DE3629423C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen zylindrischen Sta­ tor für eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine mit permanentmagnetischen Rotor. Weiterhin betrifft die Er­ findung ein Verfahren zur Herstellung des Stators. Schließ­ lich betrifft die Erfindung eine mit dem neuen Stator aus­ gerüstete elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine die sowohl motorisch wie generatorisch betrieben werden kann.

Mehr im einzelnen betrifft die Erfindung einen zylindrischen Stator für eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, mit einem, einen geschlossenen Ring bildenden Statorkern aus einem hochohmigen, hochpermeablen Flachmaterial, das auf­ grund seiner Materialstärke und/oder seiner Permeabilität im gegebenen Magnetfeld eines Permanentmagnet-Rotors nicht vollständig sättigbar ist und mit einer Statorwicklung aus wenigstens einer Spule aus endlosem Draht, der so in Rich­ tung der Zylinderachse um das Flachmaterial herumgewickelt ist, daß eine Anzahl paralleler und benachbarter Drahtwin­ dungen gleicher Wicklungsrichtung je einen Wicklungsab­ schnitt bilden, alle Wicklungsabschnitte eine gleiche ein­ heitliche Breite besitzen und aufeinander folgende Wick­ lungsabschnitte jeweils entgegengesetzte Wicklungsrichtung aufweisen und in Reihe miteinander verknüpft sind. Ein sol­ cher Stator ist aus der japanischen Patentanmeldung 61-35 145A (vgl. auch Patents Abstracts of Japan, E-147, vom 5. Juli 1986, Vol. 10, No. 192) bekannt. Die Antriebsspulen des bekannten Stators sind toroidal in axialer Richtung um die inneren und äußeren Umfangsflächen eines zylindrischen Joches gewickelt worden. Weil ein geschlossenes zylindrisches Joch in jeweils alternierender Wicklungsrichtung bewickelt werden muß, sind die Wicklungsarbeiten vergleichsweise aufwendig.

Ferner sind elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren be­ kannt, deren Statorwicklung in Form einer gedruckten Schal­ tung ausgebildet ist (vgl. JP 58-89054A oder EP 1 78 380A1). Zur Erzeugung dieser Statorwicklungen kann von ebenem Band­ material ausgegangen werden, das nach Bildung der Leiterbahn­ abschnitte zu einem zylindrischen Ring geformt wird. Das die Leiterbahnabschnitte haltende Substrat dieser Statorwicklun­ gen besteht typischerweise aus magnetisch inerten Materialien, wie etwa Polyester-Folien. "Gedruckte Schaltungen" unterschei­ den sich grundsätzlich von Drahtspulen.

Aus der DE-AS 16 13 006 ist ein kollektorloser Gleichstrom­ motor bekannt, der einen scheibenförmigen, diametral gepolten Permanentmagnet-Rotor und eine stationäre Ankerwicklung mit mehreren Wicklungssträngen aufweist. Die Wicklungsstränge sind um einen stationären, den Permanentmagnet-Rotor konzen­ trisch umgebenden, zylindrischen oder zylinderringförmigen Magnetfluß-Rückschlußkörper aus einem Material mit ferromag­ netischen Eigenschaften unter Verwendung dieses Rückschluß­ körpers als Wicklerkörper ein- oder mehrlagig wendelartig ge­ wunden. Mit einer solchen Wicklungsanordnung wird die Bildung dicker und sich quer über die Motorstirnfläche erstreckender Wickelköpfe bei Gleichstrommotoren der genannten Art vermieden. Auch in diesem Falle wird von einem vorgegebenen, ringförmigen oder zylindrischen Wickelkörper ausgegangen, der mit Hilfe einer Wickelmaschine bewickelt wird.

Die EP 1 78 380A1 offenbart eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, die motorisch oder generatorisch betrieben werden kann. Deren Rotor weist wenigstens einen Permanentmagneten mit wenigstens vier konzentrisch zur Rotor­ drehachse angeordneten Polen auf, die im wesentlichen senkrecht zur Drehachse polarisiert sind. Benachbart zur Umfangsbahn des Rotors befindet sich ein Stator, dessen Statorwicklung eine durch Formwickeln erzeugte, mäanderförmige Leiterbahn­ anordnung ist deren gerade hin- und herführenden Mäander­ abschnitte aus einer Anzahl geometrisch paraleller Leiter­ bahnabschnitte bestehen. Eine die Winkelposition des Rotors gegenüber den geraden, hin- und herführenden Mäanderab­ schnitten 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 zwischen zwei Permanent­ magnet-Rotoren befindet sich ein stationär angeordneter magnetischer Schluß, der auf seinen beiden, den Rotoren zu­ gewandten Hauptflächen mit je einer mäanderförmigen Leiter­ bahnanordnung belegt ist. Die mäanderförmige Leiterbahn­ anordnung auf der einen Hauptfläche ist funktionell und schal­ lungstechnisch von der mäanderförmigen Leiterbahnanordnung auf der anderen Hauptfläche getrennt. Die Herstellung zylin­ drischer, mäanderförmiger Drahtspulen und nachträgliche Be­ festigung an einem zylindrischen Rückschlußteil erfordert einen nicht unerheblichen Fertigungsaufwand.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Fertigungsvereinfachungen bei einem zylindrischen Stator der aus der JP 61-35 145A bekannten Art zu erzielen. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung des neuen Stators angegeben und eine mit diesem neuen Stator ausgerüstete elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine bereitgestellt werden.

Ausgehend von einem zylindrischen Stator mit den oben ange­ gebenen Merkmalen ist die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß Fixiermittel am Stator­ kern eine dauerhafte Anordnung der Spule(n) in Form einzel­ ner Wicklungsabschnitte gleicher Breite und einheitlicher Lücken zwischen aufeinander folgenden Wicklungsabschnitten am Statorkern gewährleisten; die Lücke zwischen zwei auf­ einander folgenden Wicklungsabschnitten gleich oder größer als die Wicklungsabschnitts-Breite ist und das den Stator­ kern bildende Flachmaterial in ebenem Zustand bewickelt und nach Erzeugung der Spule(n) zu einem Ring geformt und geschlossen worden ist.

Die allseitige Bewicklung eines anfänglich ebenen Band­ materials erfordert einen wesentlich geringeren Fertigungs­ aufwand als das Bewickeln eines geschlossenen Ringes. Der Fertigungsaufwand ist unabhängig vom Durchmesser des fertigen Stators. Dank der/des Fixiermittel(s) bleibt die anfänglich erzeugte Spulenanordnung auch bei der Verformung des anfäng­ lich ebenen Statorkerns zu einem geschlossenen Ring erhalten. Die Fertigungsvereinfachungen senken auch die Herstellungs­ kosten für eine mit dem neuen Stator ausgerüstete elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine und ermöglichen eine preis­ günstige Realisierung viel- bis hochpoliger Stator/Permanent­ magnetrotor-Anordnungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Auswahl des Flachmaterials erfolgt mit der Maßgabe, daß das Flachmaterial aufgrund seiner Stärke und seiner Permeabi­ lität im Magnetfeld der Permanentmagnete eines Rotors nicht vollständig 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 (senk­ recht zur Längsrichtung in der Ebene des Flachmaterials) aufweist; typischerweise kann das Verhältnis Breite : Länge (des noch nicht zu einem Ring geschlossenen Flachmaterials) für einen erfindungsgemäßen zylindrischen Stator 1 : 10 bis 1 : 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 Stromauf­ nahme 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 Kommutierungs­ frequenzen 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 Magnet­ feldern des Permanentmagnet-Rotors keine vollständige magne­ tische Sättigung des den Statorkern bildenden Flachmaterials erreicht wird. Beispielsweise werden Permeabilitätszahlen µ von über 40 bis zu 10 000 und mehr, vorzugsweise von 150 bis 2000, angestrebt. Brauchbare Materialien sind beispiels­ weise die herkömmlichen weichmagnetischen Werkstoffe und bekannte Weichstoff-Ferrite. Gut geeignet sind auch Pulver- Sinter-Werkstoffe mit Si, Fe, Mn, Ni und/oder Co als metallischer Komponente in einer Kunststoff-Matrix. Gute Ergebnisse werden auch mit Flachmaterialien erzielt, die aus bekannten "Dynamo-Blechen" mit hohem Si-Anteil bestehen. Auch Flach­ materialien aus bestimmten Si/Ni-Legierungen sind gut ge­ eignet.

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

Die "magnetische Abschirmung" eines solchen Flachmaterials ist völlig ausreichend, um zu verhindern, daß die bei Stromdurchgang durch die Spule auftretende, beispielsweise ein Antriebs­ moment erzeugende Induktion in den an einer Flachmaterial- Breitseite anliegenden Drahtabschnitten durch die entgegen­ gesetzt gerichtete Induktion in den Drahtabschnitten auf der anderen, gegenüberliegenden Flachmaterial-Breitseite gestört 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 Leistungs­ ausbeute wird naturgemäß erhalten, wenn sowohl die in den Drahtabschnitten auf der einen Flachmaterial-Breitseite er­ zeugte Induktion wie die in den Drahtabschnitten auf der anderen Flachmaterial-Breitseite erzeugte Induktion zur Bildung eines Antriebmomentes ausgenutzt wird. Vorzugsweise wird daher der erfindungsgemäße 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 Be­ dingungen kann das Verhältnis von Schmalseiten-Abmessung zur Breitseiten- oder Höhe-Abmessung am Flachmaterial 1 : 20 oder mehr betragen, so daß die Länge dieser, die Schmalseiten über­ brückenden 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 Permanentmagnet-Pole 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 Gleichstrommaschinen der hier betrachteten Art die Polbreite eines Permanentmagnet-Pols am Rotor nicht übersteigen. Die gewählte Anordnung einer Spule aus Wicklungsabschnitten definierter Breite und Lücken definierter Breite zwischen auf­ einander folgenden, in Reihe miteinander verbundenen Wick­ lungsabschnitten muß dauerhaft am Flachmaterial festgelegt werden. Hierzu sind Fixiermittel vorgesehen, welche die ein­ zelnen Drahtwindungen oder bevorzugt die einzelnen Wicklungs­ abschnitte in der einmal gewählten Anordnung festhalten. Solche Fixiermittel können beispielsweise kleine Fahnen sein, welche über eine oder beide Schmalseiten des Flachmaterials geringfügig vorstehen und in einem der Wicklungsabschnitte 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. Alter­ nativ kann die auf das Flachmaterial gewickelte Spule mittels eines aushärtenden Kunstharzes in der gewünschten Anordnung fixiert werden.

Die Statorwicklung des erfindungsgemäßen Stators kann aus einer einzigen Spule mit dem oben angegebenen Aufbau bestehen. Alternativ kann die Statorwicklung aus zwei oder mehr vonein­ ander getrennten Spulen bestehen. Hierdurch wird der Füll­ faktor im magnetischen Luftspalt erhöht, und bei geeigneter Ansteuerung kann ein selbsttätiges Anlaufen des Rotors aus jeder beliebigen Rotorstellung realisiert werden. In einem solchen Falle werden die Wicklungsabschnitte der zweiten (oder weiteren Spulen) Spule in den Lücken zwischen aufeinander folgenden Wicklungsabschnitten der ersten Spule angeordnet.

Sämtliche Spulen der Ankerwicklung können lediglich einlagige Drahtanordnung aufweisen. Vorzugsweise ist jedoch eine mehrlagige, beispielsweise zwei- oder dreilagige Drahtanord­ nung vorgesehen.

Die hierdurch erzielbare Erhöhung des Füllfaktors kompensiert die Induktionsabnahme wegen der Luftspaltverbreiterung bei weitem.

Zur Herstellung der Spule(n) der Statorwicklung kann herkömm­ liches Drahtmaterial mit beliebigem, beispielsweise kreisrundem Querschnitt verwendet werden. Sofern Draht mit eckigem, insbesondere 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 Flach­ material eine elektrische Isolierung in Form eines Überzugs aus ausgehärtetem Kunstharz oder dergleichen aufgebracht, um Kurzschlüsse insbesondere an den stark abgebogenen Drahtab­ schnitten im Bereich der Flachmaterial-Schmalseite sicher auszuschließen.

Wie nachstehend noch im einzelnen erläutert wird, wird ein solcher zylindrischer Stator aus einem anfänglich ebenen Flachmaterial hergestellt, das in einem ebenen Zustand be­ wickelt und daraufhin zu einem Kreis verformt und zu einem Ring geschlossen wird. Zum Ringschluß zwischen den beiden Flachmaterialenden dient vorzugsweise eine Materialverdickung vermeidende Verbindung, insbesondere eine Schwalbenschwanz- Verbindung oder dergleichen. Die benachbarten Bandenden des gewickelten Flachmaterials sollen mechanisch fest und magne­ tisch stoßfrei miteinander verbunden werden. Vorzugsweise können im resultierenden Verbindungsbereich die Sensoren einer Erfassungseinrichtung am Flachmaterial angebracht werden. Diese Sensoren, beispielsweise Hallsensoren oder sonstige Magnetfeldsensoren erfassen die Winkelposition des Rotors gegenüber den geraden, an einer Flachmaterial- Breitseite anliegenden Drahtabschnitten eines Wicklungsab­ schnittes der Spule. Die anhand der Erfassungseinrichtung gebildeten Signale werden einer Ansteuerelektronik zugeführt, welche den Stromfluß durch die Statorwicklung so steuert, damit diese ein den oder die Rotor(en) antreibendes Magnet­ feld erzeugt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des neuen Stators weist wenigstens nachstehende Verfahrensschritte auf:

• a) Es wird ein ebenes Band aus dem hochohmigen und hoch­ permeablen Flachmaterial 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, wobei aufeinanderfolgende Wicklungsabschnitte jeweils ent­ gegengesetzte Wicklungsrichtung aufweisen;
• 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 Wicklungsabschnitten hinein aus einem zweiten endlosen Draht eine zweite (oder weitere Spulen) Spule gleicher Bauart ge­ wickelt werden; daraufhin wird an dem bewickelten Flach­ material die Verformung zur zylindrischen Anordnung vorgenommen.

Jeder aufeinander folgende Wicklungsabschnitt einer Draht­ spule muß bei Stromdurchgang jeweils entgegengesetzte magne­ tische Wirkungen zeigen. Dies kann einfach dadurch reali­ siert werden, daß aufeinander folgende Wicklungsabschnitte mit jeweils entgegengesetzter Wicklungsrichtung gewickelt werden. Alternativ könnten die Anfangs- und Endabschnitte aufeinander folgender Wicklungsabschnitte vertauscht ange­ schlossen werden.

Nachdem die Spule oder die Spulen in der vorgesehenen An­ ordnung mit Lücken definierter Breite zwischen aufeinander folgenden Wicklungsabschnitten auf dem ebenen Flachmaterial aufgewickelt worden ist/sind, erfolgt vorzugsweise eine Fixierung, bevor das bewickelte Flachmaterial in die zylin­ drische Anordnung gebracht wird. Zur Fixierung kann bei­ spielsweise ein aushärtbares Kunstharz aufgebracht und an­ schließend 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 Endabschnitte zurechtgeschnitten. Hierbei kann es sich bei­ spielsweise um Nut-und Federansätze oder sonstige Ansätze einer Schwalbenschwanz-Verbindung handeln.

Ersichtlich stellt ein solches Herstellungsverfahren, bei welchem ein anfänglich ebenes Flachmaterial in der darge­ legten Weise bewickelt wird, und daraufhin das bewickelte Flachmaterial zu einem zylindrischen Stator geformt und geschlossen wird, eine erhebliche Verbesserung und Verein­ fachung gegenüber den bekannten Vorschlägen zur Herstellung zylindrischer Drahtspulen, insbesondere zylindrischer, mäanderförmiger Drahtspulen dar.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektronisch kommu­ tierte Gleichstrommaschine mit einem Rotor mit wenigstens einem Permanentmagneten mit wenigstens vier konzentrisch zur Rotordrehachse angeordneten und im wesentlichen senk­ recht 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 Statorwicklung und mit einer Ansteuerelektronik, die anhand der von der Erfassungseinrichtung gebildeten Signale den Stromfluß durch die Statorwicklung so steuert, damit diese ein den Rotor antreibendes Magnetfeld erzeugt. Eine solche Gleichstrommaschine ist beispielsweise in der DE 34 33 695C1 oder in EP 1 78 380A1 beschrieben.

Erfindungsgemäß ist eine elektronisch kommutierte Gleichstrom­ maschine dieser Art mit dem neuen Stator ausgerüstet, der oben im einzelnen beschrieben ist.

Eine solche Gleichstrommaschine kann sowohl als Gleichstrom­ motor wie als Generator eingesetzt werden. Ein solcher Motor liefert auch bei niederen Drehzahlen von beispielsweise 1 200 Umdrehungen oder weniger pro min eine hohe, der Betriebsspannung entsprechende EMK. Wegen der Vielpoligkeit des Permanentmagnet-Rotors ergibt sich eine außerordentlich hoher Konstanz der gewünschten Nenndrehzahl. Dank dieser Eigenschaft bestehen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise als Antriebsmotoren in Videorecordern.

Nach einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gleichstrom­ maschine ist eine drehbare Anordnung der zylindrischen Permanentmagnetpol-Anordnung des Rotors innerhalb des zylindrischen Stators und in geringem Abstand zu den Wick­ lungsabschnitten der Statorwicklung vorgesehen, so daß ein Innenläufer 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 Wick­ lungsabschnitten 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 angeordnet 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 Flachmate­ rials sowie mit einer zweiten ringförmigen Permanentmagnet­ pol-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 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 weichmagnetischen 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 34 33 695C1 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 (15)

1. Zylindrischer Stator für eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine,
mit einem, einen geschlossenen Ring bildenden Statorkern, aus einem hochohmigen, hochpermeablen Flachmaterial, das aufgrund seiner Materialstärke und/oder seiner Permeabi­ lität im gegebenen Magnetfeld eines Permanentmagnet-Rotors nicht vollständig sättigbar ist, und
mit einer Statorwicklung aus wenigstens einer Spule aus end­ losem Draht, der so in Richtung der Zylinderachse um das Flachmaterial herumgewickelt ist, daß eine Anzahl paralleler und benachbarter Drahtwindungen gleicher Wicklungsrichtung je einen Wicklungsabschnitt bilden, alle Wicklungsabschnitte eine gleiche einheitliche Breite besitzen, und aufeinander folgende Wicklungsabschnitte jeweils entgegengesetzte Wick­ lungsrichtung aufweisen und in Reihe miteinander verknüpft sind,
dadurch gekennzeichnet, daß Fixiermittel (2, 2′) am Statorkern (1) eine dauerhafte Anordnung der Spule(n) (10, 17) in Form einzelner Wicklungs­ abschnitte (12, 12′, 12′′; 18, 18′, 18′′) gleicher Breite und einheitlicher Lücken (13) zwischen aufeinander folgenden Wicklungsabschnitten am Statorkern gewährleisten; die Lücke (13) zwischen zwei aufeinander folgenden Wick­ lungsabschnitten (12 und 12′; 18 und 18′) gleich oder größer als die Wicklungsabschnitts-Breite ist; und das den Statorkern (1) bildende Flachmaterial in ebenem Zustand bewickelt und nach Erzeugung der Spule(n) (10, 17) zu einem Ring geformt und geschlossen worden ist.

2. Der Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung 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.

3. Der Stator nach Anspruch 1 oder 2, 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 Komponente in einer Kunststoff-Matrix besteht.

4. Der Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorkern (1) eine mehrlagige Anordnung des Flach­ materials aufweist, wobei sich zwischen benachbarten Flach­ material-Lagen ein Isoliermittel befindet.

5. Der Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Isolierung zwischen Statorkern (1) und Statorwicklung (10, 17) vorhanden ist.

6. Der Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ringschluß zwischen den beiden Flachmaterialenden eine Materialverdickung vermeidende Verbindung, insbesondere eine Schwalbenschwanz-Verbindung (3, 4) dient.

7. Der Stator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungsbereich der beiden Flachmaterialenden am Flach­ material (1) Sensoren (6, 6′) einer die Winkelposition der Permanentmagnet-Pole eines Rotors gegenüber den Wicklungs­ abschnitten der Spule am Stator erfassenden Einrichtung an­ gebracht sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Stators nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein ebenes Band aus dem hochohmigen und hochpermeablen Flachmaterial bereitgestellt wird;
• b) quer zur Bandlängsrichtung ein endloser Draht so um das Band herumgewickelt wird, daß aus parallen und benach­ barten Drahtwindungen bestehende, miteinander in Reihe verknüpfte Wicklungsabschnitte gebildet werden, die im Abstand zueinander angeordnet sind, wobei aufeinander folgende Wicklungsabschnitte jeweils entgegengesetzte Wicklungsrichtung aufweisen;
• c) am Anfang und am Ende der gebildeten Spule Stücke des Drahtes für Anschlußzwecke bereitgehalten werden;
• d) das ebene, bewickelte Bandmaterial zu Stücken gewünschter 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 werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erzeugung einer ersten Spule auf dem ebenen Flachmaterial 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.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule(n) in der vorgesehenen Anordnung mit Lücken definierter Breite zwischen aufeinander folgenden Wicklungsabschnitten auf dem ebenen Flachmaterial fixiert wird/werden, bevor das letztere in die zylindrische Anordnung gebracht wird.

11. Elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, mit einem Rotor mit wenigstens einem Permanentmagneten mit wenigstens vier konzentrisch zur Rotordrehachse angeordneten und im wesentlichen senkrecht zu dieser polarisierten Polen benachbart zu einem zylindrischen Stator mit einer Stator­ wicklung an einem Statorkern, weiterhin mit einer Einrichtung zur Erfassung der Winkelposition des Rotors gegenüber der Statorwicklung, und mit einer Ansteuer-Elektronik, die anhand der von der Erfassungseinrichtung gebildeten Signale den Stromfluß durch die Statorwicklung so steuert, damit diese ein den Rotor antreibendes Magnetfeld erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ist.

12. Die Gleichstrommaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite eines Wicklungsabschnittes (12, 12′, 12′′; 18, 18′, 18′′) der Spule(n) (10, 17) der Statorwicklung gleich oder kleiner der halben Polbreite der Permanentmagnetpole am Rotor ist.

13. Die Gleichstrommaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrische Permanentmagnetpol-Anordnung (33) des Rotors (30) innerhalb des zylindrischen Stators und in ge­ ringem Abstand zu den Wicklungsabschnitten der Statorwicklung drehbar angeordnet ist (Innenläufer).

14. Die Gleichstrommaschine nach Anspruch 11 oder 12, 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 Statorwicklung drehbar angeordnet ist (Außenläufer).

15. Die Gleichstrommaschine nach Anspruch 13 oder 14, 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.