DE68924168T2 - Bürstenloser Gleichstrommotor und zugehöriger Rotormagnet. - Google Patents

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor, umfassend:
• einen Stator mit Magnetpolen und Nebenpolen; einen Rotor, bestehend aus einem Rotormagnet, angebracht an der Innenwand des Rotor-Jochs und zusammengesetzt aus magnetischen Zonen derselben Gestalt und derselben Anzahl wie die Magnetpole des Stators, wobei jede Zone radial magnetisiert ist, unterschiedlich von den beiden benachbarten Zonen, so daß jede magnetische Zone identisch wie die diametral gegenüberliegende magnetische Zone magnetisiert ist.
Stand der Technik
• Ein Motor dieser Art ist beschrieben im US-Patent Nr. 3,299,335. Bei diesem Motor unterteilt das von dem Rotormagnet gebildete magnetische Muster den Umfang des Rotors in 3 P / 2 gleiche Sektoren in der Reihenfolge Nordpol, Südpol und nicht magnetisches Gebiet, wobei P die Anzahl der Pole ist. Dieses magnetische Muster verhindert, daß die elektromagnetische Kraft an irgendeiner Rotorposition völlig verschwindet, so daß der Start des Motors aus jeder Position gesichert ist.
Die Probleme im Stand der Technik
• Der vorbekannte Motor hat ein stabiles Antriebs-Drehmoment und ein kleines Rückhalte-Moment, aber er erfordert nicht-magnetische Zonen bei dem Rotormagnet. Hierdurch wird jedoch eine Massenfertigung dieser Motoren mit gleichbleibenden Eigenschaften schwierig.
• Ferner bewirken Unterschiede in den verwendeten Magnetisierungsvorrichtungen (Stromstärke, Spannung, elektrostatische Kapazität der Stromquelle, usw.) oder Änderungen in der Umgebungstemperatur eine ungleichmäßige Verteilung der magnetischen Flußdichte. Die Eigenschaften des Motors ändern sich stark, wenn die magnetische Felddichte ungleichmäßig verteilt ist, da sie weitgehend von dem magnetischen Muster des Rotormagneten abhängig sind.
• Ferner, wenn ein Magnetfeldsensor zum Erfassen der Rotorposition verwendet wird, so wird ein Rotorpositionsfühlermagnet erforderlich, zusätzlich zu dem das Drehmoment erzeugenden Rotorhauptmagnet. Hierdurch wird die Konstruktion des Rotors noch komplizierter.
• Das gleiche trifft zu bei einigen Motoren gemäß der FR-A- 2386928. Dieses Dokument zeigt nämlich auch Motoren mit genuteten Rotormagneten, die nur ein Polpaar haben. Diese Motoren sind einfacher und daher leichter zu fabrizieren, da sie aber nur zwei Pole haben, sind bei jeder Umdrehung auch nur zwei Antriebsimpulse vorhanden, so daß die Leistung vermindert ist. Es sind auch vierpolige Rotormagneten gezeigt, wobei der Magnet aus einem einzigen zylindrischen, anisotropen Magnet (Fig. 23A) besteht, oder aus Zonen aus unterschiedlichen magnetischen Materialien (Fig. 25), oder wobei ein paar von Polen vorgesehen ist, das sich jeweils über den halben Umfang des Rotors erstreckt (Fig. 28).
Aufgabe und Lösung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die beschriebenen Probleme im Stand der Technik zu beseitigen und betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor und einen darin zu verwendenden Rotormagneten, wobei der Rotormagnet zu Gänze magnetisiert ist, ohne daß nicht-magnetische Zonen erforderlich sind, wodurch die Magnetisierung erleichtert wird und die Verteilung der magnetischen Feldstärke gleichmäßiger ist, ohne Rotorpositionsfühlmagnet und mit großer Leistung.
• Die Erfindung löst die Aufgabe durch folgende Merkmale: der Rotormagnet hat keine nicht-magnetischen Zonen; ein Paar axial gerichteter Nuten ist vorgesehen, die sich direkt gegenüber liegen, eine Hälfte jeder Nut ist gebildet in der einen magnetischen Zone, die andere Hälfte ist gebildet in der benachbarten magnetischen Zone; und ein einzelner magnetischer Feldsensor ist angeordnet in einer Position gegenüber der genuteten Oberfläche des Rotormagnets zur Zusammenarbeit mit diesem zur Lieferung eines Rotorpositionssignals.
• "Nuten" umfaßt auch ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Nuten mit nicht-magnetischem Versteifungsmaterial ausgefüllt sind und selbst eine Ausführungsform, bei welcher Plastikmagnete eingefüllt sind in Nuten, die in einen Hochleistungsmagneten, wie einem Magneten aus seltener Erde, geschnitten sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Motor gemäß der Erfindung.
• Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 verwendeten Rotormagneten.
• Fig. 3 ist ein Diagramm der Oberflächenverteilung der magnetischen Flußdichte des Magneten.
• Fig. 4 ist ein Schnitt durch einen Lüftermotor, als ein Anwendungsbeispiel.
• Fig. 5A-E zeigen Ausführungsbeispiele der Nuten des Rotormagneten.
• Fig. 6 und 7 zeigen verschiedene Ausführungen des Rotormagneten im Querschnitt.
• Fig. 8 und 9 zeigen im Längsschnitt verschiedene Ausführungen des Rotors.
Detaillierte Beschreibung
• Fig. 1 zeigt einen bürstenlosen Gleichstrommotor gemäß der Erfindung als Beispiel eines Vierpol-Außenläufermotors.
• Der Stator besteht aus einem Statorjoch 2, vier Statormagnetpolen 3a, 3b, 3c, 3d, aufeinanderfolgend an dem Statorjoch 2 im Abstand von je 90º; um jeden Statorpol ist eine Spule 4a, 4b, 4c und 4d, gewunden und vier Nebenpole 5ab, 5bc, 5cd und 5da, sind zwischen den Magnetpolen angeordnet.
• Ein magnetischer Konverter 6 zeigt die Position des Rotors an; dieser Konverter 6 ist ein HALL-Element oder dergleichen, angeordnet auf der Außenseite eines Nebenpols 5bc.
• Der Rotor besteht aus einem zylindrischen Rotorjoch 10 und einem Rotormagnet 11 an der Innenseite des Rotorjochs 10, mit einer Rotorachse bzw. -welle (nicht gezeigt) zur freien Rotation. Einzelheiten des Rotormagneten 11 sind in Fig. 2 gezeigt, und die magnetische Feldstärkenverteilung bzw. -flußdichte ist in Fig. 3 gezeigt.
• Der Rotormagnet 11 ist radial magnetisiert mit vier Polen und hat zwei Nuten 12a, 12b. Eine Hälfte jeder Nut ist gebildet in dem einen Magnetstück bzw. -zone, die andere Hälfte ist gebildet in dem benachbarten Magnetstück/-zone, der zentrale Winkel jeder Nut ist
• 2 x θ, wobei sich von einem neutralen Punkt oder Umschaltpunkt 1 x θ in das eine Magnetstück/-zone und 1 x θ in das andere Magnetstück/-zone erstreckt. Die magnetische Flußdichte des Rotormagneten 11 ist in Fig. 3 gezeigt. Bei den Nuten 12a, 12b (innerhalb des Winkels 2 x θ) ist die magnetische Flußdichte an der Oberfläche, mit welcher die magnetischen Statorpole geschnitten werden, gering und wechselt von Süd auf Nord. Die Reihenfolge der Nuten und magnetischen Pole ist wie folgt: N-Pol (90º - θ) T S-Pol (90º - θ) T Nut-S-Pol (θ) T Nut-N-Pol (90º - θ) T S-Pol (90º - θ) T Nut-S-Pol (θ) T Nut-N-Pol (θ).
• Ein Merkmal der Erfindung liegt in folgendem: die magnetischen Nuten sind so ausgebildet, so daß sie magnetische Wechsel in Umfangsrichtung geben, und der Rotormagnet ist so konstruiert, daß er magnetisiert werden kann ohne nicht magnetische Zonen, und daher ist ein Rotor-Positionierungsmagnet nicht nötig.
• Die Arbeitsweise eines solchen Motors ist die gleiche wie bei den erwähnten bekannten Motoren.
• Bei der relativen Anordnung zwischen Rotormagnet 11 und Magnetisierungskonverter 6 gemäß Fig. 1 ergibt sich folgender Arbeitsablauf: wenn die Spulen 4b und 4d erregt werden und Statormagnetpole 3b und 3d zu N-Polen erregt werden, so stoßen die N-Pole des Rotormagneten 11 und die N-Pole des Statormagnetpols 3b und 3d einander magnetisch ab und der Rotor rotiert entgegen dem Uhrzeigersinn (in Pfeilrichtung). Nach 90º Drehung sind die Spulen 4b und 4d entregt, und die Spulen 4a und 4c sind erregt. Dieses bewirkt die Erregung der Magnetpole 3a, 3c zu N-Polen. Als Ergebnis dreht der Motor weiter entgegen dem Uhrzeiger, da die N-Pole des Rotormagneten selbst und die N-Pole des Statormagneten 3a und 3b einander magnetisch abstoßen. Die Nebenpole 5ab, 5bc, 5dc und 5da erzeugen ein Drehmoment bei jeder Drehstellung des Rotors (kein Totpunkt).
• Nach jeder Drehung um 90º erfaßt der Magnetfeldsensor 6 den Magnetpolwechsel und schaltet auf das jeweils andere Paar von Spulen 4a und 4c um, abwechselnd mit den Spulen 4b und 4d. Hierdurch dreht der Rotor kontinuierlich in eine Richtung.
• In Verbindung mit der Erfindung wurde ein Experiment ausgeführt mit einem Rotormagneten 11 gemäß Fig. 2 und zum Vergleich mit einem konventionellen Rotormagneten, um die Wirkung des Nut- Winkels θ auf die Eigenschaften des Motors herauszufinden. Bei vier verschiedenen Winkeln der Nuten 12a, 12h, nämlich 15º, 20º, 30º und 40º, jeweils bei einem Motordrehmoment von 209.cm, wurden die Drehzahl, der Motorstrom und der Motorwirkungsgrad gemessen. Die Resultate sind in der folgenden Tabelle gezeigt: Eigenschaften Konventionelle Technik Erfindung Drehzahl (rpm) Motorstrom (mA) Motorwirkungsgrad (%)
• Die Tabelle zeigt, daß verglichen mit konventioneller Technik die Erfindung einen geringeren Stromverbrauch und eine Erhöhung des Wirkungsgrades um 1 bis 6 % erbringt. Es wird klar, daß bei einem vierpoligen Motormagnet der Motor den höchsten Wirkungsgrad bei einem Winkel θ = 30º hat.
• Das gezeigte Experiment wurde ausgeführt bei einem Verhältnis bzw. einer Spalttiefe von t2 = 4t1, wobei der Spalt zwischen Rotormagnet und Stator gleich t1 und der Spalt zwischen Nut und Stator gleich t2 ist (Fig. 1). Dies ist bestimmt durch die magnetische Flußdichtenverteilung und die Resultate des Experiments.
• Daher ist es erwünscht, daß die Gestalt der in dem Rotormagneten gebildeten Nut den folgenden zwei Formeln entsprechen soll:
• 0,3 x 360 / P < 2 &theta; < 360 / P (1)
• D &ge; G (2)
• Wobei:
• 2 &theta;: Nutweite (in Grad, vergleiche Fig. 2)
• P: Anzahl der magnetisierten Pole
• D: Zentrale Tiefe der Nut
• G: Minimalspalt zwischen Stator und Rotormagnet
• Der bürstenlose Motor gemäß der Erfindung ist geeignet für viele Zwecke. Gutes Starten und hoher Wirkungsgrad sind Eigenschaften des Motors, passend für Produkte wie Ventilatorenmotoren.
• Fig. 4 zeigt einen Lüfter mit einem Motor gemäß der Erfindung. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen.
• An der Innenseite eines Lüfterrades 40 (einstückig aus Kunstharz gegossen) ist ein Rotorjoch 10 durch Aufschrumpfen befestigt. Die Rotorwelle 18 ist frei drehbar in Lagern 44 und 45, eingesetzt in das Gehäuse 42, und in Stellung gehalten durch einen Rückhaltering 48, unter Vorspannung gehalten durch eine Feder 46. Der Stator, mit Spulen 4a ... 4d, gewunden um Statorjoch 2, laminiert und dann isoliert, ist befestigt an dem Lagerhalter im Inneren des Gehäuses 42. An der Innenseite des Gehäuses 42 ist eine Anschlußplatte 50 mit Schrauben 51 befestigt. Auf der Anschlußplatte 50 sind vorgesehen eine elektrische Schaltung zur Umschaltung der Spulenerregung, sowie Schaltelemente für den magnetischen Feldsensor 6, der Schaltkreis ist mit Anschlüssen für jede Spule 4a ... 4d versehen. Der Strom zum Antrieb wird über die Anschlußleitung 52 zugeführt.
• Die Nut in dem Rotormagnet ist nicht begrenzt auf eine einzelne rechteckige Gestalt. Es können vorgesehen sein andere verschiedene Gestalten, wie z. B. gemäß Beispiel A-E in Fig. 5.
• Beispiel A zeigt eine V-förmige Nut.
• Beispiel B ist kreisbogenförmig.
• Beispiel C ist jeweils einem Radius folgend, und abgerundet gestaltet.
• Beispiel D ist an den Seitenflächen nach innen eingewölbt.
• Beispiel E zeigt eine Nut, deren Bodenfläche ausgewölbt ist.
• Andere Beispiele des Rotormagneten sind in Fig. 6 und 7 gezeigt. Zur Verbesserung der Eigenschaften kann der Rotormagnet aus Hochleistungs-Magnetmaterial, wie Sintermaterial oder seltenen Erden bestehen. Ein gänzlich aus diesen Hochleistungs- Materialien bestehender Magnet wäre aber in vielen Fällen zu teuer.
• Fig. 6 zeigt daher Hochqualitätsmagnete 52, wie aus Sintermaterial oder seltenen Erden, eingesetzt an geeigneten Stellen als Teil des Rotormagneten, während der Rotormagnet 51 im übrigen aus billigem, und leicht zu gießendem Plastik- Magnetmaterial besteht. Hierdurch wird der Rotormagnet preiswert.
• Fig. 7 ist eine Struktur (ein Rotormagnet) mit passendem Verstärkungsmaterial 53, eingefüllt in die Nuten des Rotormagnets 54. Zum Beispiel kann nicht-magnetischer Kunststoff zur Verstärkung 53 dienen. Ferner sind Plastikmagnete einsetzbar zur Verstärkung 53 des Rotormagnets 54, wenn Hochleistungsmagnete, wie gesinterte oder Selten-Erden-Magnete, verwendet sind. Fig. 8 und 9 zeigen je eine praktische Struktur des Rotors. Als Antrieb für einen Lüfter sollte der Rotor bestehen aus Rotormagnet 56, Welle 55, Versteifung 57, als komplette Einheit, wie in Fig. 8.
• Fig. 9 ist eine andere Kombination von Rotormagnet 56, versteiftem Rotorkörper 58 und Welle 55.
• Es sind noch viele andere Ausführungen möglich. Obiges Beispiel ist ein Außenläufer-Motor. In ähnlicher Weise kann ein Innenläufer-Motor gemacht werden in kombinierte Form, mit hoher Wirksamkeit, ohne Einschränkung auf ein bestimmtes Antriebssystem oder bestimmte Polzahl. Natürlich sind Abänderungen möglich bei dem Magneten, dem Verstärkungsmaterial und den Strukturkomponenten. Zusätzlich zu dem Magnetfeldsensor kann ein photoelektrischer Rotorpositionssensor-System vorgesehen sein.

Claims (4)

1. Bürstenloser Gleichstrommotor, umfassend: einen Stator mit Magnetpolen (3a, 3b, 3c, 3d) und Nebenpolen (5ab, 5bc, 5cd, 5da); einen Rotor, bestehend aus einem zylindrischen Rotormagneten (11) an der Innenwand eines Rotor-Jochs (10), wobei der Rotormagnet aus magnetischen Zonen von untereinander gleicher Form bzw. Gestalt und in gleicher Anzahl wie die Magnetpole besteht, wobei jede magnetische Zone radial und unterschiedlich von den beiden benachbarten Zonen magnetisiert ist, so daß jede magnetische Zone identisch wie die diametral gegenüberliegende magnetische Zone magnetisiert ist; gekennzeichnet durch: der Rotormagnet (11) hat keine nicht-magnetischen Bereiche/Zonen; ein Paar axialer Nuten (12a, 12b) ist vorgesehen, von denen die eine direkt der anderen gegenüberliegt, und wobei eine Hälfte jeder gut in jeweils einer magnetischen Zone gebildet ist, während die andere Hälfte in der benachbarten/angrenzenden magnetischen Zone geformt ist; und ein einzelner Magnetfeldsensor (6) ist angeordnet in einer Position gegenüber/zugewandt der genuteten Oberfläche des Rotormagneten (11) zur Kooperation mit der genuteten Rotoroberfläche zur Lieferung eines Rotorpositionssignals.

2. Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gestalt der Rotor-Nuten (12a, 12b) folgenden zwei Formeln entspricht:

0,3 x 360 / P < 2 &theta; < 360 / P

D &ge; G

wobei P die Anzahl der magnetisierten Pole ist, 2 &theta; ist die Nutweite, vom Drehpunkt aus gesehen, D ist die zentrale Tiefe der Nut, G ist der Minimalspalt zwischen Stator und Rotormagnet.

3. Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß magnetische Materialien verschiedener Eigenschaften kombiniert sind zur Bildung des Rotormagnets (11).

4. Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Versteifungsmaterial (53) in die Nuten (12a, 12b) eingefüllt ist.