DE3537873A1 - Gleichstrommotor - Google Patents

Description

PRINZ, LEISER-,;BUNKE;&; PARTNER

Patentanwälte " · * European Patent * Attorneys 35 37873

Emsbergerstraße 19 · 8000 München 60

• It.

22. Oktober 1985

ETUDES TECHNIQUES ET REPRESENTATIONS INDUSTRIELLES E.T.R.I.

8, rue Boutard

92200 NEUILLY-SUR-SEINE / Frankreich

Unser Zeichen: E 1331

Gleichstrommotor

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor, beispielsweise mit elektronischem Kommutator und versehen mit einem Permanentmagnetelement (beispielsweise ein Rotor), der gegenüber einem ringförmigen Eisenspalt wenigstens zwei Gebiete aufweist, deren permanentmagnetisehe Polung entgegengesetzt ist. Dieses Element ist drehbar in bezug auf ein elektromagnetisches Element gelagert (beispielsweise einen Stator), welches wenigstens einerseits eine Wicklung und andererseits einen Magnetkreis umfaßt, der wenigstens ein Joch umfaßt, das durch Schenkel, von denen der eine mit der Wicklung umgeben ist, an wenigstens zwei Polhörner angeschlossen ist, die dem genannten Eisenspalt zugewandt sind. Der Motor umfaßt ferner wenigstens einen Hilfs-Permanentmagnet, der eingesetzt ist in einen Zwischenraum zwischen zwei aufeinander zugerichteten Umfangs-

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enden der beiden Polhörner und in Längsrichtung hervorragend von einem Träger getragen wird, der in einem Raum zwischen den Polen untergebracht ist, welcher zwischen dem Joch und den beiden benachbarten Polhörnern gebildet ist.

Durch geeignete Umschaltung des Stromes in der Wicklung treten die Polhörner in magnetische Wechselwirkung mit den permanentmagnetischen Gebieten des anderen Elementes, um ein Drehmoment des einen Elementes in bezug auf das andere zu erzeugen. Wenn der Motor sich im Ruhezustand befindet, ist der Hilfsmagnet in Wechselwirkung mit den permanentmagnetischen Gebieten, um diese in eine Winkelstellung zurückzuführen, in welcher ihre magnetische Achse von der der Polhörner fortbewegt ist. Wenn nämlich die genannten magnetischen Achsen im wesentlichen übereinstimmen, wird durch die Erregung der Wicklung kein nennenswertes Drehmoment erzeugt; der Hilfsmagnet ist also ein einfaches Mittel, um das Anlaufen des Motors durch einfache Erregung der Wicklung zu gewährleisten, ohne eine zusätzliche Anlaufvorrichtung zu benötigen.

In der DE-OS 31 08 392 ist eine praktische Anwendung dieses einfachen Mittels beschrieben. Danach ist ein Halter für jeden Hilfsmagnet vorgesehen. Bei der Montage wird jeder mit seinem Hilfsmagnet versehene Halter einzeln in eine Längsrille eingesetzt, die zwischen den Polhörnern des elektromagnetischen Elementes vorgesehen ist. Die Hilfsmagneten müssen also einzeln in das elektromagnet!- sehe Element eingesetzt werden. Ferner muß das elektromagnetische Element eine besondere Ausbildung aufweisen, die geeignet ist, um die Magnetträger festzuhalten, wodurch eine besondere kostenaufwendige Konstruktion erforderlich ist, seine Nutzoberfläche vermindert wird und infolgedessen auch der nutzbare elektromagnetische Fluß vermindert und das magnetische Statorfeld gestört wird.

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, einen Gleich-

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strommotor zu schaffen, der mit Mitteln versehen ist, welche das Anbringen wenigstens eines Hilfsmagneten erleichtern, ohne die Funktion zu beeinträchtigen und ohne die Kenndaten des elektromagnetischen Elementes zu verändern.

Gemäß der Erfindung ist der Gleichstrommotor dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein pfostenartiger Ständer ist, der von einer Platte getragen wird, welche auf eine axiale Stirnfläche des Magnetkreises aufgesetzt ist.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors kann die Platte leicht an dem elektromagnetischen Element angebracht werden, wobei der Ständer in dem Raum zwischen den Polen und der Magnet in dem Raum zwischen den Polhörnern in die erforderliche Stellung gebracht werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine sch.ematis.che axiale Ansicht des Motors von der der Platte gegenüberliegenden Seite her betrachtet;

Fig. 2 eine Ansicht von der gegenüberliegenden Seite

des Stators des in Fig. 1 gezeigten Motors her;

Fig. 3 den Träger allein, in axialer Richtung bei Fig. 1 betrachtet;

Fig. 4 eine Ansicht des Trägers im Schnitt längs Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 eine Ansicht analog der Fig. 3, jedoch mit den HiIfsmagneten;

-sr- -

Fig. 6 eine Ansicht analog der Fig. 5, welche jedoch eine Ausführungsvariante zeigt; und

Fig. 7 eine Ansicht des Trägers im axialen Schnitt längs Linie VII-VII in Fig. 6.

Die gezeigte Ausführungsform des Gleichstrommotors ist vom Typ mit innerem Stator. Der Stator (Fig. 1) umfaßt ein Joch 1 von allgemein zylindrischer Form mit der Achse ZZ, welches Schenkel 2 trägt, die radial nach außen gerichtet sind und sich gegenüber dem Joch 1 zu Polhörnern 3 verbreitern. Die äußeren Seitenflächen 3a der Polhörner 3 sind konvexe Zylinderabschnitte mit der Achse ZZ. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt der Stator vier Schenkel 2, die um die Achse ZZ herum im Winkelabstand voneinander verteilt sind, sowie vier Polhörner 3. Die seitliche Außenfläche 3a jedes Polhornes erstreckt sich über etwas weniger als 90° zwischen den beiden Umfangsenden 3c. Zwischen den aufeinander zugerichteten ümfangsenden 3c von zwei benachbarten Polhörnern 3 verbleibt also ein Zwischenraum 3d. Von jedem Umfangsende 3c ausgehend ist die Fläche 3a jedes Polhornes 3 an den Schenkel 2 über eine Rückfläche oder Schulter 3b angeschlossen. Die beiden Rückflächen 3d jedes Polhornes 3 erstrecken sich in derselben Ebene YY¹ senkrecht zur Radialrichtung des zugeordneten Schenkels 2. Als Stator-Magnetkreis wird die gesamte Baugruppe bezeichnet, welche durch das Joch 1, die Schenkel 2 und die Polhörner 3 gebildet ist.

Jeder Schenkel 3 ist von einer Statorwicklung 4 umgeben. Die Statorwicklungen nehmen teilweise vier Polzwischenräume 2a ein, die sich jeweils zwischen dem Joch 1, zwei benachbarten Schenkeln 2 und den zwei Halbhörnern erstrecken, die von den Schenkeln 2 ausgehend aufeinander zugerichtet sind. Jedes Polhorn 3 wird von einer axialen Bohrung 7 durchquert, die der Befestigung des Motors in einem anzutreibenden Gerät dient.

Der Rotor ist ein Permanentmagnetbauteil, das einen kreisrunden Magnetring 5 aufweist, welcher unter Bildung eines Eisenspaltes im radialen Abstand e die quasi-durchgehende Zylinderoberfläche umgibt, die durch die vier Flächen 3a des Stators gebildet ist. Der den Ring 5 tragende Rotor ist relativ zum Stator drehbeweglich um die Achse ZZ und besitzt eine Welle (nicht dargestellt), die in einer zentralen Buchse 6 des Stators aufgenommen ist. Der Magnetring trägt Permanentmagneten von viertelkreisförmigem Profil, deren gegen die Polhörner 3 gerichtete Flächen abwechselnd entlang dem Innenumfang des Rotors entgegengesetzt magnetisch gepolt sind. ■

Bei einem solchen Motor wird bekanntlich durch eine Stromumschaltung in den Wicklungen 4, die synchron mit der Winkelbewegung des Rotors 5 geschieht, ein Drehmoment erzeugt, welches dauernd bestrebt ist, eine Magnetachse des Rotors in Übereinstimmung mit einer Magnetachse des Stators zu bringen, so daß jede Fläche 3a des Stators sich gegenüber einem entgegengesetzt gepolten Magnetgebiet des Rotors befindet. Soweit diese Übereinstimmung erreicht ist oder etwas vor Erreichen dieses Zustandes wird der Strom in den Wicklungen 4 umgeschaltet, um die magnetische Polung der Flächen 3a zu verändern und die Drehbewegung somit aufrechtzuerhalten.

Wenn keinerlei weitere Maßnahmen getroffen werden, besteht die Gefahr, daß ein solcher Motor nicht anläuft, wenn lediglich die Wicklungen 4 gespeist werden. Wenn nämlich bei der vorhergehenden Anwendung des Motors der Rotor in einer solchen Winkelstellung stehengeblieben ist, daß die Achse seiner Südpole sich in der in Fig. 1 gezeigten Stellung ss befindet, also unmittelbar vor Erreichen einer Magnetachse des Stators bei der Drehrichtung F, so erzeugt die Erregung der Wicklungen 4 am Rotor ein sehr geringes Drehmoment, welches nicht ausreicht, um dem Rotor die kinetische Energie zu erteilen,

die erforderlich ist, um eine Bewegung über die Stellung des vollständigen Zusammenfaliens der Magnetachsen hinaus zu verursachen.(Die Magnetachse s-s entspricht einer nicht dargestellten Winkelstellung des Ringes 5.)

Um zu vermeiden, daß der Rotor 5 im Ruhezustand eine Winkelstellung einnimmt, die sein Anlaufen verhindert, weist der Stator ferner vier Permanentmagneten 11 auf, von denen jeder in einen der Zwischenräume 3d eingesetzt ist, welche zwei benachbarte Polhörner 3 trennen. Die eine Polfläche jedes Hilfsmagneten grenzt an den Eisenspalt zwischen dem Stator und dem Ring 5 an. Jeder Hilfsmagnet 11 ist radial relativ zur Achse ZZ magnetisiert, dergestalt, daß seine andere Polfläche zur Achse ZZ gerichtet ist. Vom Eisenspalt e aus betrachtet, sind die Polflächen der Magneten 11 abwechselnd von der Polarität Nord und Süd entlang dem Eisenspalt e, wenn dieser in Umfangsrichtung durchlaufen wird. Vorzugsweise ragen die Hilfsmagneten 11 etwas in den Eisenspalt e hinein. Durch die Hilfsmagneten 11 ist der Stator magnetisch nicht neutral, wenn in den Wicklungen 4 kein Strom fließt, sondern er weist Magnetachsen auf, die um 45° gegenüber denjenigen Achsen verdreht sind, welche durch die Erregung der Wicklungen 4 gebildet werden. Bei fehlender Erregung bleibt der Rotor grundsätzlich in einer (in Fig. 1 gezeigten) Winkelstellung stehen, in welcher seine Magnetachsen mit denen zusammenfallen, welche durch die Hilfsmagneten 11 gebildet sind. Bei Inbetriebnahme der Erregung muß der Rotor um 45° gedreht werden, damit seine Magnetachsen mit den Achsen des erregten Stators zusammenfallen, was ausreicht, um dem Rotor eine Geschwindigkeit zu erteilen, die ein anschließendes Aufrechterhalten der Drehbewegung gewährleistet.

Gemäß der Erfindung wird jeder Hilfsmagnet 11 in Längsrichtung herausragend durch einen Ständer 9 getragen, der sich parallel zur Achse ZZ im Raum 2a zwischen den

Polen erstreckt, insbesondere zwischen den beiden benachbarten Wicklungen 4 und den beiden Schultern 3b der zwei benachbarten Halbhörner, welche aufeinander zugerichtet sind.
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Jeder der pfostenartig ausgebildeten Ständer 9 weist einen senkrechten Querschnitt in Form eines unregelmäßigen Sechseckes auf, wovon eine Fläche den Hilfsmagneten trägt, die äußeren beiden Flächen 9a auf der einen bzw. anderen Seite des Hilfsmagneten 11 liegen und die jeweils an eine der Schultern 3b angrenzen, während zwei innere schräge Flächen 9b jeweils an eine der Wicklungen 4 angrenzen.

Die Ständer 9 werden von einer Platte 8 getragen, die kranzförmig (Figuren 2 bis 5) ausgebildet und gegen eine axiale Stirnfläche der Polhörner 3 angebaut ist, zwischen den von den Wicklungen 4 und dem Eisenspalt e eingenommenen Bereichen. Der Außenumfang der kranzförmigen Platte 8 fällt mit dem Profil der Flächen 3a am Eisenspalt zusammen. Auf der gegen den Magnetkreis angelegten Seite weist die kranzförmige Platte 8 im halben Winkelabstand zwischen aufeinanderfolgenden Ständern 9 Aussparungen 12 auf, um darin Schraubenköpfe von Schrauben aufzunehmen, die durch die Bohrungen 7 eingesetzt werden können.

Der Träger, welcher aus der Platte 8 und dem Ständer 9 gebildet ist, ist ein einstückiges Formteil, beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, gilt für jedes betrachtete Paar von benachbarten Ständern 9, daß die Außenflächen 9a, welche zwischen zwei Hilfsmagneten 11 liegen, in derselben axialen Ebene XX¹ enthalten sind, welche bis auf die Herstellungstoleranzen mit der Ebene YY¹ übereinstimmt. Bei der Montage greifen daher die Ständer zwischen die Schulter 3b mit Gleitsitz und drehfester Anordnung. Die schrägen Innenflächen 9b der Ständer 9 sind,

parallel zur Achse ZZ betrachtet, von leicht konkavem Profil, so daß sie ohne Kraftaufwand zwischen die Wicklungen 4 geschoben werden können.

Bei der gezeigten Ausführungsform weist jeder Ständer auf seiner den Hilfsmagnet 11 tragenden Fläche eine Nut von rechtwinkligem Querschnitt auf, in welche der Hilfsmagnet 11 eingesetzt ist. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, erstreckt sich die kranzförmige Platte 8 radial über die Ständer 9 hinaus, und jede Nut 10 ist radial nach außen im Bereich 10b in Richtung der Dicke der Platte 8 verlängert. Der in die beiden Teile 10 und 10b der Nut eingesetzte Hilfsmagnet 11 wird auf diese Weise insbesondere in Axialrichtung genau positioniert.

Die Hilfsmagneten 11 sind vorzugsweise vom Typ "Gummimagnet" , worunter ein Gemisch aus Ferrit und Elastomermaterial verstanden wird. Durch die Elastizität dieses Materials wird nämlich das Einschieben der Hilfsmagneten 11 in ihre Aufnahmenut 10 erleichtert, worin sie anschließend beispielsweise durch Klebung befestigt werden können. Die Umfangsabmessung d der Hilfsmagneten 11 in ihrem Bereich, in welchem sie aus der Nut 10 herausstehen, ist bis auf die Herstellungstoleranzen gleich der Abmessung des Zwischenraumes 3d, in welchen sie eingesetzt sind. Auch hier wird die Montage durch die Elastizität der Hilfsmagneten 11 erleichtert.

Bei der Montage werden die Hilfsmagneten 11 in ihre entsprechenden Nuten 10 eingesetzt. Sobald die Wicklungen um die Schenkel 2 herum gebildet sind, werden die Ständer 9 in die Polzwischenräume 2a eingeschoben, bis die Platte 8 an den Polhörnern 3 in Anlage ist. Der komplexe gegenseitige Eingriff zwischen den Ständern 9 und den Hilfsmagneten 11 in den Freiräumen des Stators reicht aus, um Reibungen zu gewährleisten, welche die Hilfsmagneten 11 und ihren Träger in Stellung halten. Die Platte 8 kann

jedoch auch an dem Magnetkreis angeklebt oder auf andere Weise befestigt werden.

Bei einer in den Figuren 6 und 7 gezeigten Ausführungsform ist jeder Hilfsmagnet nicht ein in eine Nut der Ständer eingesetztes Teil, sondern durch einen quaderförmigen Vorsprung 13 des Ständers 14 gebildet, welcher einteilig mit diesem und mit der Platte 15 ausgebildet ist. Als Werkstoff wird dann ein magnetisierbares thermoplastisches Material verwendet, das radial nach dem Ausformen des Teiles nur im Bereich der vorspringenden Zone 13 magnetisiert wird.

Die Erfindung ist insbesondere auch auf Motoren mit äußerem Stator anwendbar. Bei anderen Ausführungsformeη ist das Elektromagnetelement der Rotor, während das Permamentmagnetelement der Stator ist. Die Anzahl der Motorpole ist beliebig.

Claims (9)

PRINZ, LEISER.-BUNKE ^ PARTNER Patentanwälte * ·" European Patent Attorneys 3 537873 * Ernsbergerstraße 19 · 8000 München 60 22. Oktober 1985 ETUDES TECHNIQUES ET REPRESENTATIONS INDUSTRIELLES E.T.R.I. 8, rue Boutard 92200 NEUILLY-SUR-SEINE / Frankreich Unser Zeichen: E 1331 Patentansprüche

1. Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnetelement (5), welches gegenüber einem ringförmigen Eisenspalt wenigstens zwei Gebiete aufweist, die entgegengesetzte Permanentmagnetpole aufweisen, und welches relativ zu einem Elektromagnetelement drehbar gelagert ist, das wenigstens einerseits eine Wicklung (4) und andererseits einen Magnetkreis (1, 2, 3) umfaßt, der wenigstens ein Joch (1) aufweist, das durch Schenkel (2), von denen wenigstens einer von einer Wicklung (4) umgeben ist, an wenigstens zwei Polhörner (3) angeschlossen ist, welche dem Eisenspalt zugewandt sind, wobei der Gleichstrommotor ferner wenigstens einen Hilfspermanentmagnet (11) aufweist, der in einen Zwischenraum (3d) zwischen zwei aufeinander zu gerichteten Umfangsenden (3c) der zwei PoI-hörner (3) eingesetzt ist und in Längsrichtung hervorragend von einem Träger (9, 14) getragen wird, der in einem PolZwischenraum (2a) untergebracht ist, der zwischen dem Joch (1) und den beiden benachbarten Polhörnern (3) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein

ORIGINAL INSPECTED

pfostenartiger Ständer (9, 14) ist, welcher von einer Platte (8, 15) getragen wird, die auf eine axiale Stirnfläche des Magnetkreises (1, 2, 3) aufgesetzt ist.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsmagnet (11) in eine Nut (10) des Ständers (9) eingesetzt ist.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (8) sich radial über den Ständer (9) hinaus erstreckt und die Nut (10) radial nach außen (10b) in der Dicke der Platte (8) verlängert ist.

4. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (14) und der Hilfsmagnet (13),

welcher in Längsrichtung hervorragt, ein einziges Teil aus einem magnetisierbaren Material bilden, welches in Radialdichtung nach dem Ausformen des Teiles lediglich in der hervorragenden Zone (13) magnetisiert ist. 20

5. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsabmessung (d) des in Längsrichtung weisenden Vorsprungs bis auf Toleranzen gleich derjenigen des genannten Zwischenraumes (3d) zwisehen den Umfangsenden (3c) ist.

6. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten des Hilfsmagneten (11, 13) der Ständer (9, 14) in Axialrichtung betrachtet eine Fläche (9a) aufweist, deren Profil an eine rückseitige Fläche (3b) des benachbarten Polhornes (3) angeschmiegt ist.

7. Gleichstrommotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber dem Hilfsmagneten (11, 13) wenigstens eine der Außenflächen (9a) des Ständers (9, 14) an eine Innenfläche (9b) angeschlossen ist, deren Profil

im wesentlichen an die benachbarte Wicklung (4) angeschmiegt ist.

8. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (8, 15) ringförmig ausgebildet ist und sich bis gegen eine axiale Stirnfläche des Magnetkreises (1, 2, 3) zwischen einem von der Wicklung (4) und dem Eisenspalt (e) eingenommenen Raum erstreckt.

9. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (8, 15) einen Ständer (9, 14) zwischen jedem Paar von aufeinanderfolgenden Polhörnern (3) trägt und daß die Ständer (9, 14) und die Polhörner (3) Flächen (9a, 3b) aufweisen, welche relativ zu dem Magnetkreis (1, 2, 3) eine Gleitführung der Baugruppe gewährleisten, welche die Ständer (9, 14) und die Platte (8, 15) umfaßt.