DE3629423A1 - Zylindrischer stator, dessen herstellung, und eine mit diesem stator ausgeruestete, elektronisch kommutierte gleichstrommaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen zylindrischen Stator für eine elektrische Gleichstrommaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Stator, der für eine Gleichstrommaschine mit per­ manentmagnetischem Rotor ausgerüstet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Stators. Schließlich betrifft die Erfindung eine elektronisch kommutierte Gleichstrom­ maschine, die mit einem solch neuen Stator ausgerüstet ist. Diese elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine kann sowohl motorisch wie generatorisch betrieben werden.

Die deutsche Patentschrift 34 33 695 offenbart eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, die motorisch oder generatorisch betrieben werden kann. Deren Rotor weist wenigstens einen Perma­ nentmagneten mit wenigstens vier konzentrisch zur Rotordrehachse angeordneten Polen auf, die im wesentlichen senkrecht zur Drehach­ se polarisiert sind. Benachbart zur Umfangsbahn des Rotors befindet sich ein Stator dessen Statorwicklung eine durch Formwickeln erzeugte, mäanderförmige Leiterbahnanordnung ist deren gerade hin- und herführende Mäanderabschnitte aus einer Anzahl para­ leller Leiterabschnitte bestehen. Eine die Winkelposition des Rotors gegenüber den geraden, hin- und herführenden Mäander­ abschnitten erfassende Einrichtung liefert Signale an eine Ansteuerelektronik, die ihrerseits den Stromfluß durch die Statorwicklung so steuert, damit dies ein den Rotor antrei­ bendes Magnetfeld erzeugt.

Eine besondere Ausführungsform dieser Gleichstrommaschine weist zwei Antriebsebenen auf. Im entsprechend breiten Ringspalt zwi­ schen zwei Permanentmagnet-Rotoren befindet sich ein stationär angeordneter magnetischer Schluß, der auf seinen beiden, den Rotoren zugewandten Hauptflächen mit je einer mäanderförmigen Leiterbahnanordnung belegt ist. Die mäanderförmige Leiterbahn­ anordnung auf der einen Hauptfläche ist funktionell und schal­ tungstechnisch von der mäanderförmigen Leiterbahnanordnung auf der anderen Hauptfläche getrennt.

Insbesondere wenn solche Gleichstrommaschinen als vielpolige Motoren mit 40 und mehr Permanentmagnetpolen an einem Rotor ausgerüstet sind, weisen sie eine außerordentlich hohe Kon­ stanz der Nenndrehzahl auf. Die erzielbare EMK ist abhängig von der Feldstärke und von der Umdrehungsgeschwindigkeit, und damit auch von der Frequenz der Ummagnetisierungen. Bei hohen Ummagnetisierungsfrequenzen wird eine hohe EMK erhalten. Typischerweise werden elektronisch kommutierte Gleichstrom­ motoren dieser Art dort eingesetzt, wo eine hohe Konstanz der Nenndrehzahl der vergleichsweisen hohen Umdrehungsgeschwin­ digkeiten gefordert wird, etwa zum Antrieb rotierender Spei­ chermedien. Bei Umdrehungsgeschwindigkeiten von 3 000 und mehr Umdrehungen pro Minute werden hervorragende Ergebnisse erhalten.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen zylindrischen Stator für elektronisch kommutier­ te Gleichstrommaschinen dieser Art bereitzustellen, der auch bei deutlich niedrigeren Ummagnetisierungsfrequenzen und da­ mit niedrigeren Drehzahlen eine der Betriebsspannung ange­ paßte EMK erzeugt. Beispielsweise soll bereits bei Umdrehungs­ geschwindigkeiten von 1 200 und weniger Umdrehungen pro Minute eine befriedigende EMK erhalten werden.

Die Erzeugung formgewickelter Spulen in Mäander-Konfiguration, die aus einer Anzahl paralleler mäanderförmigen Leiterbahnen bestehen, ist vergleichsweise aufwendig und setzt komplizier­ te Vorrichtungen zur automatisierten Spulenfertigung voraus. Die unvermeidlichen Wickelköpfe zwischen den geraden hin- oder herführenden Mäander-Abschnitten verursachen Ohm'sche Verluste, ohne zur EMK beizutragen.

Demgegenüber soll nach einem weiteren Ziel der vorliegenden Erfindung ein solcher Stator für eine elektronisch kommutier­ te Gleichstrommaschine der genannten Art bereitgestellt wer­ den, der erheblich einfacher und bei wesentlich geringeren Kosten gefertigt werden kann. Insbesondere in Gleichstrom­ maschinen mit zwei Antriebsebenen sollen die Länge der Wickel­ köpfe und die dort auftretenden Ohm′schen Verluste auf ein Minimum reduziert sein.

Nach einem weiteren Ziel der vorliegenden Erfindung soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen zylindrischen Status angegeben werden, das die Schwierigkeiten bei der Herstellung mäanderförmiger Drahtspulen mit mehreren Leiterbahnen vermei­ det.

Schließlich soll nach einem weiteren Ziel der vorliegenden Erfin­ dung eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine bereit­ gestellt werden, welche praktisch keinen Beschränkungen hin­ sichtlich der nutzbaren Drehzahlen unterliegt, und beispiels­ weise auch bei Drehzahlen von 1 200 und weniger Umdrehungen/min eine der Betriebsspannung angepaßte EMK liefert.

Weitere Aufgaben, Ziele, Vorteile und Besonderheiten der vor­ liegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Be­ schreibung unter Berücksichtigung der Zeichnungen.

Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft einen zylindrischen Stator für eine elektronisch kommutierte Gleich­ strommaschine, wobei der Stator wenigstens eine Ankerwicklung an einem Statorkern aufweist. In dieser Hinsicht ist die er­ findungsgemäße Lösung obiger Aufgabe und Ziele dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Statorkern ein geschlossener Ring aus hoch­ ohmigen, hochpermeablen Flachmaterial ist, und daß die Anker­ wicklung wenigstens eine Spule aus endlosem Draht ist, der so in Richtung der Zylinderachse um das Flachmaterial herumgewickelt ist, daß eine Anzahl paralleler und benachbarter Drahtwindungen gleicher Wicklungsrichtung je einen Wicklungsabschnitt bilden, und aufeinanderfolgende und in Reihe miteinander verbundene Wicklungsabschnitte im Abstand zueinander angeordnet sind und - bei Stromdurchgang - jeweils entgegengesetzte magnetische Wirkung zeigen.

Bei einer solchen Spule sollen alle Wicklungsabschnitte eine gleiche einheitliche Breite besitzen, und der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wicklungsabschnitten wird gleich oder größer als diese Wicklungsabschnittbreite gewählt. Damit auf­ einanderfolgende Wicklungsabschnitte bei Stromdurchgang jeweils entgegengesetzte magnetische Wirkung zeigen, können diese auf­ einanderfolgende Wicklungsabschnitte beispielsweise jeweils entgegengesetzte Wicklungsrichtung aufweisen. Alternativ können - etwa über entsprechende Lötarbeiten - die Anfangs- und End­ abschnitte aufeinander folgender Wicklungsabschnitte jeweils vertauscht an­ geschlossen werden.

Die Auswahl des Flachmaterials erfolgt mit der Maßgabe, daß das Flachmaterial aufgrund seiner Stärke und seiner Permeabilität im Magnetfeld der Permanentmagnete eines Rotors nicht vollstän­ dig gesättigt wird. "Flachmaterial" besagt, daß es sich um ein band- oder streifenförmiges Material handelt, das erhebliche Ausdehnungen in Längsrichtung und demgegenüber nur wesentlich kürzere Ausdehnung in Breitenrichtung (senkrecht zur Längsrich­ tung in der Ebene des Flachmaterials) aufweist; typischerweise kann das Verhältnis Breite:Länge (des noch nicht zu einem Ring geschlossenen Flachmaterials) für einen erfindungsgemäßen zylin­ drischen Stator 1:10 bis 40 betragen. Am fertigen zylindrischen Stator erstreckt sich die Breitenrichtung des Flachmaterials in Richtung der Zylinderachse. Die Stärke des Flachmaterials hängt von der vorgesehenen Anwendung ab. Für Motoren mit einer Strom­ aufnahme von einigen Watt reicht eine Materialstärke von bei­ spielsweise etwa 0,3 bis 0,5 mm.

Der erfindungsgemäße Stator soll vorzugsweise in Verbindung mit vielpoligen Permanentmagnet-Rotoren eingesetzt werden. Bei der angestrebten Vielpoligkeit können Kommutierungsfrequenzen bis zu mehreren 100 kHz auftreten. Dank der geringen elektrischen Leitfähigkeit sind trotz der hohen Ummagnetisierungsfrequenzen die Wirbelstromverluste und sonstige Hystereseverluste niedrig. Das Flachmaterial soll hohe Permeabilität besitzen, so daß in den zu erwartenden Magnetfeldern des Permanentmagnet-Rotors keine vollständige magnetische Sättigung des den Statorkern bildenden Flachmaterials erreicht wird. Beispielsweise werden Permeabilitäten von über 40 bis zu 10 000 und mehr µ vorzugs­ weise von 150 bis 2 000 µ angestrebt. Brauchbare Materialien sind beispielsweise die herkömmlichen weichmagnetischen Werk­ stoffe und bekannte Weichstoff-Ferrite. Gut geeignet sind auch Pulver-Sinterwerkstoffe mit Si, Fe, Mn, Ni und/oder Co als metalli­ scher Komponente in einer Kunststoff-Matrix. Gute Ergebnisse werden auch mit Flachmaterialien erzielt, die aus bekannten "Dynamo-Blechen" mit hohem Si-Anteil bestanden. Auch Flachmate­ rialien aus bestimmten Si/Ni-Legierungen sind gut geeignet.

Auch die unter der Handelsbezeichnung "Permalloy" vertriebenen Materialien sind gut geeignet.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist überraschenderweise festgestellt worden, daß die "magnetische Abschirmung" eines solchen Flachmaterials völlig ausreicht, um zu verhindern, daß die bei Strom durch die Spule auftretende, beispielsweise ein Antriebsmoment erzeugende Induktion in den an einer Flachma­ terial-Breitseite anliegenden Drahtabschnitten durch die ent­ gegengesetzt gerichtete Induktion in den Drahtabschnitten auf der anderen, gegenüber liegenden Flachmaterial-Breitseite ge­ stört oder beeinträchtigt wird. Andererseits läßt sich eine solche Spule außerordentlich einfach und preiswert herstellen, bei welcher der endlose Draht lediglich um das anfänglich ebene Flachmaterial herumgewickelt werden muß, das daraufhin zu einem Ring geschlossen wird. Eine besonders hohe Leistungsausbeute wird naturgemäß erhalten, wenn sowohl die in den Drahtabschnit­ ten auf der einen Flachmaterial-Breitseite erzeugte Induktion wie die in den Drahtabschnitten auf der anderen Flachmaterial- Breitseite erzeugte Induktion zur Bildung eines Antriebsmomen­ tes ausgenutzt wird. Vorzugsweise wird daher der erfindungsge­ mäße Stator im Ringspalt zwischen zwei gleichsinnig betriebenen Permanentmagnet-Rotoren angeordnet. In einem solchen Falle ist die Länge der Wickelköpfe im wesentlichen auf die Länge der, die Flachmaterial- Schmalseiten überspannenden Drahtabschnitte begrenzt. Unter typischen Bedingungen kann das Verhältnis von Schmalseiten- Abmessung zu Breitseiten- oder Höhen-Abmessung am Flachmaterial 1:20 und mehr betragen, so daß die Länge dieser, die Schmal­ seiten überbrückenden Wickelköpfe und die dort auftretenden Ohm′schen Verluste außerordentlich gering sind.

Die Höhe des Stators (entsprechend der Breiten-Abmessung des Flachmaterialbandes) wird im wesentlichen gleich der Länge (Höhe) der Permanentmagnetpole am Rotor gewählt. Die zusammen­ genommene Breite eines Wicklungsabschnittes und der darauf folgenden Lücke bis zum nächstfolgenden Wicklungsabschnitt der Spule am Statorkern darf bei elektronisch kommutierten Gleich­ strommaschinen der hier betrachteten Art die Polbreite eines Permanentmagnetpols am Rotor nicht übersteigen. Die gewählte Anordnung einer Spule aus Wicklungsabschnitten definierter Breite und Lücken definierter Breite zwischen aufeinander folgenden, in Reihe miteinander verbundenen Wicklungsabschnit­ ten muß dauerhaft am Flachmaterial festgelegt werden. Hierzu können am Flachmaterial Fixiermittel vorgesehen werden, wel­ che die einzelnen Drahtwindungen oder bevorzugt die einzelnen Wicklungsabschnitte in der einmal gewählten Anordnung festhal­ ten. Solche Fixiermittel können beispielsweise kleine Fahnen sein, welche über eine oder beide Schmalseiten des Flachmate­ rials geringfügig vorstehen und in einem der Wicklungsabschnitt- und/oder Lückenbreite entsprechenden Abstand zueinander ange­ ordnet sind. Alternativ können im Bereich der Flachmaterial- Schmalseiten Kunststoffprofile angebracht werden, welche ent­ sprechende Führungen für die Spulenwindungen liefern. Alterna­ tiv kann die auf das Flachmaterial gewickelte Spule mittels eines aushärtenden Kunstharzes in der gewünschten Anordnung fixiert werden.

Die Ankerwicklung des erfindungsgemäßen Stators kann aus einer einzigen Spule mit dem oben angegebenen Aufbau bestehen. Alter­ nativ kann die Ankerwicklung aus zwei oder mehr voneinander ge­ trennten Spulen bestehen. Hierdurch wird der Füllfaktor im mag­ netischen Luftspalt erhöht, und bei geeigneter Ansteuerung kann ein selbsttätiges Anlaufen des Rotors aus jeder beliebigen Ro­ torstellung realisiert werden. In einem solchen Falle werden die Wicklungsabschnitte der zweiten (oder weiteren Spulen) Spule in den Lücken zwischen aufeinander folgenden Wicklungsabschnit­ ten der ersten Spule angeordnet.

Sämtliche Spulen der Ankerwicklung können lediglich einlagige Drahtanordnung aufweisen. Vorzugsweise ist jedoch eine mehrlagige, beispielsweise zwei- oder dreilagige Drahtanordnung vorgesehen. Die hierdurch erzielbare Erhöhung des Füllfaktors kompensiert die Induktionsabnahme wegen der Luftspaltverbreiterung bei wei­ tem.

Zur Herstellung der Spule(n) der Ankerwicklung kann herkömmli­ ches Drahtmaterial mit beliebigem, beispielsweise kreisrundem Querschnitt verwendet werden. Sofern Draht mit eckigem, insbe­ sondere rechteckigem Querschnitt verwendet wird, läßt sich ein besonders hoher Füllfaktor erzielen. Der Draht ist mit einem elektrisch isolierenden Überzug aus Kunstharz oder dergleichen versehen. Vorzugsweise wird auch auf dem Flachmaterial eine elektrische Isolierung in Form eines Überzugs aus ausgehärte­ tem Kunstharz oder dergleichen aufgebracht, um Kurzschlüsse insbesondere an den stark abgebogenen Drahtabschnitten im Be­ reich der Flachmaterial-Schmalseite sicher auszuschließen.

Wie nachstehend noch im einzelnen erläutert wird, wird ein sol­ cher zylindrischer Stator vorzugsweise aus einem anfänglich ebenen Flachmaterial hergestellt, das in ebenem Zustand ge­ wickelt und daraufhin zu einem Kreis verformt und zu einem Ring geschlossen wird. Zum Ringschluß zwischen den beiden Flach­ materialenden dient vorzugsweise eine Materialverdickung ver­ meidende Verbindung, insbesondere eine Schwalbenschwanzverbin­ dung oder dergleichen. Die benachbarten Bandenden des gewickel­ ten Flachmaterials sollen mechanisch fest und magnetisch stoß­ frei miteinander verbunden werden. Vorzugsweise können im resul­ tierenden Verbindungsbereich die Sensoren der Erfassungseinrich­ tung am Flachmaterial angebracht werden. Diese Sensoren, bei­ spielsweise Hallsensoren oder sonstige Magnetfeldsensoren er­ fassen die Winkelposition des Rotors gegenüber den geraden, an einer Flachmaterial-Breitseite anliegenden Drahtabschnitten eines Wicklungsabschnittes der Spule. Die anhand der Erfassungs­ einrichtung gebildeten Signale werden einer Ansteuerelektronik zugeführt, welche den Stromfluß durch die Ankerwicklung so steuert, damit diese ein den oder die Rotor(en) antreibendes Magnetfeld erzeugt.

Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Stators mit den oben angegebenen Merkmalen. In dieser Hinsicht ist die erfindungsgemäße Lösung obiger Aufgabe und Ziele gekennzeich­ net durch ein Verfahren mit den nachstehenden Verfahrensschrit­ ten:

• a) Es wird ein ebenes Band aus dem hochohmigen und hoch­ permeablen Material bereitgestellt;
• b) quer zur Bandlängsrichtung wird ein endloser Draht so um das Band herumgewickelt, daß aus parallelen und benachbarten Drahtwindungen bestehende, miteinander in Reihe verknüpfte Wicklungsabschnitte gebildet wer­ den, die im Abstand zueinander angeordnet sind, wo­ bei aufeinanderfolgende Wicklungsabschnitte - bei Stromdurchgang - jeweils entgegengesetzte magnetische Wirkung zeigen;
• c) am Anfang und am Ende der gebildeten Spule werden Stücke des Drahtes für Anschlußzwecke bereitgehalten;
• d) das ebene, bewickelte Flachmaterial wird zu Stücken gewünschter Länge zurechtgeschnitten, und jedes be­ wickelte Flachmaterialstück wird zu einem kreisrunden Ring verformt; und
• e) die dann benachbarten Flachmaterialenden werden me­ chanisch fest und magnetisch stoßfrei miteinander ver­ bunden.

Vorzugsweise kann nach Erzeugung einer ersten Spule auf dem ebenen Band in die Lücken zwischen aufeinander folgenden Wicklungsab­ schnitten hinein aus einem zweiten endlosen Draht eine zweite (oder weitere Spulen) Spule gleicher Bauart gewickelt werden; darauf­ hin wird an dem bewickelten Flachmaterial die Verformung zur zylindrischen Anordnung vorgenommen.

Jeder aufeinander folgende Wicklungsabschnitt einer Drahtspule muß bei Stromdurchgang jeweils entgegengesetzte magnetische Wir­ kungen zeigen. Dies kann einfach dadurch realisiert werden, daß aufeinander folgende Wicklungsabschnitte mit jeweils entgegenge­ setzter Wicklungsrichtung gewickelt werden. Alternativ können die Anfangs- und Endabschnitte aufeinander folgender Wicklungs­ abschnitte vertauscht angeschlossen werden.

Nachdem die Spule oder die Spulen in der vorgesehenen Anordnung mit Lücken definierter Breite zwischen aufeinander folgenden Wick­ lungsabschnitten auf dem ebenen Flachmaterial aufgewickelt wor­ den ist/sind, erfolgt vorzugsweise eine Fixierung, bevor das be­ wickelte Flachmaterial in die zylindrische Anordnung gebracht wird. Zur Fixierung kann beispielsweise ein aushärtbares Kunst­ harz aufgebracht und anschließend ausgehärtet werden.

Es ist möglich, das Bewickeln des ebenen Flachmaterialbandes im wesentlichen kontinuierlich durchzuführen. Das bewickelte Flachmaterialband wird dann zu Stücken gewünschter Länge und mit den eine Verzahnung ergebenden Ansätzen im Bereich der End­ abschnitte zurechtgeschnitten. Hierbei kann es sich beispiels­ weise um Nut-und Federansätze oder sonstige Ansätze einer Schwal­ benschwanz-Verbindung handeln. Vorzugsweise werden in den Stoß­ bereichen der bewickelten, zurechtgeschnittenen Flachmaterial­ streifen die Sensoren der Erfassungseinrichtung angebracht. Hierbei kann es sich beispielsweise um Hall-Sensoren oder sonsti­ ge Magnetfeld-Sensoren handeln, welche die magnetische Polari­ tät des gerade passierenden Permanentmagneten am Rotor und die Winkelposition des Rotors zum Stator ermitteln.

Ersichtlich stellt ein solches Herstellungsverfahren, bei wel­ chem ein anfänglich ebenes Flachmaterial in der dargelegten Weise bewickelt wird, und daraufhin das bewickelte Flachma­ terial zu einem zylindrischen Stator geformt und geschlossen wird, eine erhebliche Verbesserung und Vereinfachung gegen­ über den bekannten Vorschlägen zur Herstellung mäanderförmi­ ger Drahtspulen dar.

Ein dritter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, die mit einem erfindungsgemäßen Stator mit den oben angegebenen Merk­ malen ausgerüstet ist.

In dieser Hinsicht betrifft die vorliegende Erfindung eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine mit einem Rotor mit wenigstens einem Permanentmagneten mit wenigstens vier konzentrisch zur Rotordrehachse angeordneten und im wesent­ lichen senkrecht zu dieser polarisierten Polen benachbart zu einem zylindrischen Stator mit einer Ankerwicklung an einem Statorkern, weiterhin mit einer Einrichtung zur Erfassung der Winkelposition des Rotors gegenüber einzelnen Abschnitten der Ankerwicklung und mit einer Ansteuerelektronik, die an­ hand der von der Erfassungseinrichtung gebildeten Signale den Stromfluß durch die Ankerwicklung so steuert, damit diese ein den Rotor antreibendes Magnetfeld erzeugt. Eine solche Gleichstrommaschine ist beispielsweise in der deutschen Patentschrift 34 33 695 oder in der europäischen Patentan­ meldung Nr. 1 78 380 beschrieben. Um Wiederholungen zu vermei­ den, soll mit Bezugnahme auf diese Druckschriften deren In­ halt - soweit zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung hilf­ reich und notwendig - auch zum Bestandteil der vorliegenden Unterlagen gemacht werden.

Ausgehend von einer solchen elektronisch kommutierten Gleich­ strommaschine ist die erfindungsgemäße Lösung obiger Aufgabe und Ziele dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Stator mit den oben angegebenen Merkmalen vorgesehen wird, d.h. die elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine enthält einen zylindrischen Stator, dessen Statorkern ein geschlossener Ring aus hochohmigen und hochpermeablen Flachmaterial ist. Die Ankerwicklung des Stators weist wenigstens eine Spule aus endlosem Draht auf, der so in Richtung der Zylinder­ achse um das Flachmaterial herumgewickelt ist, daß eine An­ zahl paralleler und benachbarter Drahtwindungen gleicher Wicklungsrichtung je einen Wicklungsabschnitt bilden, und aufeinander folgende und in Reihe miteinander verknüpfte Wick­ lungsabschnitte im Abstand zueinander angeordnet sind und - bei Stromfluß - jeweils entgegengesetzte magnetische Wir­ kungen zeigen.

Eine solche Gleichstrommaschine kann sowohl als Gleichstrom­ motor wie als Generator eingesetzt werden. Nachstehend wird diese Maschine insbesondere für die motorische Anwendung in Form eines vielpoligen, elektronisch kommutierten Gleichstrom­ motors beschrieben, ohne daß damit eine Einschränkung der Er­ findung beabsichtigt ist.

Beim motorischen Betrieb besteht ein besonderer Vorteil der Erfindung gerade darin, daß der Motor auch bei niederen Dreh­ zahlen von beispielsweise 1 200 Umdrehungen oder weniger pro min eine hohe, der Betriebsspannung entsprechende EMK liefert und das wegen der Vielpoligkeit des Permanentmagnet-Rotors bei außerordentlich hoher Konstanz der gewünschten Nenndreh­ zahl. Dank dieser Eigenschaft bestehen vielfältige Anwendungs­ möglichkeiten, beispielsweise als Antriebsmotoren in Video­ recordern.

Wie bereits oben festgestellt, müssen Stator und Rotor einer solchen Gleichstrommaschine aneinander angepaßt werden. Die Höhe des Stators (Erstreckung in Richtung der Zylinderachse) wird im wesentlichen gleich der Länge (Höhe) der Permanent­ magnetpole des Rotors gewählt. Die Breite eines Wicklungsab­ schnittes der Spule der Statorwicklung wird gleich oder klei­ ner als die halbe Polbreite der Permanentmagnetpole am Rotor gewählt.

Darüber hinaus wird eine solche Anordnung des Rotors zum Sta­ tor gewählt, daß ein möglichst enger Luftspalt zwischen den Permanentmagnetpolen am Rotor und dem den Statorkern bilden­ den Flachmaterial resultiert, um einen möglichst hohen Füll­ faktor zu erzielen.

Nach einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gleichstrom­ maschine ist eine drehbare Anordnung der zylindrischen Per­ manentmagnetpol-Anordnung des Rotors innerhalb des zylindri­ schen Stators und in geringem Abstand zu den Wicklungsab­ schnitten der Statorwicklung vorgesehen, so daß ein Innen­ läufer resultiert.

Alternativ kann eine zylindrische Permanentmagnetpol-Anord­ nung des Rotors außerhalb und um den Umfang des zylindrischen Stators herum und in geringem Abstand zu den Wicklungsab­ schnitten der Statorwicklung vorgesehen werden, so daß ein Außenläufer resultiert.

Vorzugsweise ist eine elektronisch kommutierte Gleichstrom­ maschine mit zwei ringförmigen, konzentrisch angeordneten, gleichsinnig rotierenden Permanentmagneten vorgesehen, welche einen Ringspalt begrenzen, in welchem der oben erläuterte zylindrische Stator berührungsfrei angeornet ist. In einem solchen Falle resultiert eine Gleichstrommaschine mit einer ersten ringförmigen Permanentmagnetpol-Anordnung des Rotors innerhalb des zylindrischen Stators und in geringem Abstand zu den Wicklungsabschnitten am Innenumfang des Flachmaterials sowie mit einer zweiten ringförmigen Permanentmagnetpol-Anordnung des gleichen Rotors außerhalb des Stators und in geringem Ab­ stand zu den Wicklungsabschnitten am Außenumfang des Flach­ materials, wobei sich auf einem gegebenen radialen Strahl durch beide Anord­ nungen stets Permanentmagnetpole gleicher Polarität gegen­ über befinden. Eine solche Anordnung mit zwei Antriebsebenen nutzt die bei Stromfluß in der Ankerwicklung erzeugte Induk­ tion besonders gut aus und reduziert die Länge der Wickel­ köpfe auf ein Minimum. Zusätzlich trägt das bei Stromfluß im Flachmaterial induzierte magnetische Moment zum Antriebs­ moment des Motors bei. Es läßt sich ein besonders hohes Dreh­ moment pro Volumeneinheit Motoranordnung erzielen.

Nachstehend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand be­ vorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnun­ gen erläutert; die letzteren zeigen:

Fig. 1 eine Vorstufe des erfindungsgemäßen Stators, nämlich ein ebenes Flachmaterialband, das im Sinne der Erfindung bewickelt ist;

Fig. 2 in einer Darstellung analog zu Fig. 1 das ebene Flachmaterialband, das jedoch mit zwei unabhängigen Spulen im Sinne der Erfindung bewickelt ist;

Fig. 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stators, der durch Verformung und Ringschluß des Flachmaterials nach Fig. 1 erhalten wird; und

Fig. 4 in schematischer Darstellung eine Ausführungs­ form eines erfindungsgemäßen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotors, der mit einem erfindungsgemäßen Stator ausgerüstet ist.

Die Fig. 1 zeigt ein ebenes Flachmaterialband 1 aus einem weichmagnetischem Werkstoff. Für einen beispielhaften viel­ poligen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit einer Stromaufnahme von einigen Watt besitzt dieses Band angenähert eine Stärke von 0,4 mm und eine Höhe von angenähert 8 mm. An der Oberkante des Bandes befinden sich Fixiermittel für die aufzuwickelnde Spule, nämlich im vorliegenden Falle kleine, in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnete, über die Oberkante geringfügig vorstehende Fahnen 2. Ein solches Band 1 kann in praktisch endloser Form von einer Vorratsrolle bezo­ gen, in ebenem Zustand bewickelt, daraufhin auf die gewünsch­ te Länge zurechtgeschnitten und daraufhin an den beiden End­ abschnitten mit Einrichtungen zum mechanisch festen, jedoch magnetisch weitestgehend stoßfreien Ringschluß versehen wer­ den. Im vorliegenden Falle handelt es sich hierbei um die nut­ förmige Aussparung 3 am einen Ende und den federförmigen Vor­ sprung 4 am anderen Ende um eine übliche Schwalbenschwanz-Verbindung zu bilden. Ein solches Flachmaterialband 1 wird zur Erzeu­ gung der gewünschten Ankerwicklung mit einer Spule 10 be­ wickelt. Zur Erzeugung dieser Spule 10 dient ein praktisch endloser Draht, welcher senkrecht zur Bandlängsachse um das Flachmaterialband 10 so herumgewickelt wird, daß aufeinander­ folgende Wicklungsabschnitte 12, 12′, 12′′ usw. erhalten wer­ den. Zwischen den aufeinander folgenden Wicklungsabschnitten 12 und 12′ usw. bestehen Lücken 13 einheitlicher, gleicher Breite, so daß die aufeinander folgenden Wicklungsabschnitte im Ab­ stand zueinander angeordnet sind. Sämtliche Wicklungsab­ schnitte 12, 12′, 12′′ usw. weisen eine gleiche, einheitliche Breite auf (das ist die Erstreckung in Richtung der Bandlängs­ achse), welche bei einer bevorzugten Ausführungsform gleich der Breite der Lücken 13 gewählt wird. Jeder einzelne Wick­ lungsabschnitt 12, 12′, 12′′ usw. besteht aus parallelen be­ nachbarten, gegenseitig elektrisch isolierten Drahtwindungen 11. Aufeinander folgende Wicklungsabschnitte 12 und 12′ sind in Reihe miteinander verknüpft, so daß eine einzige Spule mit einem Anfangsabschnitt 14 und einem Endabschnitt 15 erhalten wird.

Nach einem wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung muß dafür gesorgt werden, daß aufeinander folgende Wicklungsabschnitte 12 und 12′ bei Stromdurchgang entgegengesetzte magnetische Wirkung zeigen. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann diese Forde­ rung einfach dadurch erfüllt werden, daß aufeinander folgen­ de Wicklungsabschnitte 12 und 12′ in jeweils entgegengesetz­ ter Wicklungsrichtung gewickelt worden sind, beispielsweise der Wicklungsabschnitt 12 bei der Betrachtung auf das Feder­ ende 4 zu im Uhrzeigersinn und der darauf folgende Wicklungs­ abschnitt 12′ entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn. Alternativ kann diese Forderung auch dadurch erfüllt werden, daß die Anfangs- und Endabschnitte der einzelnen aufeinander folgen­ den Wicklungsabschnitte 12 und 12′ vertauscht angeschlossen werden. Solche und weitere Maßnahmen sind in der Fachwelt be­ kannt und müssen hier nicht im einzelnen erläutert werden.

Die Fig. 2 zeigt in einer weitgehend analogen Darstellung ein Flachmaterial 1, das mit zwei unabhängigen Spulen 10 und 17 bewickelt ist. Die Spule 10 entspricht der oben mit Be­ zugnahme auf Fig. 1 erläuterten Spule und besteht aus den im Abstand zueinander angeordneten Wicklungsabschnitten 12, 12′, 12′′ usw., zwischen denen die Lücken 13 bestehen, wobei aufeinander folgende Wicklungsabschnitte 12 und 12′ bei Strom­ durchgang entgegengesetzte magnetische Wirkung zeigen. Zur Erzeugung der analog aufgebauten Spule 17 sind in die Lücken 13 zwischen aufeinander folgenden Wicklungsabschnitten 12 und 12′ der ersten Spule 10 die Wicklungsabschnitte 18, 18′, 18′′ der zweiten Spule 17 gewickelt worden. Wiederum wird durch Umkehr der Wicklungsrichtung gewährleistet, daß auf­ einander folgende Wicklungsabschnitte 18 und 18′ der zweiten Spule 17 bei Stromdurchgang entgegengesetzte magnetische Wir­ kung zeigen. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform weist das Flachmaterialband 1 sowohl an seiner Oberkante kleine vorstehende Fahnen 2 wie an seiner Unterkante kleine vorstehende Fahnen 2′ auf, welche als Fixiermittel für die beiden Spulen 10 und 17 in der gewünschten Anordnung dienen. Alternativ könnten diese Fixiermittel 2, 2′ auch durch auf­ geklemmte Kunststoffleisten ersetzt sein, welche entspre­ chende Vertiefungen und Vorsprünge zur Festlegung der Wick­ lungsabschnitte in der gewünschten Anordnung aufweisen. Nach einer weiteren Alternative können die Spulen 10 und 17 auf das glatte Flachmaterialband 1 gewickelt werden und in der gewünschten Anordnung durch Aufbringung eines aus­ härtenden Kunstharzes fixiert werden.

Anstelle von zwei unabhängigen Spulen 10 und 17 kann die gesamte Ankerwicklung an einem erfindungsgemäßen Stator auch aus drei oder mehr unabhängigen Spulen bestehen. Mit einer Ankerwicklung aus wenigstens zwei unabhängigen Spulen 10 und 17 kann bei motorischem Betrieb der Gleichstrommaschine ein selbsttätiges Anlaufen des Motors aus jeder beliebigen Stellung gewährleistet werden. Weiterhin wird die Gleichförmig­ keit des Drehmomentes um den Umfang noch weiter erhöht.

Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Vorprodukt, nämlich ein in ebenem Zustand gewickeltes Flachmaterialband wird daraufhin zu einem kreisrunden Zylinder geformt und zu einem Ring ge­ schlossen, um einen erfindungsgemäßen zylindrischen Stator zu erhalten, wie er mit Fig. 3 dargestellt ist. Im einzelnen liefert das in Fig. 1 dargestellte, bewickelte Flachmaterial­ band 1 nach Verformung und Ringschluß den in Fig. 3 darge­ stellten Stator. Im Bereich der zum Ringschluß vorgesehenen Schwalbenschwanz-Verbindung 3/4 können zusätzlich die Sen­ soren 6, 6′ einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Winkelposition des Rotors bezüglich dieser Sensoren und zur Ermittlung der Polarität des unmittelbar benachbarten Per­ manentmagnetpols am Flachmaterialband 1 angebracht werden. Hier­ zu können beispielsweise Hall-Sensoren oder andere Magnetfeld- Sensoren vorgesehen werden.

Die Fig. 4 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße elektronische Gleichstrommaschine. Im einzelnen handelt es sich um einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, dessen Rotor 30 bezüglich einer feststehen­ den Motoranordnung 20 drehbar gelagert ist. Ein solcher Motor ist im einzelnen in der DE-PS 34 33 695 beschrieben, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen auf die dortige Beschreibung verwiesen wird. Zur stationären Motoranordnung 20 gehört eine Grundplatte 21, an welcher die wesentlichen Motorkomponenten einschließlich der Lageranordnung für den Rotor 30 befestigt sind. An dieser Grundplatte 21 ist eine erfindungsgemäße zylin­ drische Statoranordnung befestigt, welche aus einem Flachmate­ rial 1 und einer Spule 10 besteht, wie das beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Statoranordnung befindet sich im Ringspalt zwischen zwei ringförmigen Permanentmagneten 31 und 33, die fest an einer Scheibe 35 des Rotors 30 angebracht sind. Der äußere Permanentmagnetring 31 ist an seinem Außen­ umfang mit einem Weicheisenring 32 belegt. In gleicher Weise ist der innere Permanentmagnetring 33 an seinem Innenumfang mit einem weiteren Weicheisenring 34 belegt. Jeder Permanent­ magnetring 31 und 33 besteht aus Einzelpolen, welche alternie­ rend in radialer Richtung, d.h. senkrecht auf die Drehachse "a" zu polarisiert sind. Die Polbreite der einzelnen Permanentmag­ netpole (das ist die Erstreckung in Umfangsrichtung der Per­ manentmagnetringe 31 und 33) kann beispielsweise 6 bis 8 mm betragen. Ersichtlich läßt sich bei kleinen Motorabmessungen eine vielpolige Anordnung mit 40 und mehr Permanentmagnet­ polen pro Permanentmagnetring 31 oder 33 am Rotor 30 erzielen. Es ist wichtig, daß sich auf einem gedachten, von der Drehachse "a" ausgehenden Radialstrahl stets Permanentmagnetpole gleicher Polarität der benachbarten Permanentmagnetringe 31 und 33 am Rotor 30 gegenüberstehen.

Dank seiner Vielpoligkeit weist ein solcher, elektronisch kommutierter Gleichstrommotor eine außerordentlich hohe Kon­ stanz seiner Nenndrehzahl auf. Die Drehzahlschwankungen über den Umfang sind innerhalb eines erweiterten Regelbereiches lastunabhängig und betragen auf jeden Fall weniger als 1 Pro­ mille der Nenndrehzahl. Dank der besonderen Ausgestaltung des Stators liefert ein solcher Gleichstrommotor auch bei Nenndrehzahlen von lediglich 1 200 oder weniger Umdrehun­ gen/min stets eine seiner Betriebsspannung angepaßte EMK. Aufgrund dieser Eigenschaften ist ein solcher Motor insbe­ sondere als Antriebsquelle in rotierenden Speichermedien ge­ eignet, beispielsweise in Videorecordern.

Claims (21)

1. Ein zylindrischer Stator für eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine mit wengistens einer Ankerwicklung an einem Statorkern, dadurch gekennzeichnet, daß
der Statorkern ein geschlossener Ring aus einem hochohmigen, hochpermeablen Flachmaterial (1) ist; und
die Ankerwicklung wenigstens eine Spule (10, 17) aus endlo­ sem Draht ist, der so in Richtung der Zylinderachse um das Flachmaterial herumgewickelt ist, daß eine Anzahl paralle­ ler und benachbarter Drahtwindungen (11) gleicher Wicklungs­ richtung je einen Wicklungsabschnitt (12, 12′, 12′′; 18, 18′, 18′′) bilden und aufeinander folgende und in Reihe miteinan­ der verknüpfte Wicklungsabschnitte im Abstand zueinander an­ geordnet sind und - bei Stromdurchgang - jeweils entgegen­ gesetzte magnetische Wirkung zeigen.

2. Der Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
alle Wicklungsabschnitte (12, 12′, 12′′; 18, 18′, 18′′) eine gleiche einheitliche Breite besitzen; und
der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Wicklungs­ abschnitten (12 und 12′; 18 und 18′) gleich oder größer als die Wicklungsabschnittbreite ist.

3. Der Stator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinander folgende Wicklungsabschnitte (12, 12′, 12′′; 18, 18′, 18′′) der Spule(n) (10, 17) jeweils entgegenge­ setzte Wicklungsrichtung aufweisen.

4. Der Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ankerwicklung aus einer ersten Spule (10) und wenig­ stens einer zweiten Spule (17) besteht; und
die Wicklungsabschnitte (18, 18′, 18′′) der zweiten Spule(n) (17) in den Lücken (13) zwischen aufeinander folgenden Wick­ lungsabschnitten (12, 12′, 12′′) der ersten Spule (10) ange­ ordnet sind.

5. Der Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Fixiermittel (2, 2′) am Statorkern (1) eine dauerhafte An­ ordnung der Spule(n) (10, 17) in Form einzelner Wicklungs­ abschnitte gleicher Breite und einheitlicher Lücken zwi­ schen aufeinander folgenden Wicklungsabschnitten am Stator­ kern gewährleisten.

6. Der Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das den Statorkern bildende Flachmaterial (1) ein weichmagne­ tischer Werkstoff ist, der aufgrund seiner Stärke und seiner Permeabilität im Magnetfeld der Permanentmagneten eines Rotors nicht vollständig gesättigt wird.

7. Der Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Statorkern bildende Flachmaterial (1) aus Dynamo- Blechen mit hohem Si-Anteil oder aus einem Pulver-Sinter- Werkstoff mit Si, Fe Mn, Ni und/oder Co als metallischer Kom­ ponente in einer Kunststoff-Matrix besteht.

8. Der Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorkern eine mehrlagige Anordnung des Flachmaterials aufweist, wobei sich zwischen benachbarten Flachmaterial- Lagen ein Isoliermittel befindet.

9. Der Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Isolierung zwischen Statorkern und Anker­ wicklung vorhanden ist.

10. Der Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ringschluß zwischen den beiden Flachmaterialenden eine Materialverdickungen vermeidende Verbindung, insbesondere eine Schwalbenschwanz-Verbindung (3/4) oder dergleichen dient.

11. Der Stator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungsbereich der beiden Flachmaterialenden am Flachmaterial (1) Sensoren (6, 6′) einer die Winkelposition der Permanentmagnetpole eines Rotors gegenüber den Wicklungs­ abschnitten der Spule am Stator erfassenden Einrichtung angebracht sind.

12. Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Stators nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein ebenes Band aus dem hochohmigen und hoch­ permeablen Material bereitgestellt wird;
• b) quer zur Bandlängsrichtung ein endloser Draht so um das Band herumgewickelt wird, daß aus paral­ len und benachbarten Drahtwindungen bestehende, miteinander in Reihe verknüpfte Wicklungsabschnitte gebildet werden, die im Abstand zueinander angeord­ net sind, wobei aufeinander folgende Wicklungsab­ schnitte - bei Stromdurchgang - jeweils entgegen­ gesetzte magnetische Wirkung zeigen;
• c) am Anfang und am Ende der gebildeten Spule Stücke des Drahtes für Anschlußzwecke bereitgehalten wer­ den;
• d) das ebene, bewickelte Bandmaterial zu Stücken ge­ wünschter Länge zurechtgeschnitten wird, und die bewickelten Bandstücke zu einem kreisrunden Ring verformt werden; und
• e) die dann benachbarten Bandenden mechanisch fest und magnetisch stoßfrei miteinander verbunden wer­ den.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erzeugung einer ersten Spule auf dem ebenen Band in die Lücken zwischen aufeinander folgenden Wicklungsabschnitten hinein aus einem zweiten endlosen Draht wenigstens eine zweite Spule gleicher Bauart gewickelt wird; und daraufhin im bewickelten Zustand die Verformung zur zylin­ drischen Anordnung vorgenommen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinander folgende Wicklungsabschnitte einer Spule mit jeweils entgegengesetzter Wicklungsrichtung gewickelt wer­ den.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Stoßbereich Sensoren zur Feststellung der magnetischen Polarität und der Winkelposition zwischen Rotor und Stator angebracht werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule(n) in der vorgesehenen Anordnung mit Lücken de­ finierter Breite zwischen aufeinander folgenden Wicklungs­ abschnitten auf dem ebenen Flachmaterial fixiert wird, be­ vor das letztere in die zylindrische Anordnung gebracht wird.

17. Elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, mit einem Rotor mit wenigstens einem Permanentmagneten mit wenigstens vier konzentrisch zur Rotordrehachse ange­ ordneten und im wesentlichen senkrecht zu dieser polarisier­ ten Polen benachbart zu einem zylindrischen Stator mit einer Ankerwicklung an einem Statorkern, weiterhin mit einer Einrichtung zur Erfassung der Winkel­ position des Rotors gegenüber der Statorwicklung, und mit einer Ansteuerelektronik, die anhand der von der Er­ fassungseinrichtung gebildeten Signale dem Stromfluß durch die Ankerwicklung so steuert, damit diese ein den Rotor antreibendes Magnetfeld erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator ein zylindrischer Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ist.

18. Die Gleichstrommaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite eines Wicklungsabschnittes (12, 12′, 12′′; 18, 18′, 18′′) der Spule(n) (10, 17) der Ankerwicklung gleich oder kleiner der halben Polbreite der Permanentmagnetpole am Rotor ist.

19. Die Gleichstrommaschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrische Permanentmagnetpol-Anordnung (33) des Rotors (30) innerhalb des zylindrischen Stators und in ge­ ringem Abstand zu den Wicklungsabschnitten der Ankerwick­ lung drehbar angeordnet ist (Innenläufer).

20. Die Gleichstrommaschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrische Permanentmagnetpol-Anordnung (31) des Rotors (30) außerhalb um den Umfang des zylindrischen Stators herum und in geringem Abstand zu den Wicklungsabschnitten der Ankerwicklung drehbar angeordnet ist (Außenläufer).

21. Die Gleichstrommaschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß
eine erste zylindrische Permanentmagnetpol-Anordnung (33) innerhalb des zylindrischen Stators; und
eine zweite zylindrische Permanentmagnetpol-Anordnung (31) des gleichen Rotors (30) außen um den Umfang des zylindri­ schen Stators herum drehbar angeordnet sind; und
auf einem gegebenen radialen Strahl sich stets Permanent­ magnetpole gleicher Polarität einander gegenüber befinden.