DE4213373A1 - Bürstenloser Motor mit Stromspitzenabbau in Wickl. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem Wicklungen aufweisenden Stator und einem mit wenigstens zwei Magnetpolen versehenen inneren Rotor.

Kollektorlose Gleichstrommotore sind dem Prinzip nach bekannt. Sie besitzen einen Stator mit mehreren Wicklungen sowie einen Rotor, der entweder Permanentmagnete aufweist oder dementsprechend magnetisiert ist. Weil die Spulen des Stators feststehen, müssen sie mittels elektronischer Schalter umgeschaltet werden. Hierzu werden vom sich drehenden Rotor Signale abgeleitet, mittels der die Schalter für die Spulen angesteuert werden. Als Drehmelder für die jeweilige Drehlage der Magnete des Rotors kommen bspw. Hallsonden o. dgl. bekannte Elemente in Frage.

Damit solche Motoren mit herkömmlichen Gleichstrommotoren konkurrieren können, sind eine optimale Auslegung hinsichtlich ihrer Leistung, eine kleine Bauform und eine wirtschaftliche Herstellung notwendig. Hierin wird auch die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gesehen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der kollektorlose elektronisch kommutierte Gleichstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet ist, daß der Stator mit mindestens drei, jeweils eine Wicklung aufweisenden Zähnen ausgestattet ist und sich die Zahl der Zähne zur Zahl der Magnetpole wie 3:2 verhält, wobei drei Wicklungen dreier gleichmäßig in Umfangsrichtung gegeneinander versetzter Zähne jeweils zu einem Stern zusammengeschaltet sind, während bei mehreren Polpaaren deren Wicklungen zu einem Stern oder parallel zu einem Strang zusammengeschaltet sind. Es ist leicht einzusehen, daß mit zunehmender Polpaarzahl die elektronische Kommutierung immer kritischer wird. Insofern ist also der Motor mit drei Wicklungen und zwei Magnetpolen sehr vorteilhaft. Er kann auch vergleichsweise kompakt gebaut werden und erfordert großen Herstellungsaufwand, weswegen er in finanzieller Hinsicht mit herkömmlichen Gleichstrommotoren konkurrieren kann.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß bei drei, um jeweils 120° gegeneinander versetzten Zähnen der Magnetwinkel jeweils ungefähr 90° und der Nutwinkel zwischen benachbarten Zähnen jeweils etwa 30° betragen, und daß die Ansteuerung bipolar erfolgt. Zweckmäßigerweise sollte man die Polbreite etwa gleich dem Magnetwinkel wählen. Für die Zahnbreite kann man einen Winkel von etwa 90° vorsehen und die Pollücke ist bei einem Magnetwinkel von 90° automatisch auch jeweils 90°.

Bei diesem wirtschaftlich optimal zu fertigenden Motor werden die durch die Kommutierung entstehenden Stromspitzen in der Wicklung abgebaut, so daß der Netzstrom auch ohne elektronische Strombegrenzung weitgehend stromspitzenfrei ist. Im Gegensatz zu einem Drehstrommotor wird bei diesem kollektorlosen Gleichstrommotor, wie gesagt, keine Dreieckschaltung vorgesehen, vielmehr sind die drei Spulen bzw. Stränge des Stators in einer Sternschaltung zusammengeschaltet.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß in Reihe mit wenigstens zwei Wicklungen des Stators bzw. zwischen zumindest zwei Stränge jeweils ein kleiner Widerstand geschaltet ist. Addiert man bei einem zweipoligen dreisträngigen Motor die drei, jeweils um 120° versetzten Spannungen, so ist die Summe stets ungleich Null. Dies ist der Grund, weswegen die drei Stränge nicht zu einem Dreieck zusammengeschaltet werden dürfen. Bei der Sternschaltung liegen die einzelnen Spannungen parallel. Durch das Parallelschalten werden die bei der Kommutierung entstehenden hohen Stromspitzen abgebaut und sie gehen im Motor als Stromwärme verloren. Das Netz bleibt dadurch weitgehend von den Stromspitzen verschont. Betrachtet man gemäß der nachstehenden Zeichnungsbeschreibung die Funktion der Umschaltung in einem Ersatzschaltbild, so erkennt man, daß jeder Strang seine induzierte EMK, seinen Widerstand R und seine Induktivität L hat. Wegen der hohen Stromänderung und der hieraus resultierenden hohen Spannung ist es zweckmäßig, zwei oder drei kleinere Widerstände zwischen den Strängen vorzusehen, welche die hohe Spannung leicht abbauen können, so daß sie nicht schädlich wirken. Im übrigen ergibt sich aus den diesbzgl. theoretischen Überlegungen, daß diese Motorausführung nur bipolar zu realisieren ist.

Deshalb sieht auch eine weitere Variante der Erfindung vor, daß der Rotor durch einen bipolaren Alnico-Magneten gebildet ist. Es handelt sich also um einen Magneten in Zweikantform.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor auf einem Tragkörper zwei um 180° versetzte kreisringschalenförmige Permanentmagnete trägt, deren Außenmantel sich über etwa 90° erstreckt.

Denkbar ist auch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die sich aus Anspruch 6 ergibt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung, teilweise stark schematisiert und in ihrer Darstellung verkürzt, und zwar

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines kollektorlosen Gleichstrommotors;

Fig. 2 bis 4 schematisiert drei verschiedene Querschnittsformen des Rotors mit unterschiedlicher Magnetausbildung;

Fig. 5 in vergrößertem Maßstab, bei abgebrochener Darstellung, eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 bis 8 verschiedene Ersatzschaltbilder mit zugehörigen Angaben.

Die Motoren der Fig. 1 und 4 haben einen Stator 1 und einen Rotor 2. Es handelt sich jeweils um zweipolige dreisträngige Ausführungen, wobei in Fig. 1 lediglich eine der drei Wicklungen 3 gezeichnet ist. Der Stator ist bei beiden Motoren außen kreiszylinderförmig. Jeder besitzt drei Zähne 4, 5 und 6, deren Innenflächen 7 auf einem gemeinsamen gedachten Kreiszylinder liegen. Der Rotor 2 hat in Fig. 1 die Gestalt eines Zweikants, während in Fig. 5 eine insgesamt kreiszylindrische Außenkontur 8 vorgesehen ist. Der Rotor 2 trägt dort zwei um 180° gegeneinander versetzte Permanentmagnete 9, die sich beim Ausführungsbeispiel über einen Winkel 10 von vorzugsweise etwa 90° erstrecken, wobei im Falle der besonderen Querschnittsform dieser Magnete deren Außenkontur maßgeblich ist. Im übrigen stimmt bei dieser Variante der Umfangswinkel jedes Zahns mit dem Magnetwinkel überein, d. h. er beträgt auch etwa 90°.

Auch in Fig. 1 sind diese 90°-Winkel vorhanden. Gemäß Fig. 1 ist ein Alnico-Magnet vorgesehen. Die Fig. 2 bis 4 zeigen verschiedene Varianten, bei welchen an einem Träger 11 jeweils zwei Permanentmagnete 12 bzw. 13 bzw. 14 angebracht sind. Die Permanentmagnete 12 und 13 sitzen außen auf dem kreiszylindrischen Träger 11, während die Permanentmagnete 14 aufgrund ihrer ebenen Gestalt auf einen im Querschnitt rechteckigen Träger 11 aufgebracht sind. Darüber tragen diese Magnete 14 noch ein Rotorstück 15, damit auch bei dieser Variante außen eine durch zwei Kreiszylinderteilflächen begrenzte Form entsteht. Die Kanten der Magnete 13 der Fig. 3 verlaufen gemäß der Zeichnung radial, während sie sich in Fig. 2 hinsichtlich ihres äußeren Teils parallel zueinander erstrecken. In allen Fällen ist aber der Magnetwinkel jeweils etwa 90°, wie die eingezeichneten Magnetwinkel 10 dieser drei Figuren ausweisen. Der Zahnlückenwinkel 16 zwischen benachbarten Zähnen ist bei allen Ausführungsbeispielen bevorzugterweise etwa 30°. Der Rotor 2 besitzt somit außen einen Nordpol und um 180° versetzt dazu einen Südpol. Die Magnetisierung der Permanentmagnete 12 bis 14 erfolgt demzufolge in radialer Richtung. Die Motor-Antriebswelle 17 ist in allen Figuren nur schematisch eingezeichnet. Die Lagerung erfolgt in bekannter Weise im Stator 1.

Gemäß Fig. 6 sind die drei Stränge A, B, C der Wicklungen dieses Motors zu einem Stern zusammengeschaltet. Die zugehörigen drei Klemmen sind mit I, II und III bezeichnet. In Abhängigkeit von den verschiedenen Rotorstellungen a bis f der Fig. 6 ergeben sich die dort angegebenen Polaritäten. In Rotorstellung a ist der Strang A in Reihe mit den zueinander parallelen Strängen B und C geschaltet. Nach Wechsel der Polarität von Strang C gemäß Rotorstellung b liegen jetzt die Stränge A und C parallel und sie sind mit dem Strang B in Reihe. Alles Weitere ergibt sich ohne weiteres aus den Fig. 6 und 7.

Diese Funktion der Umschaltung ist in Fig. 8 als Ersatzschaltbild dargestellt. Jeder Strang hat seine induzierte EMK, seinen Widerstand R (Innenwiderstand der Spule) und seine Induktivität L. Strang C und Strang B haben im Schaltzustand A die gleiche Stromrichtung. Im Schaltzustand B ist noch eine Reihenschaltung der Stränge A und B vorhanden. Strang C hängt frei und kann wegen der hohen Stromänderung eine sehr hohe Spannung aufbauen. Mit zwei oder drei kleineren Widerständen zwischen den Strängen kann diese aber leicht abgebaut werden, so daß sie nicht schädlich wirkt.

Beim Umschalten in die Schaltstellung C ändert die EMK E des Stranges C entsprechend Strang A die Richtung. Die Spannung an der Induktivität L des Stranges C ist aber momentan entgegengerichtet zu der von Strang A und kann erst durch einen Stromfluß abgebaut werden. Es ergibt sich zwischen den Strängen A und C ein Ausgleichsstrom, der hohe Werte annehmen kann, aber keinen oder nur einen sehr geringen Einfluß auf den Netzstrom hat. Diese Motorausführung ist nur bipolar zu realisieren.

Claims (6)

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem Wicklungen (3) aufweisenden Stator (1) und einem mit wenigstens zwei Magnetpolen versehenen inneren Rotor (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) mit mindestens drei jeweils eine Wicklung (3) aufweisenden Zähnen (4 bis 6) ausgestattet ist und sich die Zahl der Zähne zur Zahl der Magnetpole wie 3:2 verhält, wobei drei Wicklungen (3) dreier gleichmäßig in Umfangsrichtung gegeneinander versetzter Zähne (4 bis 6) jeweils zu einem Stern zusammengeschaltet sind, während bei mehreren Polpaaren deren Wicklungen (3) zu einem Stern oder parallel zu einem Strang zusammengeschaltet sind.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei drei um jeweils 120° gegeneinander versetzten Zähnen (4 bis 6) der Magnetwinkel (10) jeweils ungefähr 90° und der Nutwinkel (16) zwischen benachbarten Zähnen (4 bis 6) jeweils etwa 30° betragen, und daß die Ansteuerung bipolar erfolgt.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit wenigstens zwei Wicklungen (3) des Stators (1) bzw. zwischen zumindest zwei Stränge (A, B, C) jeweils ein kleiner Widerstand geschaltet ist.

4. Motor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) durch einen bipolaren Alnico-Magneten gebildet ist.

5. Motor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) auf einem Tragkörper (11) zwei um 180° versetzte kreisringschalenförmige Permanentmagnete (12, 13) trägt, deren Außenmantel sich über etwa 90° erstreckt.

6. Motor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) einen durch zwei sich über etwa 90° erstreckende Kreisbogen und zwei parallele Flächen gebildeten Mantel aufweist und sich in dessen Innerem zwei plattenartige, symmetrisch zur geometrischen Achse angeordnete Permanentmagnete (14) befinden, deren Ebenen senkrecht zu den parallelen Flächen verlaufen.