutated DC motors with ironless ones are also available Skewed windings are known, as they are at Faulhaber (Fritz Faulhaber: Simple calculation bases for rapidly starting DC servomotors, VDI-Z. Vol 107 No. 4, pp. 149-152)
schrieben werden. Diese Motoren sind zwar radialkraftfrei, aber wegen des Kommutators nicht im Vakuum oder für sehr hohe Drehzahlen geeignet.be written. These motors do not have any radial force, but not suitable in a vacuum or for very high speeds because of the commutator.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Motor vorzustellen, der die oben angegebenen Nachteile vermeidet und insbesondere bei kleinem Luftspalt mit einer einfachen stabilen Wicklung ohne Wickelköpfe einen radialkraftfreien Antrieb einer Welle mit geringen Verlusten ermöglicht.The object of the invention is to present a motor which, and in particular, avoids the disadvantages indicated above with a small air gap with a simple stable winding without end windings a drive free of radial forces a wave with low losses.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Anordnung, wie sie im kennzeichnenden Teil des 1. Patentanspruches beschrieben wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schräg-. wicklung in vier Teilwicklungen, deren Anfänge alle mit einem Pol und deren Enden über vier steuerbare elektrische Schaltelemente mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden sind, ist eine Verwendung handelsüblicher Gleichstromantriebsgeräte möglich (Betriebsanweisung für Turbomolekularpumpe TPH 170, TPU 170 und Antriebs-Elektronik TCP 300 Nr. PM 800 093 BD,E,F der Firma Arthur.Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH).The object is achieved by an arrangement as described in the characterizing part of the first patent claim will. The inventive design of the oblique. winding in four partial windings, all of which start with one Pole and its ends via four controllable electrical switching elements with the other pole of the operating voltage source are connected, it is possible to use commercially available direct current drive devices (operating instructions for turbo molecular pumps TPH 170, TPU 170 and drive electronics TCP 300 No. PM 800 093 BD, E, F from Arthur.Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH).
Die Ansteuerung der Wicklungsabschnitte erfolgt mit Hilfe zweier Hallsonden, die wie in Anspruch 2 beschrieben, montiert sind.The winding sections are controlled with the aid of two Hall probes which are mounted as described in claim 2 are.
Bei gleichmäßiger Luftspaltinduktion hat die von der Schrägwicklung induzierte Gegen-EMK einen sinusförmigen Verlauf, was für die Betriebsspannungsquelle nachteilig ist. Bei Ausgestaltung der Polflächen nach Anspruch 3 kann durch die in der Mitte eines Poles verringerte Luftspaltinduktion der Bogen der sinusförmigen Gegen-EMK abgeflacht und damit eine konstante Gegen-EMK des Motors erzeugt werden. Die Verwendung einer aus dem Luftspalt herausragenden Wicklung nach Anspruch 4 ermöglicht die Wärmeabfuhr aus der Wicklung, was besonders im Vakuum von Vorteil ist.With an even air gap induction, the from the skewed winding induced back EMF a sinusoidal curve, which is disadvantageous for the operating voltage source. When designing the pole faces according to claim 3 can by the reduced air gap induction in the center of a pole of the arc the sinusoidal back EMF flattened and thus a constant back EMF of the motor can be generated. The use of a winding protruding from the air gap according to claim 4 enables heat to be dissipated from the winding, which is particularly advantageous in a vacuum.
Mit Hilfe der Figuren 1-3 soll im folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.A preferred exemplary embodiment of the invention will be explained in more detail below with the aid of FIGS. 1-3.
Fig. 1 zeigt eine Abwicklung der Schrägwicklung mit der Lage der Hallsonden und schematisch den Stromfluß, Fig. 2 einen Querschnitt durch den Motor in der Ebene der HallsondenFig. 1 shows a development of the helical winding with the position of the Hall probes and schematically the current flow, 2 shows a cross section through the motor in the plane of the Hall probes
und Fig. 3 den Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels. .and FIG. 3 shows the longitudinal section of an exemplary embodiment. .
Das Gehäuse, in dem sich die Anordnung befindet, ist mit 9 bezeichnet.The housing in which the arrangement is located is denoted by 9.
In einem Rotor 1 mit der Rotorwelle 7 aus Stahl, die in den Lagerschilden 10 mit zwei Magnetlagern 8 gelagert ist, ist eine eiserne Rückschlußhülse 2 mit radial magnetisierten Magneten 3 eingebaut. In dem zwischen Glocke und Rotorwelle gebildeten Luftspalt 11 ist eine gehäusefeste Statorspule 4 angeordnet, die mit ihrem unteren Ende aus der Rotorglocke herausragt und von einer Trägerhülse 6 aus Aluminium umschlossen ist. Diese leitet die in der Statorspule entstehende Verlustwärme zum Gehäuse hin ab. Die Hallsonden 5 sind auf der Innenseite der Statorspule in der Wand einer zylindrischen dünnwandigen Hülse aus Isoliermaterial befestigt. Mit 12 sind Notlauflager und mit 13 axiale Stützlager bezeichnet. In a rotor 1 with the rotor shaft 7 made of steel, which is mounted in the end shields 10 with two magnetic bearings 8 is, an iron return sleeve 2 with radially magnetized magnets 3 is installed. In the one between bell and Rotor shaft formed air gap 11 is a housing-fixed stator coil 4 is arranged, which with its lower end from the The rotor bell protrudes and is enclosed by a support sleeve 6 made of aluminum. This conducts the in the stator coil resulting heat loss to the housing. The Hall probes 5 are on the inside of the stator coil in the wall of a cylindrical thin-walled sleeve of insulating material attached. With 12 emergency bearings and with 13 axial support bearings are designated.
Fig. 1 zeigt in ihrem oberen Teil die Abwicklung der Statorspule. Beginnend bei al verläuft die Wicklung über den halben Umfang bis zum gegenüberliegenden Rand und geht von dort auf der Rückseite zum Ausgangspunkt zurück. Von dort verläuft die nächste Windung parallel zur ersten. Durch sinngemäße Fortsetzung dieser Wickelart erhält man eine fortlaufende zweilagige Wicklung, deren Windungszahl, Länge und Durchmesser von der Drahtdicke abhängen. Die Wicklung ist in vier gleiche Teilwicklungen aufgeteilt, deren Anfänge bei al verbunden sind und deren Enden a2-a5 an je einen Kollektor eines Schalttransistors führen. Überschreitet die Poltrennlinie des Rotors die Hallsonde Hl, so wird Transistor Tl eingeschaltet. Nach einer viertel Umdrehung überschreitet die Poltrennlinie die Hallsonde H2,Fig. 1 shows in its upper part the development of the stator coil. Starting at al, the winding runs over half Circumference to the opposite edge and from there goes back to the starting point on the back. From there the next turn parallel to the first. By analogous continuation of this type of winding, a continuous two-ply is obtained Winding, the number of turns, length and diameter of which depend on the wire thickness. The winding is in four equal partial windings divided, whose beginnings are connected at a1 and whose ends a2-a5 each to a collector of a switching transistor to lead. If the pole dividing line of the rotor exceeds the Hall probe Hl, transistor Tl is switched on. After a quarter Revolution, the pole dividing line exceeds the Hall probe H2,
so wird Transistor Tl aus- und Transistor T2 eingeschaltet usw. Zur Erzeugung der Ansteuersignale werden die Ausgangsspannungen der Hallsonden über je einen Vorverstärker verstärkt und die Ausgangsspannungen werden einem bekannten 1 aus 4 Decoder zugeführt, der 90° versetzte, 90° einer Umdrehung andauernde Impulse zum Ansteuern der Transistoren Tl bis T4 erzeugt.so transistor T1 is switched off and transistor T2 is switched on etc. To generate the control signals, the output voltages of the Hall probes are each amplified via a preamplifier and the output voltages are fed to a known 1 out of 4 decoder, which is 90 ° offset, 90 ° one revolution continuous pulses to control the transistors Tl to T4 generated.
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