DE7310863U

DE7310863U - Kollektorloser gleichstrommotor

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Publication number: DE7310863U
Application number: DE7310863U
Authority: DE
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1973-03-22
Filing date: 1973-03-22
Publication date: 1977-04-14

Description

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Papst-Motoren KG 11.1. 1977

7742 St.Georgen/Schw. DT-148G

G 73 Io 863.1

Kollektorloser Gleichstrommotor

Die Neuerung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor, welcher Motor eine ein Wechselfeld erzeugende Wicklung und damit im Betrieb ein Antriebsmoment mit Lücken sowie Mittel zum Speichern von magnetischer Energie zur Oberwindung dieser Momentenlücken aufweist.

Di? Neuerung bezweckt, den Aufbau gattungsgemäßer kollektorloser Gleichstrommotoren ganz wesentlich zu vereinfachen.Zum Beispiel benötigt der in der Siemens-Zeitschrift 1966, Seiten 69o bis 693, beschriebene Motor zum Erzeugen eines Drehfelds vier getrennt ansteuerbare Wicklungen, zu deren kontaktlosen Ansteuerung man zwei Hai 1 generatoren und wenigstens vier Leistungstranistsoren benötigt, Nach der Neuerung benötigt ein solcher Motor hingegen z.B. nur zwei Stranghälften, einen einzigen Hai 1 generator und zwei Leistungstransistoren.

Verwendet man bei solchen Motoren eine Drehzahlregelung, so ist es wichtig, daß der Strom den Wicklungen möglichst genau dann zugeführt wird, wenn die in den Wicklungen durch den permanentmagnetischen Rotor induzierten Spannungen jeweils ihr Maximum haben, d.h. wenn Stator-und Rotor-Pole etwa um 9o° el. gegeneinander versetzt sind. Im Interesse eines guten Wirkungsgrades und eines gleichmäßigen Laufes sollte der Strom in den Wicklungen möglichst nur in den Zeitbereichen um diese Punkte herum fließen, d.h. der Strom fließt in einem solchen Fall jeweils nur während eines relativ kleinen Prozentsatzes einer Rotorumdrehung und man erhält deshalb große Momentenlücken, die z.B. durch ein Reluktanzmoment gefüllt werden müssen, damit man an der Motorwelle e;n gleichmäßiges Moment zum Antrieb eines anzutreibenden Gerätes erhält.

Die vorliegende Neuerung befaßt sich also mit der Erzielung eines solchen gleichmäßigen Momentes, insbesondere bei geregelten Antrieben.

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DT-148G

Deshalb geht man zu diesem Zwecke bei einem eingangs genannten kollektorlosen Gleichstrommotor so vor, daß bei einem Motor mit zylindrischem Luftspalt (Innen-oder Außenläufermotor) der Luftspalt über dem Polbogen in Drehrichtung gesehen"vom Anfang des Polbogens ausgehend jeweils zunächst über einen ersten Winkel (alpha) bis zu einem Maximum (d„) vorzugsweise monoton zunimmt und danach - ebenfalls vorzugsweise monoton - wieder abnimmt. Auf diese Weise gelingt es, den gewünschten Momentenverlauf des Reluktanzmomentes relativ zum von den Wicklungen erzeugten elektromagnetischen Antriebsmoment zu erhalten.

Mit besonderem Vorteil wird der Motor dabei so ausgebildet, daß der Luftspalt in Drehrichtung gesehen, ausgehend von dem Maximum, über einen zweiten Winkel hinweg bis zu einem Minimum, vorzugsweise monoton abnimmt, und daß dieses Minimum um einen dritten Winkel vor dem Ende des Polbogens liegt.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Neuerung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen una in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines in erfindungsgemäßer Weise ausgebildeten zweipoligen Außenläufermotor* und der zugehörigen Schaltelemente

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Fig. 2 eine Abwicklung des Luftspaltverlaufs über dem oberen Polbogen des Motors nach Fig. l_f

Fig. 3 eine Regelschaltung für eine Drehzahlregelung des Motors nach Fig. 1«

Fig. 4 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 3,

Flg. 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines nach der Lehre der Erfindung ausgebildeten zweipoligen Innenlä'ufermotors und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels

nach der Lehre der Erfindung ausgebildeten vierpoligen AuS-senläufermotors.

Gleiche oder gleichwirkende Teile werden im folgenden in den einzelnen Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Flg. 1 zeigt einen Außenläufermotor 10 mit einem äußeren permanentmagnet Is chen zweipoligen Rotor 11, dessen Magnetisierung etwa sinus*· oder trapezförmig ausgebildet ist und der sich Im Betrieb In Richtung eines Pfeiles 12 dreht. Der Rotor 11 1st In seiner Ruhelage dargestellt, also 1n seiner Startstellung, die Im wesentlichen durch die Geometrie des magnetischen Kreises bestimmt ist.

Der Stator 13 des Motors 10 1st als Doppel-T-Anker mit einem obere» Pol 14 und einem unteren Pol 15 ausgebildet, welche beide etwa die Umrißform eines Regenschirms haben, also jeweils fast den gesamten Polbogen umspannen, und weiche zwischen sich zwei Nuten 16 und 17 einschließen, In denen zwei In Reihe geschaltete Wicklungshälften 18 und 19 einer ftinsträngigen Wicklung angeordnet sind, deren Mittelanzapfung an einen Pluspol geführt 1st und derart freie Enden mit 23 bzw. 24 bezeichnet sind. Ein Hallgenerator 25 (oder ein ä'qivalefetes KommutiergHed)

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1st an der öffnung der Nut 17 am Stator 13 angeordnet.

Der Luftspalt 26 über dem Pol 14 und der Luftspalt 27 über dem Pol 15 sind erfindungsgemäß jeweils in besonderer Welse ausgebildet. (Dabei kommt es naturgemäß nur auf die wirksame Luftspaltgröße an den einzelnen Stellen an» d. h., daß z. B. ein aus verschiedenen, an den einzelnen Stellen ungleiche Durchmesser aufweisenden Blechen geschichteter Stator an den einzelnen Stellen seines Umfangs jeweils eine gemittelte Spaltgröße entsprechend der Erfindung haben muß.)

Fig. 2 zeigt eine Abwicklung des oberen Luftspalts 26, der punktsymmetrisch zum unteren Luftspalt 27 verläuft. In Fig. 2 1st oben der Rotor 11 und unten der Stator 13 dargestellt, also ein Polbogen von 180 elektrischen Graden. Ausgehend von der Nut 16 nimmt der Luftspalt 26 Über einem ersten Winkel alpha (ζ. Β. 10 bis 50° elektrisch) monoton bis zu einer Stelle 30 zu, an der der Maximalwert dp des Luftspalts 26 erreicht wird. Von da an nimmt der Luftspalt 26 über einem zweiten Winkelbereich beta (ζ. B. 80 bis 160° elektrisch) monoton ab bis zu einer Stelle 31, an der der Minimalwert dj des Luftspalts 26 erreicht wird. Diese Stelle 31 liegt um einen dritten Winkel gamma (IO bis 50° elektrisch) vor der Nut 17. Von der Stelle 31 aus nimmt der Luftspalt 26 bzw. der an ihn anschließende Luftspalt 27 - mit Ausnahme der Unterbrechung durch die Nut 17 - Über einen vierten Winkel delta (z.B. 20 bis 100° elektrisch) hinweg wieder monoton bis zur Stelle 30 hin zu. Der Stator 13 hat also Im Querschnitt etwa die Form einer Elipse, deren Hauptsachse 32 unter einem Winkel epsilon von vorzugsweise etwa 40 bis 80° elektrisch zu der durch die beiden Pole 14 und 15 verlaufenden Achse 33 verläuft.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise ist es zweckmäßig, sich den Stator 13 idealisiert vorzustellen, also ohne Nuten 16 und 17 und es 1st ferner zweckmäßig, sich z. B. an einer Stelle 35 einen konzentrierten Magnetpol, z. B. einen Nordpol, zu denken. Dieser

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konzentrierte Pol 35 wird In F1g. 2 In der Ruhelage die dort eingezeichnete Stellung einnehmen. In der der Ihm gegenüberliegende Luftspalt am kleinsten 1st. Verdreht man nun den Pol 35 in Richtung des Pfeiles 12, so benötigt man hierzu Energie, da sich der Luftspalt vergrößert, der dem Pol 35 gegenüberliegt. Dieses Antriebsmoment wird Im Betrieb - etwa Im Winkelbereich delta - vom Strom in der Wicklung 18 oder 19 erzeugt.

Nach Vorbeilaufen an der Stelle 30 verringert sich der Luftspalt wieder, welcher dem Pol 35 dann gegenüberliegt, d. h. nun wird der Rotor 11 von einem Reluktanzmoment angetrieben und die im magnetischen Kreis 10 gespeicherte magnetische Energie wird wieder abgegeben, so daß während dieser Zeit kein elektromagnetisches Moment vorhanden sein muß. Dies geht solange, bis der Punkt 31 erreicht 1st. Ab hier wiederholt sich der beschriebene Vorgang.

Da In der Praxis kein konzentrierter Magnetpol 35 vorkommt, sondern die beiden Pole des Rotors 11 z. B. eine sinusförmige oder eine trapezförmige Magnetisierung haben, entspricht der Verlauf des Reluktanzmoments nicht dem Verlauf des Lustspalts. Man kann sich die beiden Magnetpole des Rotors 11 jeweils durch über den Rotorurafang verteilte verschieden starke konzentrierte Magnetpole ersetzt denken. Oberlagert man die von diesen konzentrierten Polen jeweils erzeugten Nomente, so erhält man die tatsächliche Momentenkurve· die also sowohl von der Art der Magnetisierung des Rotors 11 wie vom Luftspaltverlauf bestimmt 1st. In der Praxis wird man die zweckmäßigste Dimensianierung der Winkel alpha bis delta sowie die Größe von dj und d₂ am einfachsten durch Versuche feststellen.

Zum Steuern des Stromes In den Wicklungen 18 und 19,abhängig von der Lage der Pole des Rotors 11, dient der Hallgenerator 25, dessen einer Steu«ran$chluß Über einen Widerstand 36 mit des Pluspol 20 verbunden 1st, während sein anderer Steueranschluß nit einer Minusleitung 37 einer Gleichspannungsquelle (z. B.24 V)

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verbunden ist. Die beiden Ausgänge des Hallgenerators 25 sind mit den Basen zweier npn-Transistören 38 und 39 verbunden, deren Emitter mit der Minusleitung 37 verbunden sind, während der Kollektor des Transistors 38 mit dem Anschluß 24 und der Kollektor des Transistors 39 mit dem Anschluß 23 der Wicklungen 18 bzw. 19 verbunden ist. Auf diese Weise wird beim Vorbeilaufen der Pole des Rotors 11 am Hal I generator 25 jeweils während eines bestimmten Winkelbereichs der eine oder der andere Transistor eingeschaltet.

Normalerweise ist bei einer ungeregelten Schaltung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, der Einschaltwinkel der Transistoren 38 und 39 relativ groß. Bei einer Regelung ist man deshalb bestrebt, diesen Stromwinkel zu verkleinern und den Strom in den Wicklungen 18 und 19 nur in sinem relativ kleinen Winkelbereich fließen zu lassen. Diesem Zweck dienen die Schaltungen nach den deutschen Offenlegungsschriften 22 52 727, 22 52 728.2 und 23 14 257.6. Fließt der Strom nur in einem kleinen Winkelbereich, so muß das Reluktanzmoment in einem großen Winkelbereich wirksam werden, um die Momentenlücken des elektromagnetischen Moments voll auszufüllen.

Zur näheren Erläuterung solcher Schaltungen, welche sich auf die beanspruchten Winkelbereidie auswirken und deshalb mit deren Größe in Zusammenhang stehen, wird auf die im Wesentlichen gleich·? lautende deutsche Offenlegungsschrift 23 14 259 Bezug genommen.

Das elektromagnetische Antriebsmoment M, am Rotor 11 ist in Fig. 4 in der vierten Reihe von oben mit strichpunktierten Linien dargestellt. Dieses Moment weist ersichtlich große Lücken auf und in diesen Lücken wirkt das durch die eingangs beschriebenen Maßnahmen erzeugte Reluktanzmoment M ,, das ebenfalls in Fig. 4 in der vierten Reihe von oben dargestellt ist. üurch die dargestellte Luftspaltform wird nun neuerungsgemäß erreicht, daß M-

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und M , etwa spiegelbildlich zueinander verlaufen, und daß vor allem das Reluktanzmoment in den Lücken des elektromagnetischen Moments M ,, also z.B. zwischen den Zeitpunkten t, und t₂ in Fig.4 einen im Wesentlichen konstanten Verlauf hat. Dies ist deshalb wichtig, weil man nur so ein praktisch konstantes Abtriebsmoment über dem gesamten Drehwinkel erreichen kann.

Addiert man die beiden Momente M , und M ,, so erhält man das in Fig. 4 in der untersten Reihe dargestellte Gesamtmoment M₁ das, wie dargestellt, bei geeigneter Bemessung des Motors im Wesentlichen konstant ist. Dieses Gesamtmoment ist sozusagen in den Motor einprogrammiert, das heißt, ein solcher Motor kann zum Antrieb eines Gerätes dienen, das ein Antriebs^oment in dieser Größenordnung benötigt, also z.B. für einen Lüfter, einen Drucker, einen Antriebsmotor eines Tonbandgerätes oder eines Plattenspielers etc. Wie man aus Fig. 3 erkennt, ist der Aufwand für einen drehzahlgeregelten Motor dieser Art außerordentlich geri ng.

Die Fig. 5 und 6 zeigen schematisch noch zwei andere Ausführungsbeispiele von Motoren nach der Neuerung, welche ebenfalls mit der Schaltung nach Fig. 3 im drehzahlgeregelten Betrieb betrieben werden können. Fig. 5 zeigt einen zweipoligen Innenläufermotor llo, bei welchem die beiden Luftspalte 111 und 112 in der Abwicklung gleich verlaufen wie bei der Darstellung nach Fig. 2.

Fig. 6 zeigt einen vierpoligen Außenläufermotor 115, bei welchem vier Luftspalte 116, 117, 118 und 119 vorgesehen sind, welche in der Abwicklung den Verlauf nach Fig. 2 haben. Der Stator 13 hat deshalb dort die Querschnittsform eines Kreises, welcher an vier gleichmäßig verteilten Stellen seines Umfanges Abflachungen aufweist, wobei natürlich in der Praxis diese Abflachungen äußerst klein sein können und ebenso wie bei den anderen Figuren nur aus Gründen der Anschaul i clikei t übertrieben groß dargestellt sind. Diese vier Abflachungen liegen jeweils im Raum zwischen den Nuten 12o bis 123. Auch in den Figuren 5 und 6 ist jeweils die Lage des Hai 1 generators 25 angedeutet, der auch dort jeweils in einer Pollücke des Stators angedeutet ist.

Claims

I · I » I l · «tr : hm ( ι ι · • ; · ι ι t „< i « till · ft Papst-Motoren KG 11.1.1977 St.Georgen/Schwarzwald DT-148G G 73 Io 863,1 Schutzansprüche

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor, welcher Motor eine ein Wechselfeld erzeugende Wicklung und damit im Betrieb ein Antriebsmoment mit Lücken sowie Mittel zum Speichern von magnetischer Energie zur Überwindung dieser Momentenlücken aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor (lo; Ho; 115) mit zylindrischem Luftspalt (Innen-oder Außenläufermotor) der Luftspalt (25, 26; 111, 112; 116 - 119) über dem Polbogen in Drehrichtung gesehen vom Anfang des Polbogens ausgehend jeweils zunächst über einen ersten Winkel (alpha) bis zu einem Maximum (d^) vorzugsweise monoton zunimmt und danach - ebenfalls vorzugsweise monoton - wieder abnimmt.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Winkel (alpha) etwa Io bis 5o° el. beträgt.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Luftspalt in Drehrichtung gesehen ausgehend von dem Maximum (d₂) über einen zweiten Winkel (beta) hinweg bis zu einem Minimum (d.) vorzugsweise monoton abnimmt und daß dieses Minimum um einen dritten Winkel (gamma) vor dem Ende des Polbogens liegt.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Winkel (beta) 8o bis 16o° el. beträgt.

5. Motor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Winkel (gamma) etwa Io bis 5o° el. be-

trägt.

6. Motor nach einem der Ansprache 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt ausgehend von seinem Minimum (dj) Über einen vierten Winkel (delta) hinweg mit Ausnahme der für Nuten (16, 17) oder dergleichen erforderlichen Unterbrechungen bis zu seinem in Drehrichtung (12) folgenden nächsten Maximum (dp) vorzugsweise monoton zunimmt.

7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Winkel (del ta) etwa 20 bis 100 Grad elektrisch beträgt.

8. Motor nach mindestens einem Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zweipoligen Außenläufermotor (10) der Stator (13) im Querschnitt etwa die Form einer Ellipse hat.

9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachse (32) der Ellipse einen Winkel (epsilon) den etwa 10 bis 80 Grad elektrisch mit der durch die beiden Pole (14, 15) gehenden Achse (33) einschließt.

10. Motor nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet« daß bei einem zweipoligen Inneniäufermotor (110) die fUr den Rotor (11) vorgesehene Innenausnehmung des Stators einen etwa elHpsenförmigen Querschnitt hat (Fig.5)

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11. Motor nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch

gekennzeichnet, daß bei einem vierpoHgen Außenläufermotor (115) der Stator (13) einen Querschnitt aufweist, der etwa einem an vier gleichmäßig am Kreisumfang verteilten, zwischen den Wicklungsnuten (120-123) Hegenden Stellen abgeflachten Kreis entspricht (F1g.6* -Ip-,-

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12. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß ein Kommutierglled (25) des Motors In einer PollUcke des Stators angeordnet 1st.

13. Motor nach mindestens einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß der permanentmagnetische Rotor (11) eine etwa sinusförmige Magnetisierung aufweist.

14. Motor nach mindestens einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß der permanentmagnetische Rotor (11) eine etwa trapezförmige Magnetisierung aufweist.