DE4218888A1 - Commutator machine with stator poles facing magnetised rotor segments - has oppositely wound pairs of pole pieces broadened into faces aligned with radially magnetised segments of external rotor - Google Patents
Commutator machine with stator poles facing magnetised rotor segments - has oppositely wound pairs of pole pieces broadened into faces aligned with radially magnetised segments of external rotorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.The invention relates to an electrical machine as it is specified in the preamble of claim 1.
Derartige elektrische Maschinen sind hinlänglich insbeson dere als Elektromotoren bekannt und arbeiten nach dem be kannten Prinzip, wobei ein mittels der Wicklungsanordnun gen im Stator erzeugtes magnetisches Drehfeld einen mit Permanentmagneten versehenen Rotor oder Läufer synchron folgen läßt. Werden derartige Motoren mit einer Gleich spannung betrieben, so ist es erforderlich, die Gleich spannung mittels einer elektronischen Schaltung in einen zweiphasigen Drehstrom umzuwandeln. Dabei müssen der Elek tronik zur Erzeugung des Drehstroms Impulse zugeführt wer den, die die zur Spannung proportionale Drehzahl des Motors anzeigen. Such electrical machines are particularly adequate known as electric motors and work according to the be known principle, one using the winding arrangement magnetic rotating field generated in the stator Permanent magnet provided rotor or rotor synchronously follows. Are such engines with a match voltage operated, it is necessary the same voltage into an electronic circuit convert two-phase three-phase current. The elec tronics for generating the three-phase pulses supplied which is the speed of the motor proportional to the voltage Show.
Da bekannte Elektromotoren auf sinusförmige Drehströme abgestimmt sind, muß die Elektronik zur Erzeugung des Drehstroms mit sehr großem schaltungstechnischem Aufwand so abgestimmt werden, daß sie einen annähernd sinusförmi gen Drehstrom erzeugt. Hierfür ist eine aufwendige elek tronische Schaltung erforderlich, die mit hoher Frequenz arbeitet und durch eine Pulsbreitensteuerung den Sinus ermöglicht.Known electric motors based on sinusoidal three-phase currents are coordinated, the electronics for generating the Three-phase current with a very large amount of circuitry so that they are approximately sinusoidal generated against three-phase current. This is a complex elek tronic circuit required, the high frequency works and enables the sine with a pulse width control.
Ausgehend von diesem Stand der Technik, liegt der Erfin dung die Aufgabe zugrunde, eine weitere elektrische Ma schine der eingangs genannten Art bereitzustellen, die insbesondere mit einem mit geringem Aufwand aus einer Gleichspannung erzeugten Drehstrom betreibbar ist.Based on this state of the art, the inventor the task based on another electrical measure Provide machines of the type mentioned, the especially with one with little effort DC voltage generated three-phase is operable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art durch die kennzeich nenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved with an electrical Machine of the type mentioned by the character nenden features of claim 1 solved.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Polflächen des Stators und des Reaktionsteils, die so gewählt ist, daß die Polflächen am Stator exakt flächendeckend über den Polflächen am Reaktionsteil angeordnet werden können, wird erreicht, daß eine scharfe magnetische Kante am Reaktions teil sich mit einer scharfen Polflächenkante am Stator überschneidet, wodurch ein sehr starker Anstieg bzw. Abfall der Spannung in den Wicklungen bewirkt wird, wenn die elek trische Maschine als Generator betrieben wird. Dabei wer den durch die sehr steilen Anstiege bzw. Abfälle der Span nung deren Rechteckpulse erzeugt, wie dies in Versuchen mit einer als Generator betriebenen elektrischen Maschine nach der Erfindung nachgewiesen werden konnte.The inventive design of the pole faces Stator and the reaction part, which is chosen so that the pole faces on the stator cover the entire surface Pole surfaces can be arranged on the reaction part achieved a sharp magnetic edge on the reaction part with a sharp pole face edge on the stator overlaps, causing a very sharp increase or decrease the voltage in the windings is caused when the elec trical machine is operated as a generator. Here who due to the very steep increases or decreases in the span generated their rectangular pulses, as in experiments with an electrical machine operated as a generator could be demonstrated according to the invention.
Da die erfindungsgemäße elektrische Maschine beim Genera torbetrieb eine Rechteckspannung liefert, kann sie umge kehrt auch mit einer den erforderlichen Drehstrom liefern den Rechteckspannung betrieben werden, ohne daß der Rund lauf des Motors oder sein Wirkungsgrad verringert wird, da die Spannungsdifferenzen zwischen der angelegten und der generierten Rechteckspannung des Motors weitgehend ausge glichen werden.Since the electrical machine according to the invention in the Genera door operation supplies a square wave voltage, it can vice versa returns with a three-phase supply the square-wave voltage can be operated without the round engine running or its efficiency is reduced because the voltage differences between the applied and the generated square-wave voltage of the motor largely be compared.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht also darin, daß anstelle der bisher üblichen Anpassung des Dreh stroms bzw. der an die als Motor arbeitende elektrische Maschine angelegten Spannung an eine Sinusschwingung die elektrische Maschine selbst derart ausgelegt wird, daß sie mit einem Rechteck-Drehstrom bzw. mit einer Rechteckspan nung als Motor betrieben werden kann. Diese Anpassung wird durch die einander zugeordneten Polflächen am Stator und am Reaktionsteil erreicht, wodurch sich scharfe magnetische Kanten bilden, die einen sehr steilen Anstieg bzw. Abfall der erzeugten Spannung und damit entsprechende Rechteck pulse bewirken.The basic idea of the present invention is therefore in that instead of the usual adjustment of the rotation current or the electrical working as a motor Machine applied voltage to a sine wave electrical machine itself is designed so that it with a rectangular three-phase current or with a rectangular chip can be operated as a motor. This adjustment will through the mutually assigned pole faces on the stator and reached at the reaction part, whereby sharp magnetic Form edges that have a very steep rise or fall the generated voltage and thus the corresponding rectangle cause pulse.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine läßt sich also als rotierender Motor, als Generator und auch als Linear motor einsetzen.The electrical machine according to the invention can therefore be as a rotating motor, as a generator and also as a linear insert motor.
Die Ausgestaltungen der Erfindung nach den Ansprüchen 2 bis 4 eignen sich in besonders vorteilhafter Weise für einen Motor, der mit einem zweiphasigen, 90° phasenver schobenen Rechteck-Drehstrom betrieben werden kann.The embodiments of the invention according to claims 2 up to 4 are particularly advantageous for a motor with a two-phase, 90 ° phase ver pushed rectangular three-phase current can be operated.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 5 bis 7 beschrieben.Appropriate developments of the invention are in the Claims 5 to 7 described.
Die zur Erzeugung des Drehstroms mittels des Versorgungs schaltkreises erforderlichen Impulse werden also von Im pulsgebern geliefert, die die Relativbewegung zwischen Stator und Reaktionsteil erfassen. Diese Impulse können neben der Steuerung des Versorgungsschaltkreises zur Dreh stromerzeugung gleichzeitig für die Positionierung der Lage zwischen Stator und Reaktionsteil und zur Bewegungsrich tungserkennung, also bei drehenden Rotoren und Generatoren zur Drehrichtungserkennung verwendet werden.To generate the three-phase current by means of the supply Circuit necessary impulses are therefore from Im pulse generators supplied, the relative movement between Detect stator and reaction part. These impulses can in addition to controlling the supply circuit for rotation power generation at the same time for positioning the location between stator and reaction part and to the direction of motion detection, i.e. with rotating rotors and generators can be used to detect the direction of rotation.
Durch die entsprechend der Polzahl angeordneten Impulsgeber lassen sich 90°-phasenversetzte Impulse auf besonders ein fache Weise erzeugen.Due to the pulse generator arranged according to the number of poles 90 ° phase-shifted impulses simple way.
Um eine Optimierung der elektrischen Maschine entsprechend den erforderlichen Einsatzbedingungen zu ermöglichen, sind die Ausgestaltungen der Erfindung nach den Ansprüchen 8 und 9 vorgesehen.To optimize the electrical machine accordingly the necessary operating conditions are to be made possible the embodiments of the invention according to claims 8 and 9 are provided.
In einer neutralen Position sind die Impulsgeber zu den Wicklungen unter einem Winkel angeordnet, der einem Phasen winkel von 90° entspricht. Bei dieser Anordnung weist der Motor bei Rechts- und Linkslauf, was durch Umpolen der Phasen erreicht wird, die gleiche Drehzahl auf. Diese Ein stellung ist jedoch nicht ideal. Vielmehr führt eine Vor einstellung, die durch die Verstellbarkeit der Impulsgeber ermöglicht wird, zu besseren Resultaten. Außerdem läßt sich der Motor auch bei unterschiedlicher Belastung hier durch optimieren.The pulse generators are in a neutral position Windings arranged at an angle that is a phase corresponds to an angle of 90 °. In this arrangement, the Motor in clockwise and counterclockwise rotation, which is caused by reversing the Phases is reached, the same speed. This one however, position is not ideal. Rather, a demonstration setting by the adjustability of the pulse generator enables better results. Also lets the engine here even with different loads by optimizing.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Ansprüchen 10 und 11 beschrieben. Neben der bevor zugten Verwendung von Hallsensoren für die Impulsgeber ist es jedoch möglich, auch andere Impulsgeber, wie z. B. Licht schranken oder Induktionsfühler zu verwenden. Another advantageous embodiment of the invention is described in claims 10 and 11. Besides the before preferred use of Hall sensors for the pulse generator however, it is also possible to use other pulse generators, such as, for. B. light barriers or induction sensors.
Die Verwendung getrennter Steuermagnete, die mit den Hall sensoren zusammenarbeiten, hat den Vorteil, daß die Impuls geberanordnung unabhängig von den Arbeitsmagneten am Reak tionsteil angeordnet werden kann.The use of separate control magnets that match the Hall sensors work together has the advantage that the pulse encoder arrangement independent of the working magnets on the reac tion part can be arranged.
Um eine gute Bremswirkung auch bei niedrigen Drehzahlen zu erreichen, ist die Ausführungsform nach Anspruch 12 vor gesehen.To ensure a good braking effect even at low speeds achieve, the embodiment according to claim 12 is before seen.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine läßt sich in einer Vielzahl von Ausführungsvarianten insbesondere als Elektromotor einsetzen. Wenn dabei darauf geachtet wird, daß hohe Polzahlen erreicht werden, z. B. 6, 18 oder 24 Pole, können kurze magnetische Rückflüsse und eine daraus resul tierende hohe magnetische Flußdichte erzielt werden. Hier durch kann auf große Eisenquerschnitte im Rücken des Sta tors und des Reaktionsteils verzichtet werden, wodurch eine deutliche Gewichtseinsparung erzielt wird.The electrical machine according to the invention can be in a variety of versions, especially as Insert electric motor. If care is taken that high numbers of poles are reached, e.g. B. 6, 18 or 24 poles, can have short magnetic refluxes and a result Turing high magnetic flux density can be achieved. Here due to large iron cross sections in the back of the Sta tors and the reaction part are omitted, whereby a significant weight saving is achieved.
Besonders bevorzugte Motorvarianten, die alle nach dem gleichen erfinderischen Prinzip arbeiten, weisen als Reak tionsteil entweder einen 6-poligen konventionellen Innen läufer, einen 8-poligen Scheibenläufer, einen 18-poligen groß dimensionierten Innenläufer mit kurzer axialer Bau länge, einen 24-poligen Außenläufer oder einen 4-poligen langgezogenen Außenläufer auf. Motoren mit vielpoligen, groß dimensionierten Läufern zeichnen sich dabei durch langsame Drehzahl und hohe Drehmomente aus, so daß im Ein satz auf sonst erforderliche Untersetzungsgetriebe ver zichtet werden kann. Hierdurch werden auch die sonst durch Getriebe bewirkten Verluste und Geräusche vermieden.Particularly preferred engine variants, all according to the work according to the same inventive principle, point as a reak tion part either a 6-pin conventional interior rotor, an 8-pole disc rotor, an 18-pole large internal rotor with short axial construction length, a 24-pin external rotor or a 4-pin elongated external rotor. Motors with multi-pole, Large runners are characterized by slow speed and high torques, so that in the set to otherwise required reduction gears can be waived. This will also cause the otherwise Gearboxes avoided losses and noise.
Eine weitere überraschende Eigenschaft einer als Motor betriebenen erfindungsgemäßen elektrischen Maschine be steht darin, daß sie in unbeaufschlagtem Zustand ein star kes Haltemoment aufweist, was für viele Anwendungszwecke vorteilhaft ist.Another surprising feature of one as an engine operated electrical machine according to the invention be is that she is a star when unstressed kes holding torque, which for many applications is advantageous.
Außerdem lassen sich elektrische Maschinen, die infolge ihrer Bauform eine niedrige Drehzahl und ein hohes Dreh moment aufweisen, in vorteilhafter Weise als Windgenera toren einsetzen.In addition, electrical machines that are the result of their design a low speed and a high speed Have moment, advantageously as a wind genera insert gates.
Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist in den Ansprüchen 13 und 14 be schrieben.A particularly preferred use of the invention electrical machine is in claims 13 and 14 be wrote.
Die integrierte Anordnung der elektrischen Maschine als Antriebsmotor in einem Fahrzeugrad ermöglicht es, einen derartigen Antriebsmotor sowohl in zweirädrigen als auch in vierrädrigen Fahrzeugen zu verwenden. Besonders zweck mäßig ist es dabei, wenn derartige Fahrzeuge als allrad getriebene Fahrzeuge ausgelegt werden, da dadurch auf Ge triebe und bei vierrädrigen Fahrzeugen auch auf sonst er forderliche Differentiale verzichtet werden kann.The integrated arrangement of the electrical machine as Drive motor in a vehicle wheel enables one such drive motor in both two-wheeled as well to be used in four-wheel vehicles. Special purpose It is moderate if such vehicles as four-wheel drive driven vehicles are designed, as this means Ge drives and with four-wheel vehicles also on otherwise required differentials can be dispensed with.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigtThe invention is described below, for example, with reference to Drawing explained in more detail; shows in the drawing
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil einer elektrischen Maschine, die als Motor mit 24-poligem Außen läufer ausgebildet ist, Fig. 1 is a plan view of a portion of an electrical machine, the rotor is formed as a motor with a 24-pole outside,
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1, Fig. 2 shows an enlarged detail from FIG. 1,
Fig. 3 eine vereinfachte, schematische Darstellung einer als Motor aus gebildeten elektrischen Maschine mit einem Versorgungsschaltkreis, Fig. 3 is a simplified, schematic illustration of a motor made as electrical machine formed with a supply circuit,
Fig. 4 ein Impuls-Diagramm des Motors nach Fig. 3, Fig. 4 is a timing diagram of the motor of Fig. 3,
Fig. 5 einen Schnitt durch einen erfin dungsgemäßen Außenläufermotor, der in ein Rad eines Kraftfahrzeugs integriert ist, und Fig. 5 shows a section through an inventive external rotor motor, which is integrated in a wheel of a motor vehicle, and
Fig. 6 einen Schnitt durch einen erfin dungsgemäßen Innenläufermotor. Fig. 6 shows a section through an inventive internal rotor motor.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeich net.In the different figures of the drawing are each other corresponding components with the same reference numerals net.
Die in Fig. 1 teilweise dargestellte elektrische Maschine ist als Außenläufermotor mit einem Stator 10 ausgebildet, der einen Statorkern 11 mit insgesamt 48 Nuten 12 zur Aufnahme von zwei Wicklungsanordnungen 13, 14 aufweist. Zwischen den Nuten 12 sind Polschuhe 15 ausgebildet, deren umfangsmäßig angeordneten Polflächen 16 entsprechenden Polflächen 17 an als Arbeitsmagneten 18 dienenden Perma nentmagneten gegenüber liegen. Die Arbeitsmagneten sind dabei an einem Träger 19 eines als Reaktionsteil dienenden Außenläufers 20 angeordnet. The electrical machine partially shown in FIG. 1 is designed as an external rotor motor with a stator 10 , which has a stator core 11 with a total of 48 slots 12 for receiving two winding arrangements 13 , 14 . Pole shoes 15 are formed between the grooves 12 , the circumferentially arranged pole faces 16 corresponding pole faces 17 of which serve as working magnets 18 permanent magnets. The working magnets are arranged on a carrier 19 of an external rotor 20 serving as a reaction part.
Die Polflächen der Arbeitsmagneten 18, von denen 24 am Außenläufer 20 abwechselnd mit entgegengesetzter Polarität angeordnet sind, liegen dabei den Polflächen 17 der Pol schuhe 16 durch einen Luftspalt 21 getrennt gegenüber. Die Anordnung der Arbeitsmagneten 18 mit abwechselnd entgegen gesetzter Polarität wird durch die Angabe der Nordpole N und der Südpole S der Arbeitsmagneten 18 dargestellt.The pole faces of the working magnets 18 , of which 24 are arranged on the outer rotor 20 alternately with opposite polarity, are the pole faces 17 of the pole shoes 16 separated by an air gap 21 . The arrangement of the working magnets 18 with alternating opposite polarity is represented by the north poles N and the south poles S of the working magnets 18 .
Die Arbeitsmagneten 18 sind von ihren benachbarten Arbeits magneten 18 jeweils durch einen Spalt 21 getrennt, dessen Breite so gewählt ist, daß jeweils zwei benachbarte Arbeits magneten 18 einen Abstand d zueinander aufweisen, der der Breite b der Nuten 12 im Bereich der Polflächen 16 der Pol schuhe 15 entspricht.The working magnets 18 are separated from their adjacent working magnets 18 by a gap 21 , the width of which is selected so that two adjacent working magnets 18 are at a distance d from one another, the width b of the grooves 12 in the region of the pole faces 16 of the pole shoes 15 corresponds.
Die Wicklungsanordnung 13 weist einzelne Wicklungen 22, 23 auf, die jeweils gegensinnig um zwei benachbarte Polschuhe 15 gewickelt sind. Auf diese Weise bilden jeweils zwei benachbarte Polschuhe 15, die von einer Wicklung 22 oder 23 umschlossen sind, mit ihren Polflächen 16 eine gemein same Polfläche, die, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, mit den Polflächen 17 der Arbeitsmagneten 18 exakt flächen deckend ausgerichtet werden kann.The winding arrangement 13 has individual windings 22 , 23 , which are each wound in opposite directions around two adjacent pole shoes 15 . In this way, two adjacent pole shoes 15 , which are surrounded by a winding 22 or 23 , with their pole faces 16 form a common pole face, which, as shown in FIGS . 1 and 2, with the pole faces 17 of the working magnets 18 cover exactly can be aligned.
Die zweite Wicklungsanordnung 14 weist entsprechende Wicklungen 24, 25 auf, die jeweils so angeordnet sind, daß sie zwei benachbarte Wicklungen 22, 23 der ersten Wicklungs anordnung 13 zur Hälfte übergreifen. Wie in Fig. 2 darge stellt, umgreift also die Wicklung 22 der ersten Wicklungs anordnung 13, die in durchgezogenen Linien dargestellt ist, die Polschuhe 15′ und 15′′, während die gegensinnig gewik kelte Wicklung 23 die Polschuhe 15′′′ und 15′′′′ umgreift. Die zweite Wicklungsanordnung 14, die gestrichelt darge stellt ist, umgreift mit ihrer Wicklung 24 die Polschuhe 15′′ und 16′′′. The second winding arrangement 14 has corresponding windings 24 , 25 , which are each arranged so that they overlap two adjacent windings 22 , 23 of the first winding arrangement 13 in half. As shown in Fig. 2 Darge, so engages the winding 22 of the first winding arrangement 13 , which is shown in solid lines, the pole pieces 15 'and 15 '', while the opposite winding coil 23 the pole pieces 15 ''' and 15th '''' Encompasses. The second winding arrangement 14 , which is shown in dashed lines, engages with its winding 24, the pole pieces 15 '' and 16 '''.
Durch Beaufschlagung der Wicklung 13 bildet sich auf den gleichbenannten Polschuhen 15′, 15′′ der Nordpol aus und auf den gleichbenannten Polschuhen 16′, 16′′ der Südpol.By loading the winding 13 forms on the pole shoes 15 ', 15 ''of the same name from the north pole and on the pole shoes 16 ', 16 '' of the same name, the south pole.
Durch Beaufschlagung der Wicklung 14 bildet sich der magnetische Pol zwischen den gleichbenannten Polen aus, d. h. auf den Polschuhen 15′, 16′′ der Südpol und auf den Polschuhen 16′, 15′′ der Nordpol, und somit findet eine Wanderung des magnetischen Pols um einen Polschuh oder um einen halben Pol statt.By applying the winding 14 , the magnetic pole forms between the poles of the same name, ie on the pole pieces 15 ', 16 ''the south pole and on the pole pieces 16 ', 15 '' the north pole, and thus a migration of the magnetic pole takes place a pole piece or half a pole instead.
Durch Umpolen der Polarität an der Wicklung 13 (wie auch später an der Wicklung 14) kehrt sich die magnetische Polbildung um, und somit bildet sich auch das wandernde magnetische Feld zu einem wandernden Drehfeld aus, dem der Rotor dann folgt.By reversing the polarity on the winding 13 (as later on the winding 14 ), the magnetic pole formation is reversed, and thus the traveling magnetic field also forms a traveling rotating field, which the rotor then follows.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, betragt der Abstand zwi schen den radialen Mittelachsen zweier benachbarter Nuten 15 im Kreiswinkel 7,5°, während der Abstand der radialen Wickelachsen der Arbeitsmagneten 18 am Außenläufer 20 15° im Kreiswinkel beträgt. Damit beträgt also der Abstand im Kreiswinkel zwischen den radialen Mittelachsen zweier gleichpolig angeordneter Arbeitsmagnete 30°, was somit einem Phasenwinkel von 360° entspricht.As shown in Fig. 1, the distance between the radial central axes of two adjacent grooves 15 in the circular angle 7.5 °, while the distance between the radial winding axes of the working magnets 18 on the outer rotor 20 is 15 ° in a circular angle. The distance in the circular angle between the radial central axes of two working magnets arranged with the same polarity is thus 30 °, which corresponds to a phase angle of 360 °.
Die einander zugeordneten Wicklungen 22, 24 und 23, 25 der ersten bzw. der zweiten Wicklungsanordnung 13 bzw. 14 weisen also einen Abstand auf, der einem Phasenwinkel von 90° entspricht.The mutually associated windings 22 , 24 and 23 , 25 of the first and the second winding arrangement 13 and 14 are therefore at a distance which corresponds to a phase angle of 90 °.
Dem Außenläufer 20 ist ein Steuermagnetring 26 zugeordnet, der gemeinsam mit dem Außenläufer 20 dreht. Der Steuer magnetring 26 weist die gleiche Anzahl von Permanentmag neten auf, die als Steuermagneten 27 dienen und poliden tisch zu den Arbeitsmagneten 18 am Außenläufer angeordnet sind. Mit den Steuermagneten wirken Impulsgeber 28, 29 zusammen, die zweckmäßigerweise als Hallsensoren ausgebil det sind und einen Kreiswinkelabstand von 7,5° zueinander aufweisen, was einem Phasenwinkel von 90° entspricht. Von den Impulsgebern 28, 29, ist der erste 28 der ersten Wick lungsanordnung 13 und der zweite 29 der zweiten Wicklungs anordnung 14 zugeordnet.The external rotor 20 is associated with a control solenoid 26 ring which rotates together with the outer rotor 20th The control magnetic ring 26 has the same number of permanent magnets, which serve as control magnets 27 and are arranged poliden table to the working magnet 18 on the outer rotor. Pulse generators 28 , 29 interact with the control magnets, which are expediently designed as Hall sensors and have a circular angular distance of 7.5 ° from one another, which corresponds to a phase angle of 90 °. Of the pulse generators 28 , 29 , the first 28 of the first winding arrangement 13 and the second 29 of the second winding arrangement 14 is assigned.
Über Anschlußklemmen 13′, 13′′ bzw. 14′, 14′′ sind die Wicklungsanordnungen an einen Versorgungsschaltkreis 30 angeschlossen, der anhand der Fig. 3 näher erläutert wird. About terminals 13 ', 13 ''and 14 ', 14 '', the winding arrangements are connected to a supply circuit 30 , which is explained in more detail with reference to FIG. 3.
Als elektrische Maschine ist in Fig. 3 ein Innenläufermotor stark vereinfacht dargestellt, der einen zweipoligen Rotor aufweist. Die Wicklungsanordnungen 13, 14, die ebenfalls stark vereinfacht dargestellt sind, sind dabei feststehend an einem Stator angeordnet zu denken. Die Impulsgeber 28, 29 sind entsprechend der erforderlichen Phasenverschiebung von 90° im rechten Winkel zu den Wicklungsanordnungen 13, 14 angeordnet dargestellt.An internal rotor motor having a two-pole rotor is shown in a highly simplified manner as an electrical machine in FIG. 3. The winding arrangements 13 , 14 , which are also shown in a highly simplified manner, are to be thought of as being arranged fixed on a stator. The pulse generators 28 , 29 are shown arranged at a right angle to the winding arrangements 13 , 14 in accordance with the required phase shift of 90 °.
Der Versorgungsschaltkreis 30 weist eine erste und eine zweite Wechselrichterschaltung 33 bzw. 34 auf, die iden tisch aufgebaut sind. Jede Wechselrichterschaltung besitzt vier steuerbare Schaltelemente 35, 36, 37, 38, von denen jeweils zwei 35, 37 bzw. 36, 38 miteinander in Reihe zwi schen den positiven Pol 39 einer Gleichspannungsquelle und Masse geschaltet sind. Als Schaltelemente 35, 36, 37, 38 können dabei z. B. Leistungstransistoren oder andere geeig nete als steuerbare Schalter dienende elektronische Bau elemente verwendet werden. Die Steuereingänge 35′, 36′, 37′, 38′ der Schaltelemente 35, 36, 37, 38 werden von einer Steuerelektronik 32 beaufschlagt, der die Ausgangssignale der Impulsgeber 28, 29 zugeführt sind.The supply circuit 30 has a first and a second inverter circuit 33 and 34 , which are constructed identically. Each inverter circuit has four controllable switching elements 35 , 36 , 37 , 38 , of which two 35 , 37 and 36 , 38 are connected to each other in series between the positive pole 39 of a DC voltage source and ground. As switching elements 35 , 36 , 37 , 38 z. B. power transistors or other suitable as a controllable switch serving electronic construction elements can be used. The control inputs 35 ', 36 ', 37 ', 38 ' of the switching elements 35 , 36 , 37 , 38 are acted upon by control electronics 32 which are supplied with the output signals of the pulse generators 28 , 29 .
Um die Wicklungsanordnungen 13, 14 mit einem zweiphasigen, 90°-phasenverschobenen Drehstrom zu beaufschlagen, werden die Ausgangssignale A 1 des der ersten Wicklungsanordnung 13 zugeordneten Impulsgebers 28 an ein nicht invertieren des und an ein invertierendes Schaltglied 40 bzw. 41 ange legt. Das Ausgangssignal A 2 des nicht invertierenden Schaltgliedes 40 wird an den Steuereingang 35′ des Schalt elements 35 und an den Steuereingang 38′ des Schaltelements 38 angelegt, während das Ausgangssignal A 3 des invertie renden Schaltsgliedes 41 an den Steuereingang 36′ des Schaltelements 36 und an den Steuereingang 37′ des Schalt elements 37 geführt ist. Jeweils zwei in Reihe miteinander liegende Schaltelemente werden also von gegenphasigen Steuersignalen angesteuert.In order to apply a two-phase, 90 ° phase-shifted three-phase current to the winding arrangements 13 , 14 , the output signals A 1 of the pulse generator 28 assigned to the first winding arrangement 13 are applied to a non-inverting and to an inverting switching element 40 or 41 . The output signal A 2 of the non-inverting switching element 40 is applied to the control input 35 'of the switching element 35 and to the control input 38 ' of the switching element 38 , while the output signal A 3 of the inverting switching element 41 to the control input 36 'of the switching element 36 and the control input 37 'of the switching element 37 is guided. In each case two switching elements lying in series with each other are controlled by control signals in opposite phases.
Das Ausgangssignal B 1 des anderen Impulsgebers 29 wird in entsprechender Weise über ein nicht invertierendes Schalt glied 42 und ein invertierendes Schaltglied 41 an die Steuereingänge 35′, 36′, 37′, 38′ der Schaltelemente 35, 36, 37, 38 der zweiten Wechselrichterschaltung 34 angelegt.The output signal B 1 of the other pulse generator 29 is correspondingly via a non-inverting switching element 42 and an inverting switching element 41 to the control inputs 35 ', 36 ', 37 ', 38 ' of the switching elements 35 , 36 , 37 , 38 of the second inverter circuit 34 created.
Das Ausgangssignal A 1 des Impulsgebers 28, das die zur Erzeugung einer Rechteck-Wechselspannung erforderlichen Impulse liefert, ist in Fig. 4 dargestellt. Solange der Impulsgeber 28 dem Südpol S des Rotors 31 gegenüber liegt, ist das Ausgangssignal A 1 = 0 und geht auf 1, wenn nach einer 180°-Drehung des Rotors 31 dessen Nordpol N dem Impulsgeber 28 gegenüber liegt. Das Ausgangssignal B 1 des Impulsgebers 29 wird in entsprechender Weise erzeugt, wobei der Impulsgeber 29 ein Ausgangssignal 0 liefert, wenn er vom Nordpol N des Rotors 31 beaufschlagt wird, während er ein Ausgangssignal 1 liefert, wenn er dessen Südpol S gegenüber liegt.The output signal A 1 of the pulse generator 28 , which supplies the pulses required for generating a square-wave AC voltage, is shown in FIG. 4. As long as the pulse generator 28 lies opposite the south pole S of the rotor 31 , the output signal A 1 = 0 and goes to 1 if, after a 180 ° rotation of the rotor 31, its north pole N lies opposite the pulse generator 28 . The output signal B 1 of the pulse generator 29 is generated in a corresponding manner, the pulse generator 29 providing an output signal 0 when it is acted upon by the north pole N of the rotor 31 , while it provides an output signal 1 when it is opposite its south pole S.
Solange das Ausgangssignal A 1 1 ist, werden die Steuer eingänge 35′ und 38′ der Schaltelemente 35, 38 mit einem entsprechenden 1-Signal beaufschlagt, so daß die Schalt elemente 35 und 38 leitend sind. Gleichzeitig werden die anderen Schaltelemente 36, 37 mit einem 0-Signal beauf schlagt und damit gesperrt. Es ergibt sich damit ein Strom fluß durch den Wechselsrichter 33 und die an diesen ange schlossene erste Wicklungsanordnung 13, der durch die Pfeile a angedeutet ist. As long as the output signal A 1 1, the control inputs 35 'and 38 ' of the switching elements 35 , 38 are acted upon with a corresponding 1 signal, so that the switching elements 35 and 38 are conductive. At the same time, the other switching elements 36 , 37 are struck with a 0 signal and thus blocked. This results in a current flow through the inverter 33 and the connected to this first winding arrangement 13 , which is indicated by the arrows a.
Ist zu diesem Zeitpunkt das Ausgangssignal B 1 des anderen Impulsgebers 29 0, so werden die Schaltelemente 35, 38 des anderen Wechselrichters 34 mit einem 0-Signal beaufschlagt und damit gesperrt. Über das invertierende Schaltglied 43 wird ein 1-Signal an die Steuereingänge 36′, 37′ der Schalt elemente 36, 37 angelegt, die damit leitend werden. Der sich dann ergebende Stromfluß durch den Wechselrichter 34 und die mit diesem verbundene zweite Wicklungsanordnung 14 ist durch Pfeile b angedeutet.If the output signal B 1 of the other pulse generator 29 is 0 at this point in time, the switching elements 35 , 38 of the other inverter 34 are acted upon by a 0 signal and thus blocked. About the inverting switching element 43 , a 1 signal is applied to the control inputs 36 ', 37 ' of the switching elements 36 , 37 , which thus become conductive. The resulting current flow through the inverter 34 and the second winding arrangement 14 connected to it is indicated by arrows b.
Es zeigt sich also, daß jeweils dann, wenn das Signal A 1 oder B 1 den Wert 0 bzw. 1 annimmt, in den zugeordneten Wicklungsanordnungen 13 bzw. 14 eine Stromumkehr auftritt, wie auch die Strom- bzw. Spannungsverläufe A 4, B 4 in Fig. 4 zeigen. Die an den Wicklungsanordnungen 13 bzw. 14 anliegenden Spannungen und damit auch die durch sie fließenden Ströme weisen somit eine 90°-Phasenverschiebung auf. Auf diese Weise wird ein den Läufer antreibendes magneti sches Drehfeld erzeugt.It can be seen that whenever the signal A 1 or B 1 assumes the value 0 or 1, a reversal of current occurs in the associated winding arrangements 13 or 14 , as does the current or voltage profiles A 4, B 4 show in Fig. 4. The voltages applied to the winding arrangements 13 and 14 and thus also the currents flowing through them thus have a 90 ° phase shift. In this way, a rotating magnetic field driving the rotor is generated.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Versorgungs schaltkreis 30 auf Feldeffektbasis aufgebaut ist und nur mit Spannungen angesteuert, also leistungslos betrieben wird. Die als Leistungsschalter dienenden Schaltelemente 35, 36, 37, 38 sind dabei zweckmäßigerweise als Leistungs transistoren (power mosfet) ausgelegt, die nur eine Steuer spannung und keinen Steuerstrom erfordern, so daß sich die Verluste für die Steuerung im Milliwatt-Bereich halten.It is particularly advantageous if the supply circuit 30 is constructed on a field effect basis and is only driven with voltages, that is to say it is operated without power. The switching elements 35 , 36 , 37 , 38 serving as circuit breakers are expediently designed as power transistors (power mosfet) which only require a control voltage and no control current, so that the losses for the control are in the milliwatt range.
Aufgrund der speziellen Ausbildung der Polflächen 16, 17 am Stator 10 bzw. am als Reaktionsteil dienenden Läufer 20 läßt sich die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einer Rechteckspannung als Motor betreiben, wodurch erheb liche Einsparungen im Bereich der vorzugsweise elektroni schen Schaltung und bei der Motorkonstruktion erreichen lassen, ohne daß der Rundlauf und der Wirkungsgrad des Motors beeinträchtigt werden. Die elektrische Maschine läßt sich auch als Generator betreiben und liefert dann eine Rechteck-Wechselspannung an die Wechselrichterschaltungen 33, 34, die dann in Gegenrichtung beaufschlagt werden und als Gleichrichter arbeiten, so daß an den Anschlüssen, an denen im Motorbetrieb eine Gleichspannung eingespeist wird, im Generatorbetrieb eine Gleichspannung entnommen werden kann. Falls gewünscht und/oder erforderlich, kann auch an den Anschlußklemmen 13′, 13′′ bzw. 14′, 14′′ der Wicklungs anordnungen 13, 14 eine Rechteck-Wechselspannung entnommen werden.Due to the special design of the pole faces 16 , 17 on the stator 10 or on the rotor 20 serving as the reaction part, the electrical machine according to the invention can be operated with a square-wave voltage as a motor, thereby making considerable savings in the area of the preferably electronic circuit and in the motor construction without affecting the concentricity and the efficiency of the motor. The electric machine can also be operated as a generator and then supplies a square-wave AC voltage to the inverter circuits 33 , 34 , which are then acted on in the opposite direction and work as a rectifier, so that at the connections to which a DC voltage is fed in during motor operation, in A DC voltage can be taken from generator operation. If desired and / or required, a rectangular AC voltage can also be taken from the terminals 13 ', 13 ''or 14 ', 14 '' of the winding arrangements 13 , 14 .
Fig. 5 zeigt ein besonders bevorzugtes Anwendungsbeispiel für den Außenläufermotor nach Fig. 1, bei dem dieser als radintegrierter Antrieb für einen Motorroller eingesetzt wird. FIG. 5 shows a particularly preferred application example for the external rotor motor according to FIG. 1, in which it is used as a wheel-integrated drive for a motor scooter.
Wie Fig. 5 zeigt, ist im radialen Innenbereich einer Rad felge 50 ein Außenlaufermotor nach Fig. 1 angeordnet, des sen Außenläufer 20 einen sich axial erstreckenden ring förmigen Kragen 51 aufweist, der an einem sich radial nach innen erstreckenden Ringsteg 52 der Felge befestigt, z. B. angeschweißt ist. Die Felge 50 ist in bekannter Weise mit ihrem Ringsteg 52 an einer Radnabe 53 befestigt, z. B. an geschraubt. Die Radnabe ist in bekannter Weise auf einer Radachse 54 drehbar gelagert. Das Rad ist dann mit der Achse 54 in bekannter Weise an den Armen 55 einer Radgabel gehalten. As shown in FIG. 5, an external rotor motor according to FIG. 1 is arranged in the radial inner region of a wheel rim 50 , the outer rotor 20 of which has an axially extending ring-shaped collar 51 which is fastened to an annular web 52 of the rim which extends radially inward. e.g. B. is welded. The rim 50 is fixed in a known manner with its ring web 52 to a wheel hub 53 , for. B. screwed on. The wheel hub is rotatably mounted on a wheel axle 54 in a known manner. The wheel is then held with the axle 54 in a known manner on the arms 55 of a wheel fork.
Zur fahrzeugfesten Anordnung des Stators 10 ist ein Halter 56 vorgesehen, der eine auf die Achse 54 aufgesetzte Halte hülse 57 mit einem Radialflansch 58, eine an diesem befe stigte Trägerscheibe 59 sowie einen radial außen an der Trägerscheibe 59 befestigten, sich axial erstreckenden Tragring 60 umfaßt, auf den der Stator 10 aufgesetzt ist. Zur Versteifung des Halters 56 können Rippen 61 vorgesehen sein, die die Trägerscheibe 59 zusätzlich an der Halte hülse 57 abstützen.For the vehicle-fixed arrangement of the stator 10 , a holder 56 is provided which comprises a sleeve 57 placed on the axle 54 with a radial flange 58 , a carrier disk 59 attached to this, and an axially extending support ring 60 fastened radially on the outside to the carrier disk 59 , on which the stator 10 is placed. To stiffen the holder 56 , ribs 61 can be provided which additionally support the support plate 59 on the holding sleeve 57 .
Der Steuermagnetring 26, der zusammen mit dem als Reaktions teil dienenden Außenläufer dreht, ist an der Nabe 53 in geeigneter Weise befestigt. Dem Steuermagnetring 27 ist ein Haltering 62 axial gegenüberliegend angeordnet, an dem die Impulsgeber 28, 29, von denen nur einer gezeigt ist, den Steuermagneten 27 gegenüberliegend befestigt.The control magnet ring 26 , which rotates together with the outer rotor serving as a reaction part, is attached to the hub 53 in a suitable manner. The control solenoid 27 ring 62 is disposed axially opposite to which the pulsers 28, 29, one of which is shown, the control solenoid 27 mounted opposite a retaining ring.
Der Haltering 62 ist so an der Trägerscheibe 59 angebracht, daß er in Umfangsrichtung zumindest über einen für eine Justierung der Impulsgeber 28, 29 relativ zu den Polflächen des Stators erforderlichen Bereich verstellbar ist.The retaining ring 62 is attached to the carrier disk 59 in such a way that it can be adjusted in the circumferential direction at least over an area required for adjusting the pulse generators 28 , 29 relative to the pole faces of the stator.
Da der beschriebene Außenläufermotor sich infolge seiner großen Dimensionierung durch langsame Drehzahl und hohe Drehmomente auszeichnet, kann er in der gezeigten Weise unmittelbar in ein Antriebsrad eines Motorrollers inte griert werden. Der Verzicht auf ein Getriebe hat dabei den Vorteil, daß hierdurch Leistungsverluste beim Antrieb und durch Getriebe erzeugte Geräusche vermieden werden.Since the external rotor motor described is due to its large dimensioning due to slow speed and high Torques, he can in the manner shown directly into a drive wheel of a scooter inte be griert. There is no need for a gearbox Advantage that loss of power in the drive and noise generated by gearboxes can be avoided.
Beim Fahrbetrieb ist die Motordrehzahl und damit die Fahr geschwindigkeit zu der angelegten Spannung proportional. Wird nun beim Fahrbetrieb die Spannung reduziert, so sinkt auch die spannungsabhängige Nenndrehzahl, wodurch die tat sächliche Motordrehzahl, die von der Fahrgeschwindigkeit abhängig ist, diese Nenndrehzahl übersteigt. Da der Motor auch als Generator betrieben werden kann, kommt es hierbei zu einer Rückspeisung von Energie zur die Antriebsspannung liefernden Fahrzeug-Batterie, wobei gleichzeitig eine Brems wirkung auftritt. Um die Bremswirkung dabei um ein Viel faches zu steigern und gleichzeitig ein Abbremsen nahezu auf den Stillstand des Fahrzeugs zu ermöglichen, können die Stator-Wicklungen in nicht näher dargestellter Weise kurzgeschlossen werden.When driving, the engine speed and thus the driving speed proportional to the applied voltage. If the voltage is now reduced during driving, it drops also the voltage-dependent nominal speed, which did that neuter engine speed, which depends on the driving speed is dependent, this nominal speed exceeds. Because the engine can also be operated as a generator to feed energy back to the drive voltage delivering vehicle battery, while holding a brake effect occurs. The braking effect by a lot to increase multiple times and at the same time almost braking to allow the vehicle to come to a standstill the stator windings in a manner not shown be short-circuited.
Neben der Verwendung des beschriebenen Elektromotors bei einem Motorroller kann dieser auch in einem vierrädrigen Elektrokraftfahrzeug mit Allradantrieb eingesetzt werden, wodurch erhebliche Gewichtseinsparungen möglich sind, da auf Getriebe und Differential verzichtet werden kann.In addition to using the electric motor described in a scooter can also be used in a four-wheeler Electric vehicles with all-wheel drive are used, which makes considerable weight savings possible transmission and differential can be dispensed with.
Fig. 6 zeigt eine andere Ausgestaltung der erfindungsge mäßen elektrischen Maschine als Innenläufermotor oder -generator, bei dem der ringförmige Träger 19, an dem die Arbeitsmagneten 18 außenliegend angeordnet sind, mittels Trägerscheiben 72 drehfest auf einer Welle 71 befestigt ist. Der Stator 10 ist an einem den Motor oder Generator umschließenden Gehäuse 73 angebracht, das auf der Welle 71 drehbar gelagert ist. An einer Radialwand 74 des Gehäuses 73 ist ein Tragring 75 vorgesehen, an dem die Impulsgeber 28, 29, von denen nur einer gezeigt ist, mittels eines Bügels 76 in festem Winkelabstand zueinander gehalten sind. Der Tragring 75 ist in Umfangsrichtung winkelmäßig ver stellbar an der Radialwand 74 des Gehäuses 73 beispiels weise mittels einer Schraube 77 gehalten, um eine Justie rung der Impulsgeber bezüglich der Polflächen am Stator 10 zu ermöglichen. Fig. 6 shows another embodiment of the electrical machine according to the invention as an internal rotor motor or generator, in which the ring-shaped carrier 19 , on which the working magnets 18 are arranged on the outside, is fastened in a rotationally fixed manner on a shaft 71 by means of carrier disks 72 . The stator 10 is attached to a housing 73 which surrounds the motor or generator and is rotatably mounted on the shaft 71 . A support ring 75 is provided on a radial wall 74 of the housing 73 , on which the pulse generators 28 , 29 , of which only one is shown, are held at a fixed angular distance from one another by means of a bracket 76 . The support ring 75 is angularly adjustable ver in the circumferential direction on the radial wall 74 of the housing 73, for example, by means of a screw 77 to allow adjustment of the pulse generator with respect to the pole faces on the stator 10 .
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