DE7516814U - Kollektorloser gleichstrommotor - Google Patents

Description

Papst-Motoren KG 13.5.1977

7742 St.Georgen/Schw. DT-191G

KoIIektorloser Gleichstrommotor

Die Neuerung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit zylindrischem Luftspalt (Innen-oder Außenläufermotor) und mit einem permanentmagnetischen Rotor, welcher Motor eine im Betrieb ein Lücken aufweisendes elektromagnetisches Antriebsmoment erzeugende Wicklung und Mittel zum Speichern von magnetischer Energie zur Überwindung dieser Momentenrücken aufweist nach Patentanmeldung P 23 46 38o.l-32.

Motoren dieser Art haben einen einfachen Aufbau und ermöglichen auch bei kleinen Leistungen einen sehr guten Wirkungsgrad, was besonders bei batteriebetriebenen Geräten wichtig ist, um eine lange Lebensdauer der Batterien zu erreichen. Bei Motoren gemäß der Hauptanmeldung ist man bestrebt, ihr an der Welle abgegebenes Moment über die ganze Rotordrehung weitgehend gleichförmig zu halten, indem bei einem Motor, dessen Rotormagnetpole jeweils eine etwa tranezförmige Magnetisierung mit schmalen Lücken zwischen den Polen aufweisen, der Winkelbereich der Rotordrehung, in dem der Rotor im Betrieb ein elektromagnetisches Antriebsmoment erfährt, etwa mit dem Winkelbereich zusammenfällt, in dem die Pollücken im Betrieb ein Gebiet in Drehrrichtung abnehmenden äquivalenten Luftspalts durchlaufen, und daß der Winkelbereich der Rotordrehung, in den der Rotor im Betrieb kein elektromagnetisches Antriebsmoment erfährt, etwa, mit dem Winkelbereich zusammenfällt, in welchem die Pollücken im Betrieb ein Gebiet in Drehrichtung zunehmenden äquivalenten Luftspalts durchlaufen.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, die beim bekannten Motor bereits angestrebte Drehmomentkonstanz bzw. Laufruhe weiter zu verbessern.

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Dies wird nach der Neuerung dadurch erreicht, daß zusätzlich die magnetisch aktiven Statorwicklungsleiter im Luftspalt, und zwar etwa im Gebiet des zunehmenden Luftspalts (Winkelbereich «f ) angeordnet sind.

Die Neuerung vermeidet also die doch immer noch magnetische Unstetigkeitsstel1 en verursachenden Nuten und bringt so ein hochkonstantes Drehmoment, was für Signale erzeugende oder wiedergebende Geräte wie Phonogeräte wesentlich ist. Dabei hat der Motor - wie Figur 1 zeigt - eine einfache einsträngige Wicklung (unter Umständen aus einer einzigen Spule bestehend).

Bei sinusförmiger (allgemein! symmetrische;-) Induktionsverteilung im Luftspalt wird gemäß Weiterbildung der Erfindung die pro Pol konzentrierte Anordnung der Statorwicklungsleiter so angeordnet, daß ihre Durchflutung etwa symmetrisch im Gebiet ( cT ) des zunehmenden Luftspalts liegt.

Verwendet man den Sonderfall symmetrischer Magnetisierung, wobei die Rotormagnetpole jeweils eine etwa trapezförmige Magnetisierung (Figur 5a) mit schmalen Lücken 12, 13 zwischen den Polen aufweisen, kann man die zuvor erwähnte Wicklungs-bzw. Durchf1utungssymmetrie entbehren und die Statorwicklungsleiter im Bereich des größten Luftspalts am Statorumfang anbringen, was fertigungsmäßig vorteilhaft ist.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel·

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines in erfindungsgemäßer Weise ausgebildeten zweipoligen Außenläufermotors und der zugehörigen Schaltelemente,

Figur 2 eine Abwicklung des Luftspaltverlaufs über dem oberen Polbogen des Motors nach Figur 1

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Fig. 3 zwei Schaubilder zum Erläutern einer stabilen und einer Fig. 4 labilen Stellung des Rotors, und

Fig. 5 Schuubilder zum Erläutern der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1.

Fig.l zeigt einen Außenläufermotor Io mit einem äußeren, als durchgehender Magnetring ausgebildeten zweipoligen Rotor 11, des· sen Magnetisierung etwa gem. Fig. 5a ausgebildet ist, also mit einer praktisch konstanten Induktion B im Bereich der Pole und mit schmalen Pollücken. Ersichtlich entspricht die in Fig. 5a dargestellte Magnetisierung nicht genau der Trapezform, wird aber im Sprachgebrauch des Elektromaschinenbaus als trapezförmig bezei chnet.

Die Breite der Pollücken beträgt z.B. Io - 2o° elektrisch.

In den Figuren 1-4 sind die Stellen mit praktisch konstanter Induktion für den Nordpol mit schwarzer und für den Südpol mit grauer Farbe symbolisch angedeutet, um das Verständnis der ErT findung zu erleichtern. Es ist aber ausdrücklich darauf hinzuweisen, daß der gesamte Rotor 11 als radialmagnetisiertes, permanentmagnetisches Teil, z.B. aus Bariumferrit, ausgebildet ist. - Die beiden Pollücken sind ebenfalls symbolisch angedeutet und mit 12 und 13 bezeichnet. Fig. 1 zeigt den Rotor 11 in einer seiner beiden stabilen Ruhestellungen, die er bei stromlosem Zustand des Motors einnehmen kann. Diese Ruhestellungen sind durch die Form des Luftspalts und die Form der Magnetisierung B (Fig.5a) bestimmt. Im Betrieb läuft der Rotor 11 in Richtung des Pfeiles 14.

Der Stator 15 des Motors Io ist als fast runder Anker mit einem oberen Pol 16 und einem unteren Pol 17 ausgebildet, welche beide etwa die Umrißform eines Regenschirmes haben, also jeweils fast den gesamten Polbogen umspannen* und weiche zwischen sich zwei Flächen 18 und 19 einschließen, in denen zwei in Reihe geschaltete Wicklungshälften 2o und 21 einer einsträngigen Wicklung angeordnet sind, deren Mittelanzapfung an einen Pluspol 22 ge-

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führt ist und deren freie Enden mit 23 bzw. 24 bezeichnet sind, ,.in Hai 1 generator 25 (oder ein äquivalentes Kommutiergl ied) ist in der Mitte der Fläche 19 über den Statorwicklungsleitern 29 oder einer elektrisch äquivalenten Stelle am Stator 15 angeordnet .

Der Luftspalt 26 über dem Pol 16 und der Luftspalt 27 über dem Pol 17 sind erfindungsgemäß jeweils in besonderer Weise 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 aufweiserden Blechen geschichteter Stator an den einzelnen Stellen seines Umfangs jeweils aine gemittelte Spaltgröße entsprechend der Erfinung haben muß; aus diesem Grunde wird der wirksame Luftspalt im Folgenden auch als "Äquivalenter Luftspalt" bezeichnet, und zwar im Gegensatz zum tatsächlichen Luftspalt, wie er nach außen hin in Erscheinung tritt. Für die folgende Beschreibung wird ein Stator 15 vorausgesetzt, welcher aus untereinander identischen Blechen geschichtet ist. Auch hier ergeben sich noch Unterschiede zwischen dem tatsächlichen Verlauf des Luft-paltes und dem Verlauf des wirksamen oder "äquivalenten Luftspaltes" , und zwar vorwiegend durch die Flußverteilung im Statoreisen. Durch Oberflächengestaltung des Statoreisens kann aber stets die gewünschte Induktionsverteilung im Luftspalt erreicht, quasi (in Verbindung mit dem Permanentmagneten) eingestellt werden.

Fig.2 zeigt eine Abwicklung des oberen Luftspaltes 26, welcher punktsymmetrisch zum unteren Luftspalt 27 verläuft. In Fig.2 ist oben der Rotor 11 und urten der Stator 15 dargestellt, also ein Polbogen von 18o° elektrisch. Ausgehend von Anfang 34 der Fläche 18 nimmt der tatsächliche Luftspalt 26 über einem ersten Winkel delta (z.B. Io - 15° elektrisch) monoton bis zu einer Stelle 3o zu, an welcher der Maximalwert d₂ des Luftspalts 26 erreicht wird. Von da an nimmt der tatsächliche Luftspalt 26 Über einem zweiten Winkelbereich beta (z.B. 8o - 17o° elektrisch)

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monoton ab bis etwa zum Beginn 35 der Fläche 19, wo der Minimalwert d, des tatsächlichen Luftspalts 26 erreicht wird. Von hier aus nimmt der an den Luftspalt 26 anschließende Luftspalt 27 I wieder monoton bis zur nächsten Stelle 3o' hin zu.

Die motorisch aktiven Leiter 29 der Statorwicklung liegen im allgemeinen Fall vorteilhafterweise symmetrisch zur Mitte 33, 33' der den Luftspalt in Drehrichtung des Rotors erweiternden Flächen 18, 19, wie in den Figuren 1-3 gezeichnet.

Zweckmässig legt man den Hai 1 generator 25 auch etwa in die Mitte dieses Winkels delta oder um η · 18o° elektrisch gegenüber dieser Mitte versetzt, wobei η = I₁ 2, .... etc.

Fig. 4 zeigt den fertigungstechnisch vorteilhaften Fall, daß die Statorleiter in die "Senke" im Bereich 3o des max.Luftspalts ay liegen. Das ist bei trapezförmiger Magnetisierung realisierbar, wenn das Verhältnis O /Ä klein genug ist, d.h. wenn die Pollücke schmal genug ist. Dann ist nämlich die Erregungsmitte umfangsmäßig nur unwesentlich aus der Mitte 33, 33' versetzt.

Die Figuren 1-3 zeigen übereinstimmend den Rotor 11 in seiner stabilen Ruhestellung, in der die beiden Polmitten des Rotors jeweils Gebieten kleinen Luftspalts gegenüberliegen und die Lage der Pollücken 12, 13 etwa mit den StelTen 3o größten Luftspalts Übereinstimmt, da in dieser Lage der magnetische Widerstand des Luftspalts insgesamt am geringsten ist.

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Verdreht man den Rotor 11 um den Winkel beta in Drehrichtung 1 aus dieser stabilen Ruhelage, so muß man hierzu dem Rotor 11 von außen Energie zuführen, da sich der magnetische Widerstand im Luftspalt vergrößert, oder anders gesagt, der Rotor 11 wird durch ein.Reluktanzmoment gebremst. Im Betrieb wird diese Energie durch den Strom in der Wicklung 20 oder 21 zugeführt.

Nach Verdrehung um den Winkel beta erreicht der Rotor 11 die Lage nach Fig. 4, in der seine Pollücken 12 und 13 sozusagen auf den Stellen 34, 35 kleinsten äquivalenten Luftspalts reiten. In dieser Lage ist der magnetische Widerstand im Luftspalt am größten, d. h., hier ist die größte magnetische Energie im Motor gespeichert, und der Rotor 11 hat in dieser instabilen oder labilen Lage das Bestreben, sich in der einen oder der anderen Richtung so weit zu drehen, bis er wieder eine der beiden möglichen stabilen Lagen erreicht. Wird der Rotor 11 z. B. in Richtung des Pfeiles 14 weitergedreht, so gibt er auch ohne Zufuhr elektrischen Stromes ein Drehmoment ab, das bei geeigneter gleichmäßiger Ausbildung der Zunahme des äquivalenten Luftspalts eine praktisch konstante Amplitude hat.

Man erkennt also, daß ein bremsendes Reluktanzmoment etwa im Winkelbereich beta vorhanden ist, in welchem die Pollücken 12, 13 über Gebiete abnehmenden äquivalenten Luftspalts hirweglau- ,· f j fen, und daß ein antreibendes Reluktanzmoment etwa im Winkelbereich delta vorhanden ist, in welchem die Pollücken 12, 13 über Gebiete zunehmenden äquivalenten Luftspalts hinweglaufen, .

Zum Steuern des Stromes in den Wicklungen 20 und 21 abhängig von der Lage der Pole des Rotors 11 dient der Hallgenerator 25, dessen einer Steueranschluß über einen Widerstand 36 mit dem Pluspol 22 verbunden ist, während sein anderer Steueranschluß mit einer Minusleitung 37 einer Gleichspannungsquelle (z. S» 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 dea Transistors 39 mit dem Anschluß 23 der Wicklung 20 bzw. 21 verbunden i3t. Auf diese Weise wird bei,der Umdrehung des Rotors 11 beim Vorbeilaufen des Südpols (wie in Pig. 1 und 2 dargestellt) am Hallgenerator 25 praktisch während des gesamten, symbolisch grau dargestellten Winkelbereichs der Transistor .:. und damit die Wicklung ??. eingeschaltet, und ebenso wird beim Vorbeilaufeu des Nordpols praktisch während des gesamten, symbolisch schwarz dargestellten Winkelbereichs der Transistor und damit die Wicklung .?£ eingeschaltet. Der Strom in den Wicklungen 20 oder 21 ist also nur beim Vorbeilaufen der Pollücken bzw. 13 am Hallgenerator 25 völlig unterbrochen und nimmt dann entsprechend der Zunahme der Induktion bis zu einem praktisch konstanten Maximalwert zu, wie-das in Fig. 5b für die Ströme i^g und i,Q in den Transistoren 38 und 39 dargestellt ist. In Verbindung mit der im Bereich der Rotorpole gemäß Fig. 5a praktisch konstanten Induktion ergibt sich ein praktisch konstantes elektromagnetisches 4ntriebsmoment M-., wie es in Fig. 5e dargestellt ist. Dieses Moment hat nur relativ schmale Lücken 45. In diesen Lücken wird das antreibende Reluktanzmoment wirksam.

Fig. 5d zeigt den Verlauf des mit M,- bezeichneten Reluktanz-Mi t /?^ejmoments über einer Rotorumdrehung./46 ist die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte stabile Rotorstellung bezeichnet, und mit 47 die in Fig. 4 dargestellte labile Rotorstellung. In beiden Fällen durchläuft das Reluktanzmoment den Wert 0. Man erkennt ferner den Bereich des mit 48 bezeichneten bremsenden Reluktanzmoments zwischen diesen Punkten 46 und 47, dessen Länge im wesentlichen durch den Winkel beta bestimmt ist, und den an den Punkt 47 anschließenden Bereich des mit 49 bezeichneten antreibenden Reluktanzmoments, dessen Länge im wesentlichen durch den Winkel delta bestimmt ist. An den Bereich 49 schließt sich wieder ein stabiler Punkt 50 und dann ein labiler Punkt 51 an, d. h., ein solcher Motor durchläuft pro Umdrehung zwei stabile und zwei labile

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Rotorstellungen. Sieht man von den Ummagnetisierungsverlusten im magnetischen Kreis eines solchen Motors ab, so muß die. zwischen den Pjnkten 46 und 47 gespeicherte magnetsche Energie, die durch ein Minuszeichen symbolisch gekennzeichnet ist, gleich groß sein wie die zwischen den Punkten 47 und 5o abgegebene, symbolisch mit einem Pluszeichen bezeichnete magnetische Energie, d.h. wenn z.B. der Winkel beta groß und der Winkel delta klein gewählt wird, hat der Bereich 48 des Reluktanzmoments einen kleinen und der Bereich 49 einen großt.i Absolutwert seiner Amplitude.

Fig. 5e zeigt die Oberlagerung der beiden Momente M -, und" M ,, welche zusammen ein praktisch konstantes Moment M _or an der (nicht dargestellten) Ausgangswelle des Motors Io ergeben. Um dies zu erreichen, müssen M , und M , wie dargestellt spiegelbildlich zu einer Geraden 52 verlaufen, welche 5o% von M entspricht. Naturgemäß lässt sich diese Bedingung in den seltensten Fällen genau erfüllen, doch hat es sich gezeigt, daß ma.n mi t Hi Ife der. Erfindung ein Ausgangsmoment erhalten kann, das einen noch gleichförmigeren Verlauf hat, dessen Belastungsunabhängigkeit größer ist als bei Anwesenheit von Statcrnuten. Der Wert dieses Moments ist zwar sozusagen 1n den Motor einprogrammiert, d.h. ein solcher Motor muß an uen jeweiligen Anwendungsfall und das dort verlangte Moment ungefähr angepaßt sein, wenn man optimale Ergebnisse erzielen will. Die Erfindung ermöglicht aber eine größere Anwendungsbreite.

Nach der Lehre der vorliegenden Erfindung kann man naturgemäß ebenso einen Innenläufermotor ausbilden, wobei dann Stator und Rotor if; der Abwicklung dasselbe Bild ergeben, wie es in Fig.2 dargestellt ist. Innenläufermotoren dieser Art sind in den deutschen Offenlegungsschrifttn 22 25 442 und 23 14 259 dargestellt, weshalb eine gesonderte Darstellung in der /orliegenden Anmeldung nicht erforderlich erscheint.

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Claims (6)

Papst-Motoren KG -9- 13.5.1977 St.Georgen/Schw. DT-191G Schutz - Ansprüche

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit zylindrischem Luftspalt (Innen-oder Außenläufermotor) und*mit einem permanentmagnetischen Rotor, welcher Motor eine im Betrieb ein Lücken aufweisendes elektromagnetisches Antriebsmoment erzeugende Wicklung und Mittel zum Speichern von magnetischer Energie zur Oberwindung dieser Momentenllicken aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß bei einem Motor der Winkel bereich der Rotordrehung, in dem der Rotor (11) im Betrieb ein elektromagnetisches Antriebsmoment (M ,) erfährt, etwa mit dem Winkelbereich (beta) zusammenfällt, in dem die Pol Tücken (12, 13) im Betrieb ein Gebiet in Drehrichcung abnehmenden Luftspalts (26, 27) durchlaufen, und daß der Winkel bereich der Rotordrehung, in dem der Rotor (11) im Betrieb kein elektromagnetisches Antriebsmoment erfährt, etwa mit dem WJnkelbereich (delta) zusammenfällt, in dem die Poll.ücken (12, 13) im Betrieb ein Gebiet in Drehrichtung zunehmenden äquivalenten Luftspalts (32, 33) durchlaufen und wobei die motorisch aktiven Statorwicklungsleiter (29) im Luftspalt^nd zwar etwa im Gebiet des zunehmenden Luftspalts (Winkelbereich cf ) angeordnet sind.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pro Pol konzentrierte Anordnung der Statorwicklungsleiter so ist, daß ihre Durchflutung etwa symmetrisch im Gebiet ο des zunehmenden Luftspaics liegt.

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3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Rotormagn .tpole jeweils eine etwa trapezförmige Magnetisierung (Fig.5a) mit schmalen Lücken (12, 13) zwischen den Polen aufweisen und daß die pro Pol konzentrierten Statorwicklungsleiter umfangmäßig im Bereich des größten Luftspalts (d2) , insbesondere im Gebiet zunehmenden Luftspalts (Winkelbereich<f) angeordnet sind.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb an den Stellen, an denen die Pollücken den Stellen größten Luftspalts gegenüberliegen, der Motorstrom (Fig.5b) jeweils größer als Null ist.

5. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebiete (Winkelbereich delta) in Drehrichtung zunehmenden äquivalenten Luftspalts (32, 33) etwa symmetrisch zur Lage des Kommutierglieds, z.B. eines Halbleiter-Kommutierglieds nach Art eines Hall-Generators (25), und zu den von dieser Winkellage um η . 18o° elektrisch entfernten Stellen verlaufen, wobei η = 1, 2, ....

6. Motor nach einem der Ansprüche 2, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung sinusförmig ist.