DE8015057U1 - Kollektorloser gleichstromaussenlaeufermotor - Google Patents

Description

Kollektor loser Gleichstromaußenläuferrnotor

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstromaußenläufermotor mit im wesentlichen zylindrischem Luftspalt, insbesondere zum Antrieb von Magnetplattenspeichern, mit einem mindestens vierpoligen, permanentmagnetischen Rotor und einem ringförmigen, genuteten Stator, in dessen Nuten eine dreisträngige Statorwicklung eingelegt ist, deren Spulen mittels einer elektronischen Kommutierungseinrichtung in Abhängigkeit von der Rotorstellung in zyklischer Folge mit Strom beaufschlagbar sind.

Bei bekannten, im Handel befindlichen Motoren dieser Art (z.B. Sextant Brushless DC Disc Drive Spindle Model 4700 der Rotron Inc., Woodstock, N.Y., V.St.A.) ist das Statorblechpaket bei vierpolig ausgeführtem Rotor mit zwölf Nuten versehen, in die die Statorwicklung in Form von Durchmesserspulen, d.h. Spulen mit einer Ausdehnung von 180° ,,

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eingelegt ist. Je Strang sind dabei vier Spulen vorhanden. Diese Spulen sind um 30° physikalisch gegeneinander versetzt. Die Rotorpolbreite beträgt 120°^. Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Ausführungsform besteht darin, daß die die Statorwicklung bildenden Durchmesserspulen einander mehrfach überlappen. Dadurch entsteht zwangsläufig ein langer, hoher Wickelkopf. Der Gesamtwicklungswiderstand wird relativ groß. Die Motorkonstante

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wobei Kp das Verhältnis von induzierter Spannung zu der Kreisfrequenz des Rotors und

R der Wicklungswiderstand ist,

wird klein. Es läßt sich nur ein relativ schlechter Motorwirkungsgrad erzielen. Bei höheren Motorspannungen können wegen der Überlappung von Wicklungsteilen Isolationsprobleme auftreten. Die sich überlappenden Wicklungen bringen auch fertigungstechnische Nachteile mit sich. Die Wicklungsausbildung ist kompliziert. Es können in umständlicher Weise Nutverschlüsse notwendig werden. Damit die Einzelspulen einander überlappen können, sind tiefe Nuten er-

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forderlich. Die Nuten sind nur schlecht mit Kupfer zu füllen. Der für Lagerungszwecke nutzbare Statorinnendurchmesser wird vergleichsweise klein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor der oben genannten Art so auszubilden, daß bei vereinfachter Herstellungsweise ein Motor mit kurzem, niedrigem Wickelkopf und verbessertem Wirkungsgrad geschaffen

werden kann, der gleichzeitig eine solide Lagerung aufweist.

Ausgehend von einem Motor der eingangs definierten Art ₍

ι wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß |

das Statorblechpaket mit drei Nuten je Rotorpolpaar versehen ist, in welche als Statorwicklung 120 ^-gesshnte X

Spulen überlappungsfrei eingelegt sind. Bei vierpoliger ;j|

■j Ausbildung werden auf diese Weise sechs Statornuten er- j

halten. Jeder der Statorpole wird von einer der sechs I

Statorspulen umfaßt, die physikalisch um jeweils 60 ge- j

geneinander versetzt sind. Der erfindungsgemäße Aufbau erlaubt die Erzielung von kürzestmöglichen Wickelköpfen. Dem kommt bei Motoren mit axial kurzem Statorblechpaket besondere Bedeutung zu, weil in diesem Fall die Wickelkopflänge einen wesentlichen Prozentsatz der axialen Gesamtlänge des Stators ausmacht. Die kurzen Wickelköpfe führen außerdem zu einem niedrigen Wicklungswiderstand. Die Motorkonstante K.. ist wesentlich erhöht. Die einan-

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der nicht überlappenden Spulen lassen sich einfach und problemlos in die Statornuten einlegen. Nutverschlüsse werden in aller Regel überflüssig. Zusätzlich zu diesen fertigungstechnischen Vorteilen kommt, daß sich die Nuten sehr gut mit Kupfer füllen lassen.

Die Statorpole können vorteilhaft im Querschnitt im wesentlichen T-förmig gestaltet sein. Die Nutöffnungen zwischen den Statorpolschuhen können vorzugsweise zwischen 3° , und 30° , breit sein. Die Rotorpolbreite kann zweckmäßig zwischen 120° , und 180° , betragen. Die Rotorpole können einfach von einem einteiligen Dauermagnetring oder einem ringförmig gebogenen Dauermagnetband mit rechteck- oder trapezförmiger Radialmagnetisierung gebildet sein. Kunststoffgebundene Magnete oder sogenannte Gummimagnete, d.h. Mischungen aus Hartferriten und elastischem Material, sind dabei besonders geeignet. Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform können die Rotorpole von einer Folge von am Rotorinnenumfang gleichmäßig verteilten, radialmagnetisierten Magnetsegmenten, beispielsweise Keramikmagneten oder Magneten aus Samariumkobalt, gebildet sein.

Das Verhältnis zwischen der axialen Länge des Statoreisens und dem Luftspaltdurchmesser kann zweckmäßig gleich oder kleiner als 1 sein. Das Verhältnis zwischen Innen- und

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Außendurchmesser des ringförmigen Stators kann im Interesse der Bereitstellung von Raum für die Rotorlagerung vorteilhaft gleich oder größer als 0,4 sein.

Wenn die Rotorpolbreite gleich oder nahezu gleich 180 , ist, kann die Kommutierungseinrichtung im direkten Feld des Rotormagneten angeordnete, magnetfeldempfindliche (galvanomagnetische) Rotorstellungssensoren aufweisen, beispielsweise Hallgeneratoren, Feldplatten, Magnetdioden und dergleichen. Als Rotorstellungssensoren können insbesondere bistabil schaltende HaIl-ICs vorgesehen sein.

Zwecks Verbesserung der Kommutierung kann die Kommutierungseinrichtung Mittel für eine vorzeitige Kommutierung aufweisen, wie dies an sich bekannt ist (DE-OS 28 04 787).

.^ , „die beabsichtigte Stromänderung „ _x. . Damit lößt sich bei der Kommutierung beschleunigen, um auf diese Weise die verzögernde Wirkung der Induktivität der Motorwicklung

zu kompensieren. Dem kommt insbesondere bei höherer Drehzahl und Drehmomentbelastung Bedeutung zu.

Des weiteren kann die Umfangsform des Stators in gleichfalls an sich bekannter Weise (DE-PS 23 46 380 und DE-OS 28 35 210) zur Erzeugung eines Reluktanzmoments ausgebildet sein, welches zu dem im Betrieb erzeugten elektromog-

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netischen Antriebsmoment etwa komplementär verläuft. Obwohl dieses Reluktanzmoment für den mit mindestens vier Rotorpolen und dreisträngiger Statorwicklung ausgestatteten Motor nicht erforderlich ist, ist eine solche Ausbildung im Hinblick auf die Lagerhaltung beim Motorhersteller von Vorteil, weil dann der gleiche Blechschnitt auch zum Aufbau eines sechspoligen, zweipulsigen, einsträngigen Motors herangezogen werden kann.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf die

wesentlichen Teile von Rotor und Stator eines erfindungsgemäß ausgebildeten kollektorlosen Gleichstromaußenläufermotors,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch

einen Motor entsprechend Fig. 1,

Fig. 3 eine Schemadarstellung des Motors nach

den Fign. 1 und 2 mit zugehöriger elektronischer Kommutierungseinrichtung, und

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Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf

einen Statorpol entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist das Statorblechpoket eines dreisträngigen \

kollektorlosen Gleichstromaußenläufermotors mit 10 be- |

zeichnet. Das Statorblechpaket bildet sechs Statorpole 11, die im Querschnitt im wesentlichen T-förmig gestaltet sind. Die Polschuhe 12 der Statorpole bestimmen zusammen mit ei- _; nem Dauermagnetring 13 einen im wesentlichen zylindrischen : Luftspalt 14. Der Dauermagnetring 13 ist in der angedeuteten Weise vierpolig radial magnetisiert, d.h. an der dem Luftspalt 14 zugewendeten Innenseite des Dauermagnetrings 13 befinden sich in wechselnder Folge zwei magnetische Nord- und zwei magnetische Südpole 15 bzw. 16. Die Pole 15, 16 haben im dargestellten Ausführungsbeispiel eine \

Breite von im wesentlichen 180 , (entsprechend 90 physi- :

kaiisch). Es wird auf diese Weise in Umfangsriehtung des f annähernd ';

Luftspalts 14 eineiarechteckige oder trapezförmige Magneti- | sierung erhalten. Der Dauermagnetring 13 ist in einer den .'

magnetischen Rückschluß bildenden Außenläuferglocke 17 an- |

gebracht, z.B. in diese Glocke eingeklebt. Bei dem Dauer- ■:■

magnetring 13 kann es sich insbesondere um einen Gummi- /

magneten oder einen kunststoffgebundenen Magneten han- l·

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dein. An Stelle eines einteiligen Dauermagnetrings 13 können in die Glocke 17 auch schalenförmige Magnetsegmente eingeklebt oder dort auf andere Weise festgelegt sein. Während sich im dargestellten Ausführungsbeispiel jeder der Pole 15, 16 über 180"°_el erstreckt, kann auch mit schmaleren Polen gearbeitet werden. Im Interesse hoher Motorleistung soll die Rotorpolbreite aber mindestens 120° , betragen.

Die Statorpole 11 begrenzen insgesamt sechs Statornuten 20. In diese Nuten ist eine dreisträngige Statorwicklung eingelegt. Jeder der drei Stränge umfaßt dabei zwei 120°_el-gesehnte Spulen 21, 22; 23, 24 und 25, 26, von denen jede jeweils einen der Statorpole 11 umgreift. Wie die schematische Darstellung der Fig. 1 erkennen läßt, wird jede Überlappung zwischen den Spulen 21 bis 26 vermieden. Es werden auf diese Weise besonders kurze Wickelköpfe 27 (Fig. 2) erhalten. Die Nutöffnungen 28 können zwischen 3? , und 30° ^ breit sein. Bei der vorgesehenen Ausgestaltung der Statorwicklungen lassen sich die Nuten 20 hervorragend füllen. Verschlüsse für die Nutöffnungen 28 sind in aller Regel nicht notwendig.

Der vorliegende Motoraufbau gestattet die Erzielung eines relativ großen Statorinnenlochs 29, weil die Tiefe der

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Statornuten 20 vergleichsweise gering gehalten werden kann, Es lassen sich ohne weiteres Verhältnisse zwischen dem Durchmesser des Innenlochs 29 und dem Statoraußendurchmesser im Bereich der Polschuhe 12 von mehr als etwa 0,4 erzielen. Dem kommt besondere Bedeutung im Hinblick auf eine stabile Lagerung des Rotors zu. Eine solche Lagerung ist beispielsweise im Falle von Antrieben für Magnetplattenspeicher von hervorragender Bedeutung.

Zur Lagerung kann in der in Fig. 2 skizzierten Weise in der Mitte der Außenläuferglocke 17 eine Stummelwelle 32 befestigt sein, die über Kugellager 33 in einer Hülse 34 abgestützt ist, welche das Statorblechpaket 10 trägt und auf einer Statorgrundplatte 35 befestigt ist.

Die elektronische Kommutierungseinrichtung kann in an sich bekannter Weise aufgebaut sein. Insbesondere können die von den Spulen 21, 22; 23, 24 und 25, 26 gebildeten Wicklungsstränge aus einer Dreiphasen-Endstufe 40 gespeist sein, die vorzugsweise als Vollbrückenschaltung ausgebildet ist. Die Dreiphasen-Endstufe 40 wird mit Endstufensteuersignalen von einer Dekodierlogik 41 beaufschlagt, die zweckmäßig so ausgelegt sein kann, daß die Wicklungsstränge alternierend über einen Drehwinkel des Rotors von jeweils 120° . eingeschaltet und anschließend für einen

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Drehwinkel von 60° , ausgeschaltet werden. Durch die 120° ,-Sehnung der Spulen 21 bis 26 wird in der erwünschten Weise die dritte Oberschwingung in den Strangspannungen unterdrückt. Die induzierten Spannungen sind dabei so geformt und verteilt, daß die Addition aller drei Strangspannungen stets den Wert Null ergibt. Dies erlaubt es, die Wicklung, falls erwünscht, im Dreieck zu verschalten, ohne daß innerhalb des Motors Ausgleichströme fließen, die zu Ruckmomenten Anlaß geben könnten. Infolge der vier- oder höherpoligen Ausbildung des Rotors wirkt auf den Rotor stets ein bezüglich der Drehachse symmetrisches Kräftepaar ein. Dadurch werden unsymmetrische Radialkräfte auf die Welle 32 und deren Lagerung vermieden.

Die Ansteuerung der Dekodierlogik 41 erfolgt über drei Magnetfeldsensoren 42, 43, 44, die in Fig. 1 schematisch angedeutet sind. Bei den Magnetfeldsensoren kann es sich insbesondere um Hallgeneratoren, Feldplatten, Magnetdioden und dergleichen handeln. Besonders vorteilhaft sind bistabil schaltende HaIl-ICs. Die Anwendung von 180 , breiten Rotorpolen 15, 16 gestattet es, als Steuermagneten für die Magnetfeldsensoren 42, 43, 44 unmittelbar den Hauptmagneten, d.h. den Dauermagnetring 13, zu verwenden. Die Anordnung kommt damit ohne gesonderten Steuermagneten für die Magnetfeldsensoren aus. Es versteht sich, daß grundsätzlich

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aber auch mit beliebigen anderen Drehstellungsdetektoren, beispielsweise optischen Detektoren, gearbeitet werden kann.

Die Rotorstellungsdetektoren können zweckmäßig so angeordnet sein, daß in an sich bekannter Weise (DE-OS 28 04 787) für eine vorzeitige Kommutierung gesorgt wird. Für diesen Zweck können die Magnetfeldsensoren 42, 43, 44 von der Mitte einer Pollücke des Stators aus in Drehrichtung des Rotors gesehen versetzt sein. Dadurch läßt sich die bezüglich des Stromanstiegs in den Motorwicklungssträngen verzögernde Wirkung der Induktivität der Motorwicklung kompensieren.

Mit den Magnetfeldsensoren 42, 43, 44 der Dreiphasen-Endstufe 40 und der Dekodierlogik 41 ist zweckmäßig ein Drehzahlregler 45 verbunden, um die Rotordrehzahl auf einen gegebenenfalls einstellbaren Sollwert zu regeln.

Die geschilderte Außenläuferausbildung hat den Vorteil, daß die Stromwege in der Wicklung kurz werden. Dafür sind zwar die Wege des Magnetfeldes relativ lang. Dadurch entstehen jedoch weder nennenswerte Energieverluste noch erhöhte Fertigungskosten.

Der beschriebene Motor eignet sich insbesondere für Magnetplattenspeicher, weil bei diesen eine aufwendige, stabile und damit vergleichsweise viel Platz beanspruchende Lagerung notwendig ist. Dieser Platz steht vorliegend in Form des Statorinnenloches 29 ohne weiteres zur Verfügung.

Gemäß Fig. 4 können die Polschuhe 12 im Bereich ihres Aussenumfangs derart asymmetrisch gestaltet sein, daß der Luftspalt von einer Nut ausgehend während etwa 10 physikalischen Graden bis zu einem Maximum kontinuierlich zunimmt, während der dann folgenden 60 bis 70° bis zu einem Minimum kontinuierlich abnimmt und anschließend bis zur nächsten Nut hin wieder leicht zunimmt, wie dies im einzelnen in der DE-PS 23 46 380 dargestellt und erläutert ist. Alle Statorpole sind identisch ausgebildet. Durch die erwähnte Formgebung entsteht im Betrieb ein Reluktanzmoment, das zu dem elektromagnetisch erzeugten Drehmoment etwa komplementär verläuft. Das Reluktanzmoment ist für den Betrieb eines dreisträngigen Motors nicht erforderlich, beeinträchtigt einen solchen Motor aber auch nicht. Die Verwendung eines derartigen Blechschnitts hat den Vorteil, daß unter Anwendung des gleichen Schnittes wahlweise auch ein sechspoliger, zweipulsiger, einsträngiger Motor auf besonders wirtschaftliche Weise aufgebaut werden kann.

Claims (1)

1. Papst-Motoren KG 4.6.198o

   7742 St.Georgen/Schwarzwald DT-262

   Ansprüche

   1. Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor mit im wesentlichen zylindrischem Luftspalt, insbesondere zum Antrieb von Magnetplattenspeichern, mit einem mindestens vierpoligen, permanentmagnetischen Rotor und einem ringförmigen, genuteten Stator, in dessen Nuten eine dreisträngige Statorwicklung eingelegt ist, deren Spulen mittels einer elektronischen Kommutierungseinrichtung in Abhängigkeit von der Rotorstellung in zyklischer Folge mit Strom beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorblechpaket (10) mit drei Nuten (20) je Rotorpolpaar versehen ist, in welche als Statorwicklung 120°_gl-gesehnte Spulen (21 bis 26) überlappungsfrei eingelegt sind.

   2. Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole (11) im Querschnitt im wesentlichen T-förmig gestaltet sind.

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   3. Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutöffnungen (28) zwischen den Statorpolschuhen (12) zwischen 3° , und 3o° ι breit sind.

   4. Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor nach einem

   der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

   wenigstens angenähert max.

   daß die Rotorpolbreite zwischen^l20°_el undtfl80 _el beträgt.

   5. Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorpole (15, 16) von einem einteiligen Dauermagnetring (13) oder einem ringförmig gebogenen Dauerannähernd

   magnetband mitVrechteck- oder trapezförmiger Radialmagnetisierung gebildet sind.

   6. Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorpole (15, 16) von einer Folge von am Rotorinnenumfang gleichmäßig verteilten, radial magnetisierten Magnet Segmenten gebildet sind.

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   4.6.8ο DT-262

   Kollektor loser Gleichstromaußenläufermotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

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   daß das Verhältnis zwischen der axialen Länge des Sta-

   L D

   toreisens und dem Luftspaltdurchmesser gleich oder kleiner als 1 ist.

   8. Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Innen- und Außendurchmesser des ringförmigen Stators gleich oder größer als 0,4 ist.

   9. Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung (40 bis 44) im direkten Feld des Rotormagneten (13) angeordnete, magnetfeldempfindliche Rotorstellungssensoren (42, 43, 44) aufweist.

   10. Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Rotorstellungssensoren (42, 43, 44) bistabil schaltende HaIl-ICs vorgesehen sind.

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   DT-262

   11. Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung (40 bis 44) Mittel für eine vorzeitige Kommutierung aufweist.

   12. Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor nach einem

   2-1o
   der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsform des Stators zur Erzeugung eines Reluktanzmoments ausgebildet ist, welches zu dem im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Antriebsmoment etwa gegenphasig verläuft.

   13. Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in je einem Zahnkopf am Luftspalt jeweils mindestens eine im Vergleich zu den Hauptnuten kleine, halb-oder ganz offene Hilfsnut (115) zur Aufnahme einer tachogenerato· rischen Wicklung zur Auskopplung einer Oberwelle der induzierten Spannung vorgesehen ist.