DE3700774C2

DE3700774C2 - Kollektorlose Gleichstrommaschine

Info

Publication number: DE3700774C2
Application number: DE3700774A
Authority: DE
Inventors: Martin Burgbacher
Original assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG; Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1986-01-13
Filing date: 1987-01-13
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2007-01-14
Also published as: DE3700774A1; US4998032A; US5170083A; USRE35763E

Description

Die Erfindung betrifft eine kollektorlose Gleichstrommaschine nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 2.

Die dem Oberbegriff zugrunde liegende DE 31 22 049 A1 zeigt einen kollektorlosen mehrphasigen Gleichstrommotor mit genutetem Stator und mit zylindrischen luftspaltseitigen Polflächen, wodurch beispielsweise der in Umfangsrichtung peri odisch unterschiedliche Luftspalt bewirkt wird.

Aus der DE OS 20 31 141 ist ein zweipoliger einphasiger Motor mit Dauermagnet läufer, nach Art eines Spaltpolmotors aufgebaut, bekannt, dessen Erregung mittels Transistor gesteuert wird, welcher einen periodisch unterschiedlichen Luftspalt zur Erzeugung einer bevorzugten Startstellung für den Läufer aufweist, wobei hier in den Luftspalt ragende Vorsprünge vorgesehen sind.

Ferner zeigt die DE 31 12 360 A1 einen zweiphasigen kollektorlosen Gleichstrom motor mit etwa zylindrischem Luftspalt und permanent magnetischem Rotor, bei dem durch über dem Drehwinkel veränderlichen Statordurchmesser u. a. ein Betrieb in beide Drehrichtungen angestrebt wird.

Bei gattungsgemäßen Motoren, sogenannten dauermagnetisch-erregten Maschinen (DEM), entstehen aufgrund der Wechselwirkung zwischen Nutschlitzen und den Kanten der magnetisierten Pole störende Drehmomente, die einen glatten Rundlauf der Maschine verhindern. Ist die Lücke zwischen den magnetisierten Polen kleiner, sind die störenden Ruckmomente (sogenanntes Nutrucken) eher größer.

Wenn man gattungsgemäße Motoren in signalverarbeitenden Geräten mit Vor schriften für extreme räumliche Kompaktheit einsetzen will, ist man gezwungen, be sonders starke Permanentmagnete für den Rotor, sogenannte "Seltene-Erde-Ma gnete", z. B. aus einer Samarium-Kobalt-Legierung zu verwenden. Wird ein solcher Motor für einen Plattenspeicher, dessen Speicherplatte nur 3,5 oder 5¼ Zoll be trägt, verwendet, und dieser auch noch im Innern der Plattennabe (mit 40 oder sogar nur 25 mm Außendurchmesser) angeordnet werden muß, wenn man also aus einem derart kleinen Bauvolumen eine relativ hohe Leistung herausholen muß, wird man außer einem Seltene-Erde-Magnet für hohe Luftspaltinduktion auch eine Mehrpha senwicklung verwenden, obwohl das für die Fertigung unbequem ist wegen der ex tremen Kleinheit. Der im wesentlichen zylindrische Luftspalt ist im allgemeinen dann auch im Fall einer Außenläuferkonstruktion radial außerhalb der zylindrischen Au ßenfläche des Stators um diesen herum angeordnet und radial relativ klein.

Der permanentmagnetische Rotor ist im allgemeinen aus dünnen Halb- oder Viertel- Schalen oder radial dünnen, axial übereinandergesetzten Ringen aufgebaut. Die radiale Dünnheit dieser Rotormagnete kommt vom sehr begrenzten Durchmesser des Motors. Für extrem kleine Hochleistungsmotoren muß man den Luftspalt außer dem minimal halten (Luftspalt: elektromotorisch wirksamer mittlerer Abstand zwi schen Eisenoberfläche des Stators und Eisenoberfläche des Rotors). So besteht bei der Kombination hohe Induktion, genuteter Stator und möglichst kleiner Luftspalt das Problem, für einen Motor mit möglichst konstantem Drehmoment das störende soge nannte Nutrucken zu reduzieren oder möglichst zu verhindern, in besonders schar fer Weise.

Wenn der permanentmagnetische Rotor auch noch trapezförmig magnetisiert ist, hat das Leistungsvorteile, gleichzeitig verschärft sich das Problem jedoch zusätzlich ge genüber den Verhältnissen bei sinusförmiger Magnetisierung.

Schließlich ist aus der DE 28 23 208 A1 bekannt, zur Reduzierung der dritten Ober welle im Drehmomentverhalten eine gewisse Periodizität in der Statorfläche am Luftspalt vorzusehen, so daß über dem Umfang in periodischer Weise der Luftspalt variiert wird. Die vorbekannten Lösungen weisen nicht eine Lösung zur Reduzierung des einen unruhigen Lauf verursachenden Nutruckens auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Motoren der eingangs genannten Art einen ruhigen Lauf trotz hoher Feldkonzentration im Luftspalt zu erreichen.

Die Aufgabe wird mit den Mitteln der Ansprüche 1 oder 2 gelöst.

Die erfindungsgemäßen, peripher kurzen Erhöhungen verengen den Luftspalt über dem Statorpol partiell und wirken wie "magnetische Nocken", sie üben Kräfte auf den Rotor aus, die zur Vergleichmäßigung des Drehmoments ausgenutzt werden. Der im allgemeinen etwa rechteckige Querschnitt dieser Nocken kommt bei einer wichtigen Ausführungsform in (oder auf) die Mitte eines Statorpoles.

Die Erfindung wird bei eingangs genannten Motoren mit zylindrischem Luftspalt und genutetem Innenstator mit einer Mehrphasenwicklung, die überlappungsfrei einge legt ist, bevorzugt angewendet.

Weiterbildungen der Erfindung bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Zeichnungen zeigen

Fig. 1a einen abgewickelten Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Motors einer ersten Ausführung, bei dem das Verhältnis der Statorpolzahl zur Rotorpolzahl z. B. 3 zu 2 oder 6 zu 4 ist;

Fig. 1b zugehörig den gleichzeitigen Verlauf des störenden Nutruckens 1 und den Verlauf des nützlichen Ruckmomentes 2 nach der Erfindung.

Fig. 2a, 2b zeigen ein alternatives oder zusätzlich anzuwendendes Element mit ähnlicher Wirkung wie das erste Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a.

Fig. 3a u. 3b zeigen eine fertigungsfreundliche Ersatzlösung zu Fig. 2a und Fig. 2b,
wobei Fig. 2a und 3a jeweils die Stirnansicht in axialer Richtung und die Fig. 2b und 3b jeweils einen Schnitt durch die Darstellung gemäß Fig. 2a bzw. 3a zeigen.

Fig. 4 zeigt im wesentlichen die erste Ausführungsvariante gemäß Fig. 1a, in etwa 4-facher, natürlicher Größe, wobei der Luftspalt zum Statorpol ende hin jeweils wieder auf die zylindrische Hüllfläche, die auch die erfindungsgemäße Erhebung umgibt, sich hin reduziert.

Fig. 5 eine zweite Ausführung, bei der zum Polende radial spitzenartig aus laufende Enden vorgesehen sind.

Fig. 6a, 6b zeigen die Statorkonturen von Fig. 4/5 in vergrößerter Darstellung.

Im einzelnen:

Fig. 1a zeigt die teilweise Abwicklung eines 6-poligen Stators mit den konzentrierten Polen 11,12, 13 und eines 4-poligen Rotors mit den Permanentmagnetpolen 21, 22, 23, zwischen denen die umfangsmäßig engen Pollücken 25, 26 angeordnet sind, während die Statornutöffnungen (Nuten) 14,15 mit ihrer Breite 's' den Abstand zweier Statorpolenden bedeuten. Auf der Mitte jedes Statorpols sieht man konzen trisch die magnetischen Nocken 3 (Ziffer 113,123, 133) mit ihrer Umfangserstrec kung 'a', wobei die Höhe dieser Nocken 'h' bedeutet. Zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 20 ist der Luftspalt 30, der von den Statorpolköpfen und den Permanent magneten 21, 22, 23 des Rotors 20 begrenzt wird. Eine weichmagnetische Rück schlußschicht 24 umgibt die vier Rotorpole 21ff. Bei Rotation, d. h. Bewegung des Rotors 20 in Richtung des Pfeiles 27 entsteht durch das Zusammenwirken der Sta tornutöffnung 14 und der Rotorpollücke 25 das störende Nutrucken, d. h. das Ruck moment gemäß Kurve 1 in der Fig. 1b. Gleichzeitig (!) entsteht im Abstand der Ro torpolteilung Tau-P-Rotor durch das Zusammenwirken des magnetischen Nockens 133 mit der Rotorpollücke 26 das gegenphasige Ruckmoment gemäß Kurve 2, und zwar im Bereich der Rotorpollücke 26. Fig. 1c zeigt die Superposition der Kurven 1, 2. Der Momentenverlauf des schädlichen Nutruckens entsteht, wenn der Perma nentmagnetpol hoher Induktion, z. B. 21, mit seinem Ende (im Bereich der Pollücke 25) vom Statorpol 11 über die offene Nut 14 hinweg auf den benachbarten Statorpol 12 wandert.

Messungen haben dies bestätigt und gezeigt, daß dann, wenn die Kante z. B. der Nut 14 sich zwischen den Polen, z. B. zwischen 21 und 22, befindet, das maximale Ruckmoment entsteht, wie man das in Fig. 1b aus dem Verlauf der Kurve 1 erken nen kann. Deshalb entspricht der Abstand der Maxima der Kurve 1 der Breite s der Nutöffnungen, z. B. 14.

Um nun auch den Abstand b der Maxima des erfindungsgemäßen Kompensations momentes (Kurve 2) der Nocken 3 an diesen Abstand s anzugleichen, ist es wichtig, die Nockenbreite a in diesem Sinn zu optimieren. Denn für b = s ist das störende Moment (Kurve 1) durch die Kurve 2 voll kompensiert. Diese optimale Nockenbreite liegt im Bereich a = 0,5 ... 1xs, wird jedoch von der Induktionsverteilung des Perma nentmagneten beeinflußt.

Es hat sich gezeigt, daß durch über einem Statorpol in Umfangsrichtung kurze Luftspaltverengungen sich ebenfalls Ruckmomente erzeugen lassen, die bei ent sprechender Positionierung und Dimensionierung der "magnetischen Nocken" (3) einen praktisch gleichen Verlauf haben wie die der Nut-Schlitze (Vergleich Kurve 1). Ordnet man diese "Nocken" so an, daß ihr mittlerer Abstand zu dem entsprechenden Nut-Schlitz gleich einer Polteilung des Rotors (p) oder ein ganzzahliges Vielfaches von ihr ist, dann verläuft das Ruckmoment der "Nocken" genau invers zu dem der Schlitze, d. h. das Nutrucken wird kompensiert. (Vgl. Kurve 2).

Die umfangsmäßige Breite a dieses Nockens, also seine Abmessung in Umfangs richtung, darf nur einen kleinen Bruchteil der Statorpolteilung ausmachen. Es gibt ein Optimum zwischen dieser Umfangsbreite a des Nockens und der Nutschlitzbreite s zwischen diesen Statorpolen (oder Statorzähnen), so daß eine sehr kleine Noc kenbreite a u. U. sogar zusätzlich eine gleichzeitige Nuterweiterung bei sonst glei chen Verhältnissen ermöglicht (welches für die Wicklungsherstellung fertigungs freundlich ist).

Insbesondere bei einem 6-nutigen Motor für eine 3-phasige Wicklung mit 4 Rotor polen, wie sie aus der DE 31 22 049 A1 bekannt ist, zeigte es sich, daß die Erfin dung eine hervorragende Reduzierung dieses unerwünschten Nutruckens erbrachte.

Aus Optimierungsversuchen ließ sich auch erkennen, daß Verengungen des Luftspaltes zu den Enden der Statorköpfe hin durch auch radial hervorragende Stellen, z. B. Spitzen am Statorpolende, wie sie aus der DE 29 19 581 A1 oder der DE 31 49 766 A1 bei sogenannten Reluktanzmotoren bekannt sind, für das vorlie gende Problem eine weitere Verbesserung bringt.

Spitzen (6) an den Zahnkopfenden entsprechend Bild 5 haben ähnliche Wirkung wie Nocken. Da jedoch ihr Abstand A immer größer als die Nutöffungsbreite s ist, hat ihre Kurve 2 ^x eine kleinere Amplitude, deren Lage auch von der Nutmitte weg ver schoben ist. Dies hat eine relativ große Oberwelle zur Folge, weshalb diese Spitzen, mit einem noch schmäleren Nocken kombiniert, optimal sind (a^x = 0,3.S bis 0,8.S). Erstaunlicherweise zeigt sich, daß die gleichen Verhältnisse bei gleichzeitig redu zierter Nockenhöhe h^x = 0,05 bis 0,2 mm erreicht werden und somit eine weitere günstige Reduzierung der mittleren Luftspaltweite möglich ist.

In Fig. 1a/1b wird dies dargestellt, indem diese zweite Lösung strichpunk tiert/gepunktet eingezeichnet wird. Die Kompensationswirkung der aufgesetzten Spitzen 111,112 entspricht Kurve 2 ^x, die des peripher kürzeren Nockens 3 ^x der Kurve 2 ^xx (vgl. Fig. 1b). Beide Wirkungen geschehen gleichzeitig und ergeben eine Gesamtwirkung wie Kurve 2, jedoch stellt sich dieses Ergebnis bei kleinerem h^x ein, wodurch die mittlere Luftweite kleiner und der Motor stärker wird. Diese überra schende Weiterbildung ist um so mehr willkommen, als bei Motoren ein gewisses Übermaß für Fertigungstoleranzen zusätzlich zum theoretisch minimalen Luftspalt dazukommen muß und beim Luftspalt bei Motoren dieser Kleinheit jeder 1/10 mm von Bedeutung ist.

Die Nockenhöhe h bestimmt die Höhe (Amplitude) des Maximums. Diese wird im Rahmen der üblichen Luftspaltbreiten (0,3 mm bis 0,6 mm) als h = dementsprechend 0,1 mm bis 0,3 mm hoch ausgeführt werden können (Fall der Fig. 4). Um die durch die Nocken zusätzlich entstehende mittlere Luftspalterweiterung möglichst klein zu halten, wird außerdem vorgeschlagen, den Durchmesser zum Nutschlitz hin ent sprechend Bild 4 kontinuierlich auf den Nockendurchmesser hin zu erweitern.

Alternativ oder zusätzlich kann eine "Nocken-ähnliche" Wirkung bereits im Nutschlitz- Bereich erzeugt werden durch magnetisches Verschließen derselben mittels ferro magnetischer Nutteile wie an sich aus der DE-AS 11 94 043 bekannt.

Grundsätzlich erscheint es möglich, die Erfindung auch bei genuteten Rotorblechen anzuwenden. Wenn diese sich im Feld von (dann statorseitigen) Permanentmagne ten drehen, kann der Gleichlauf erfindungsgemäß auch dort verbessert werden. Diese Variante bedeutet jedoch die Erfordernis eines mechanischen Kollektors. Der artige Motoren können in Sonderfällen auch die Verbesserung ihrer Laufeigenschaft durch Reduzierung des Nutruckens nötig haben.

Fig. 2a zeigt ans Statorblechpaket angenietete ferromagnetische Winkel 33, die mit ihrem axial gerichteten Schenkel 34 über das Blechpaket 36 hinausstehen, so daß zwischen ihnen und dem Außenrotormagnet der Luftspalt verringert wird. Daher wir ken diese axial gerichteten Schenkel 34 in der Polmitte wie magnetische Nocken nach der Erfindung. Die Winkel werden axial beidseitig an die Stirnfläche des Sta torblechpakets angesetzt, wie Fig. 2b zeigt. Der axial überstehende Rotormagnet bewirkt jedoch zusammen mit dem axial über das Statorblechpaket überstehenden Winkel 33, insbesondere dessen axial gerichteter Schenkel 34, eine effektive billige Anwendung der Erfindung oder verbessert möglicherweise zusätzlich effektiv eine Anordnung gemäß Fig. 1

Fig. 3a, 3b zeigen, wie man die Winkel 34 durch Endbleche 55 mit angesetzten, ab gewinkelten, axial vorkragenden Lappen 37 ersetzen kann.

In Fig. 6 ist, wie in Fig. 1a strichpunktiert angedeutet, eine Verringerung des Luftspaltes zu den Statorpolenden hin vorgesehen, so daß die Maxima der entspre chenden Drehmomentwirkungen (Kurven 2 ^x) weiter auseinander liegen (dem Ab stand A entsprechend) als die Nutöffnungsbreite s. Der Effekt wurde unter Fig. 1 er läutert. Im Bereich um die Mitte zwischen der jeweiligen Statorpolmitte und einem beliebigen Statorpolende wird eine kreisrunde, zylindrische Anhebung 102, 105 zur zylindrischen Hüllfläche 103 hin von der Vertiefung neben dem Nocken 3 ^x ausge hend bis zur Vertiefung neben der Spitze 111 am Statorpolende sich erstreckend so vorgesehen, daß der mittlere Luftspaltdurchmesser effektiv verringert wird (vgl. An spruch 13 und Fig. 6b Statorpol ST II). Der Krümmungsradius R dieser Anhebung 102, 105 ist wesentlich kleiner als der der Hüllfläche 103, 100, 104.

Claims

1. Kollektorlose Gleichstrommaschine, mit einem Stator (10) mit konzentrierten Polen (11-13) und Nuten (14-16) sowie einem permanenterregten Rotor (20), des sen Rotorpole bildende Polflächen den konzentrierten Polen (11-13) des Stators (10) unter Bildung eines zylindrischen Luftspaltes (30) gegenüberstehen, wobei die Rotorpolteilung ungleich der Statorpolteilung ist und die dem Luftspalt (30) zuge wandten Flächen der konzentrierten Pole (11-13) des Stators (20) jeweils so gestal tet sind, daß ein in Umfangsrichtung periodisch unterschiedlicher Luftspalt gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (11-13) des Stators (20) axial verlau fende, magnetisch leitende Erhöhungen in Form von Nocken (3) aufweisen, die dem Luftspalt (30) zugewandt sind, in Umfangsrichtung nur einen Bruchteil einer Stator polteilung breit sind und in Umfangsrichtung jeweils im Abstand von n Rotorpoltei lungen (n = 1, 2, 3...) von einer Nut (14-16) entfernt angeordnet sind.

2. Kollektorlose Gleichstrommaschine, mit einem Stator (10) mit konzentrierten Polen (11-13) und Nuten (14-16) sowie einem permanenterregten Rotor (20), des sen Rotorpole bildende Polflächen den konzentrierten Polen (11-13) des Stators (10) unter Bildung eines zylindrischen Luftspaltes (30) gegenüberstehen, wobei die Rotorpolteilung ungleich der Statorpolteilung ist und die dem Luftspalt (30) zuge wandten Flächen der konzentrierten Pole (11-13) des Stators (20) jeweils so gestal tet sind, daß ein in Umfangsrichtung periodisch unterschiedlicher Luftspalt gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Statorpolmitte axial über das Blechpaket (36) des Stators (10) hinausstehende, magnetisch leitende Schenkel (34) vorgesehen sind, die dem Luftspalt (30) zugewandt sind, in Umfangsrichtung nur einen Bruchteil einer Statorpolteilung breit sind und Umfangsrichtung jeweils im Abstand von n Rotorpolteilungen (n = 1, 2, 3...) von einer Nut (14-16) entfernt ange ordnet sind.

3. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß sich die Statorpolzahl zu der Rotorpolzahl wie 6 zu 4 verhält und die Nocken (3) oder die Schenkel (34) jeweils in der Statorpolmitte angeordnet sind.

4. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Erstreckung der Nocken (3) oder der Schenkel (34) in Umfangsrichtung (Nockenbreite a) dem 0,5- bis 1-fachen der Breite einer Stator nutöffnung (s) entspricht.

5. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (30) unmittelbar neben den Nocken (3) maximal groß ist und zu den Statorpolenden hin auf den Wert über dem Nocken (3) abnimmt.

6. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Höhe (h) der Nocken (3) 0,1 bis 0,3 mm bei einer effektiven Luftspaltweite von 0,3 bis 0,6 mm beträgt.

7. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpolenden radial zum Luftspalt (30) hin spitzenartig auslaufen und die Erstreckung der Nocken (3) in Umfangsrichtung (Nockenbreite a) dem 0,3- bis 0,8-fachen der Breite einer Statornutöffnung (s) ent spricht.

8. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die Höhe (h) der Nocken (3) 0,05 bis ca. 0,15 mm bei einer effektiven Luftspaltweite von 0,3 bis 0,6 mm beträgt.

9. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Abnahme des Luftspaltes (30) allmählich (stetig) er folgt.

10. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Abnahme des Luftspaltes (30) stufenartig erfolgt.

11. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung mehrphasig und insbesondere überlappungsfrei gewickelt ausgeführt ist.

12. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung des Rotors (20) in Umfangs richtung trapezförmig verteilt ist, wobei der Rotormagnet vorzugsweise ein Seltene- Erde-Magnet ist.

13. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß die Stator-Wicklung dreiphasig ausgeführt ist und 6 Statorpole und 4 Ro torpole vorgesehen sind.

14. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach Anspruch 5 und Anspruch 9 oder nach Anspruch 5 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (30) neben den Nocken (3) bald stark abnimmt, sodann nochmals zunimmt und schließ lich zu den Statorpolenden hin wieder abnimmt.

15. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach Anspruch 6 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, daß sein Außendurchmesser etwa 40 mm beträgt.

16. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach Anspruch 6 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, daß sein Außendurchmesser etwa 25 mm beträgt.

17. Dauermagneterregte Dynamomaschine nach einem der Ansprüche 1-6, da durch gekennzeichnet, daß der Rotor (20) um den Stator (10) herum angeordnet ist und in eine Speicherplatte eingesetzt ist.