DE8901246U1

DE8901246U1 - Bürstenloser Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE8901246U1
Application number: DE8901246U
Authority: DE
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric SA
Priority date: 1988-02-05
Filing date: 1989-02-04
Publication date: 1989-06-15
Also published as: JPH023180U; GB2215527A; GB8802601D0; US5097170A; CN2054230U; GB8902007D0

Description

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Für die vorliegende Anmeldung wird die Priorität der britischen Anmeldung GB8802601 vom 5. Februar 1988 in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor für den Antrieb viskoser Lasten.

Bürstenlose Motoren werden häufig vorgezogen, weil sie geräuschärmer sind als Kommutatormotoren. Allerdings sind bürstenjose Motoren wegen ihrer elektronischen Bauteile teuerer.

Es ist bekannt, die Kosten für die Elektronik dadurch niedrig zu halten, daß der Motor mit einer Einphasenwicklung gebaut vird, die mittels bipolarer, durch einen oder zwei Sensoren ausgelöste Schalter abwechselnd in jeder Richtung erregt wird. Es sind auch Motorkonstruktionen mit einer Zweiphasenwicklung bekannt, bei welchen wiederum jede Wicklung in einer Richtung erregt wird. Die Schaltung erfolgt durch zwei einpolige Schalter, die durch einen oder zwei Sensoren ausgelöst werden.

Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung einen bürstenlosen Motor zur Verfügung zu stellen, bei dem die Kosten für die elektronischen Bauteile noch weiter gesenkt werden.

Erfindungsgemäß wird eine bürstenloser Gleichstrommotor für den Antrieb einer viskosen Last zur Verfügung gestellt, der folgende Elemente und Bauteile aufweist: einen Stator, einen Permanentmagnet-Rotor, eine Einphasenwicklung an dem Stator, eine Einrichtung zur Erfas-

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sung bzw. zum Nachweis der Position des Rotors relativ zum Stator, eine Einrichtung zur abwechselnden Erregung und Nichterregung der Einphasenwicklung in Abhängigkeit der Nachweis- bzw. Detektoreinrichtung und einen Permanentmagnet, der relativ zum Stator festgelegt und derart angeordnet ist, daß die magnetische Verbindung zwischen dem Permanentmagnet und dem Rotor des Permanentmagnets in einem WeIligkeits-Drehmoment resultiert, das in jedem Zyklus sowohl einen hohen als auch niedrigen Gradienten-Kreuzr:ngspunkt der NuI1-Drehmoment-Linie aufweist, wobei der hohe Gradienten-Kreuzungspunkt eine unstabile Ruheposition für derv Rotor schafft, in welcher die Wicklung bei Anschalten der Stromzufuhr zum Motor nicht erregt wird, und wobei der niedrige Gradienten-Kreuzungspunkt eine stabile Ruheposition für den Rotor schafft, in welcher die Wicklung erregt wird und ein Drehmoment entwickelt, v/enn die Stromzufuhr zum Motor angeschaltet wird.

ff Bei einem solchen Einphasen-Einpol-System sind nur ein

Detektor und ein Schalter erforderlich, um die elektro-

% nische Kommutation zu bewirken, und diese werden durch

;■■! ein einzige Hall-IC zur Verfügung gestellt.

Vorzugsweise sind die Pole des Permanentmagnet» in bezug

auf die Motorachse winkelförmig beabstandet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der

}. Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei

bung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnungen .

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Figur 1 ein perspektivisches Sprengbild des erfindungsgemMßen Elektromotors in einer bevorzugten m Ausführungsfoim;

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Figur 2 ein Blockschaubild des HaIl-ICs des Motors;

Figur 3 ein Diagramm, das die Kennlinie des Drehmomoments gegenüber der Winkelposition des Rotors zeigt.

In Figur 1 ist als Beispiel eines bürstenlosen Gleichstrommotors ein Motor mit einem axialen Luftspalt gezeigt, der einen Stator 10 und einen Rotor 11 aufweist. Der Stator 10 besitzt eines scheibenförmige Wicklungshalterung 12, die in charakteristischer Weise aus Kunststoff hergestellt ist, und eine Einphasen-Einpol-Wicklung 13, die an der Halterung 1? -sum Beispiel mit Hilfe von Klebstoff befestigt ist. Die Halterung 12 weist eine zentrale Öffnung 14 auf, in der ein Zapfenlager 15 montiert ist. Ein Positionsdetektor in Form eines HaIl-ICs 16 ist an der Halterung 12 befestigt.

Der Rotor 11 besitzt eine Welle 17, die in dem Lager 15 drehbar gelagert ist, und eine scheibenförmige Metallplatte 16, die vier segmentförmige Magnete 19 trägt. Die Magnete 19 sind an die Platte 18 geklebt, und benachbarte Magnete werden jeweils in entgegengesetzten Axialrichtungen magnetisiert. Als Alternative könnte ein geeignet magnetisierter ringförmiger Einzelmagnet verwendet werden.

Der Stator 10 und Rotor 11 sind in einer gezogenen flachen Metalldose 20 montiert, die an einem Ende durch eine integrale Endplatte 21 geschlossen ist, die eine Druckfläche für das kugelige Ende 22 der Rotorwelle bildet. Das andere Ende der Dose 20 ist mit einer Endkappe 23 aus Metall verschlossen.

Die Wicklung 13 erstreckt sich bzw. verläuft über dem Stator 10 und hat eine Symmetrieebene, die die Achse des Motors enthält, und einen Durchmesser D. Das Hall-IC 16 ist in einer Ebene montiert, die die Motorachse enthält und sich in einem Winkel von 45° zur Symmetrieebene der Wicklung befindet, so daß sie schaltet, wenn sich zwei der Magnete 19 zentral über der Wicklung 13 befinden.

Das Hall-IC ist ein charakteristischer Panasonic DN6838 Hall-IC-Schaltertyp und weist, wie in Figur 2 gezeigt, ein Halleffektelement 25, eine Verstärkerstufe 26, einen Schmitt-Trigger 27 und eine offene Kollektor-Ausgangsstufe 28 auf. Die Ausgangsstufe 28 weist eine Kollektorstrombemessung von 2OmA auf. Diese genügt, um den Motor unter viskosen Lasten, zum Beispiel bei Betrieb eines kleinen Ventilators, anzutreiben. Daher ist auch die Wicklung 13 an die Ausgangsstufe 28 angeschlossen, wodurch zusätzliche Verstärker, die die Kosten für den Motor erhöhen würden, entfallen können.

Die Wicklung 13 wird durch das Hall-IC 16 während alternierender Viertelumdrehungen des Motors erregt und erzeugt ein Drehmoment, wie dieses anhand der Kurve W in Figur 3 gezeigt ist.

Es ist wichtig sicherzustellen, daß der Rotor in der Null-Drehmoment-Position nie zur Rühe gelangt, da er anderenfalls nicht mehr starten würde.

Dies wird dadurch erreicht, daß ein kleiner Permanentmagnet 29 in einer Position relativ zur Statorwicklung angeordnet und so orientiert wird, daß die Magnetkupplung bzw. magnetische Verbindung zwischen dem Magnet

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29 und dem Permanentmagnet-Rotor eine stabile Ruheposition für den Rotor schafft, so daß bei Anschalten des Motors das Hall-IC 16 sich innerhalb eines magnetischen Feldes vom Motor befindet, das die erforderliche besondere Orientierung hat, um den AN-Zustand der Ausgangsstufe 28 zu bewirken und dadurch zu ermöglichen, daß elektrischer Strom in die Wicklung 13 gelangt, der sin Drehmoment entwickelt, das die Drehung des Rotor« bewirkt. Wie dargestellt, ist der Magnet 29 an der Wicklungshalterung 12 befestigt, wobei seine Pole in bezug auf die Motorachse winkelförmig beabstandet sind, so daß sie einen Fluß in Umfangsrichtung erzeugen. Wenn der Strom abgeschaltet wird, dreht sich der Rotor 11 i die Position einer winkelförmig ausgeglichenen magnetischen Spannung zwischen dem Magnet 29 und den Rotormagneten 19. Positionen einer winkelförmig ausgeglichenen Magnetspannung entstehen, wenn jeweils ein Paar benachbarter Rotormagneten 19 mit zwei Polen des Magnets 29 fluchtet. Eine solche Position ist eine unstabile Position, in der gleiche Pole fluchten. Der Rotor 11 kommt in dieser Position nicht zur Ruhe- Er kommt a+ets in der anderen Position zur Ruhe, in der ungleiche Pole fluchten. Folglich kann durch die geeignete Positionierung des Magnets 29 hinsichtlich der Wicklung 13 sichergestellt werden, daß der Rotor, wenn der Strom abgeschaltet wird, immer in eine Richtung gezwungen wird, in der die Wicklung erregt wird und ein Drehmoment entwickelt, wenn der Strom das nächste Mal angeschaltet wird.

Das bedeutet mit anderen Worten, daß die magnetische Kupplung bzw. Verbindung zwischen dem Magnet 29 und den Rotormagneten 19 in einem Welligkeits-Drehmoment resul-

tiert, das in jedem Zyklus sowohl einen hohen als auch niedrigen Gradienten-Kreuzungspunkt der Null-Drehmoment-Linie aufweist. Der hohe Gradienten-Kreuzungspunkt schafft eine unstabile Ruheposition, in der die Wicklung 13 nicht erregt ist, während eine stabile Ruheposition durch den niedriqen Gradienten-Kreuzungspunkt geschaffen wird, in der die Wicklung 13 bei Anschalten der Stromvorcnrminn 7.11m Mnt-nr e*rre*at wi &tgr;&tgr;&Aacgr;.

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Ideal ist ein sagezahnformiges Welligkeits-Drehmoment, wie zum Beispiel bei M in Figur 3 gezeigt ist, und dieses läßt sich bestimmen durch die geometrische Form des Rotormagnets bzw. der Rotormagnete, das heißt, indem man dafür sorgt, daß der(die) Rotormagnet(e) in Draufsicht eine Außenkante definieren, die leicht oval statt kreisförmig ist, oder indem das Magnetmuster in den (die) Rotormagnet(e) eingedrückt wird.

Das Welligkeits-Drehmoment geht in einem vollständigen Zyklus in Null auf, weshalb es sich weder zu dem von der Wicklung 13 entwickelten Drehmoment addiert noch von diesem subtrahiert. Seine Präsenz jedoch modifiziert die Wellenform des Phasendrehmoments, und die resultierende Drehmomentkurve ist bei R in Figur 3 gezeigt.

Es ist von Vorteil, dafür zu sorgen, daß der Motor in einer Position zur Ruhe kommt, die sicherstellt, daß er ausreichend beschleunigt, um ein Moment zu entwickeln, das ausreicht, um die negative Drehmomentperiode zu durchlaufen. Dies läßt sich erreichen durch die Anordnung des Magnets 29 derart, daß das Welligkeits-Drehmoment die Null-Linie an der stabilen Position bzw. Stelle kreuzt, wobei durch das elektrische Feld, wie in Figur 3 gezeigt, eine Führung bzw. ein Vorsprung auf dem Spitzendrehmoment von 30 elektrischen Graden entwickelt wird.

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Der Wert des Welligkeitsdrehmoments kann so niedrig bemessen werden, daß er lediglich sicherstellt, da£ ein
abgeschalteter Rotor in eine geeignete Startposition gedreht wird.

Wie in den Figuren dargestellt, ist der Magnet 29 an '

der Wicklungshalterung 12 an der Innenseite der Wicklung ■

13 montiert. Jedoch kann der Magnet 29 auch in jeder an- 4

deren geeigneten Position montiert werden, zum Beispiel s|

an der Wicklungshalterung 12 außerhalb der Wicklung 13 %

oder in einem Käfig an der Außenfläche der Dose 20. |i

Die vorliegende Erfindung wurde anhand einer bevorzugten J Ausführungsform beschrieben. Es sind jedoch verschiede- ? ne Abwandlungen möglich, ohne vom Rahmen der Erfindung §

in

abzuweichen, der in den Ansprüchen wiedergegeben ist. t'

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Claims

JOHNSON ELECTRIC S.A. 125 Rue de Progres La Chaux de Fonds Schweiz F 13.692-G-DE BÜRSTENLOSER GLEICHSTROMMOTOR Ansprüche

1. Bürstenloser Gleichstrommotor für den Antrieb einer viskosen Last, gekennzeichnet durch einen Stator (10), einen Permanentmagnet-Rotor (11), eine Einphasenwicklung (13) an dem Stator (10), einen Detektor (16) für den Nachweis der Position des Rotors (11) relativ zum Stator (10), eine Einrichtung (16) für die alternierende Erregung und Nichterregung der Einphasenwicklung (13) in Abhängigkeit von dem Detektor (16) und einen Permanentmagnet (29), der relativ zum Stator (10) festgelegt und so angeordnet ist, daß die Magnetkupplung bzw. magnetische Verbindung zwischen dem Permanentmagnet (29) und dem Permanentmagnet-Rotor (11) in einem Welligkeits-Drehmoment (Figur 3) resultiert, daß in jedem Zyklus sowohl einen hohen als auch niedrigen Gradienten-Kreuzungspunkt der Null-Drehmoment-Linie aufweist, wobei der hohe Gradienten-Kreuzungspunkt eine unstabile Ruheposition für den Rotor schafft, in der die Wicklung bei Anschalten der Stromzufuhr zum Motor nicht erregt wird, und wobei der niedrige Gradienten-Kreuzungspunkt eine stabile Ruheposition für den Rotor schafft, in der die Wicklung bei Anschalten des Motors erregt wird und ein Drehmoment entwickelt.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole des Permanentmagnets in bezug auf die Motorachse winkelförmig beabstandet sind.

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3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (16) ein Hall-IC aufweist.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hall-IC bzw. die integrierte Hall-Schaltung (16) auch die Einrichtung zur Erregung und Nichterregung der Einphasenwicklung bildet.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das während der Drehung des Rotors durch die magnetische Verbindung zwischen dem Permanentmagnet und dem Permanenmagnet-Rotor erzeugte Welligkeits-Drehmoment sägezahnförmig ist.

6. Motor nuch einem der Ansprüche 1 bis 5, g e kennzeichnet durch einen axialen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a durch gekennzeichnet, daß die Einphasenwicklung (13) in bezug auf die Motorachse symmetrisch angeordnet ist.

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