NL8502365A

NL8502365A - IRONLESS COLORLESS HIGH SPEED DC MOTOR.

Info

Publication number: NL8502365A
Application number: NL8502365A
Authority: NL
Original assignee: Pfeiffer Vakuumtechnik
Priority date: 1984-09-07
Filing date: 1985-08-28
Publication date: 1986-04-01
Also published as: GB8521927D0; BE903149A; GB2164211B; CH670339A5; GB2164211A; JPS6166558A; IT1200724B; DE3432946A1; IT8521993A0; DE3432946C2; FR2570229A1

Description

IJzerloze, kollektorloze gelijkstroommotor voor hoge toerentallen.Ironless, collectorless DC motor for high speeds.

« 1 N.0. 33.332 1«1 N.0. 33,332 1

De uitvinding heeft betrekking op een kollektorloze gelijkstroom-5 motor voor hoge toerentallen volgens de inleiding van conclusie 1, voor het aandrijven van bijvoorbeeld turbomoleculairpompen, gyroscopen, spin-of sleepassen, in het bijzonder van magnetisch gelagerde rotoren.The invention relates to a high-speed collectorless DC-5 motor according to the preamble of claim 1, for driving, for example, turbo molecular pumps, gyroscopes, spin or trailing axes, in particular magnetically mounted rotors.

Het overwegende aantal snellopende machines wordt tegenwoordig met draaistroommotoren aangedreven. Het nadeel van deze motoren is het afne-10 mende rendement met toenemende luchtspleet tussen rotor en stator door de toenemende magnetiseringsstroom. Kollektorloze gelijkstroommotoren met een gewikkelde plaatmetaaistator en roterende permanent-magnetische rotor bezitten weliswaar dit nadeel niet, maar oefenen radiale aantrek-krachten tussen rotor en stator uit, die in geval van een radiaal mag-15 neetlager door extra lagerkrachten moeten worden gekompenseerd. Uit de Duitse octrooiaanvrage P 33 02 839 is een motor bekend die dit nadeel niet bezit en waarin een ijzerloze wikkeling in een meerpolige gemagnetiseerde luchtspleet steekt. Tweepolige inrichtingen zijn met behulp van deze konstruktiewijze moeilijk te verwezenlijken, omdat voor de wikkel-20 koppen geen ruimte aanwezig is. Vierpolige inrichtingen benodigen voor het aandrijven van de dubbele loopfrequentie, wat tot hogere omschakel-verliezen in het voedingstoestel en hogere wervelstroomverliezen in de draden van de wikkeling leidt. Bovendien is de vervaardiging van een dergelijke wikkeling zeer gekompliceerd en vereist deze een grote lucht-25 spleet.The majority of high-speed machines are currently powered by three-phase motors. The drawback of these motors is the decreasing efficiency with increasing air gap between rotor and stator due to the increasing magnetizing current. Collectorless DC motors with a wound sheet metal stator and rotating permanent-magnetic rotor do not have this drawback, but exert radial attractive forces between rotor and stator, which in the case of a radial magnet bearing must be compensated by additional bearing forces. German patent application P 33 02 839 discloses a motor which does not have this drawback and in which an ironless winding protrudes into a multipole magnetized air gap. Bipolar devices are difficult to realize with the aid of this construction method, because there is no space for the wrapping heads. Four-pole devices require driving the double running frequency, which leads to higher switching losses in the power supply unit and higher eddy current losses in the wires of the winding. Moreover, the manufacture of such a winding is very complicated and requires a large air gap.

Verder zijn borstel-gekommuteerde gelijkstroommotoren met ijzerloze schuine wikkelingen bekend, zoals beschreven door Faulhaber (Fritz Faul-haber: Einfache Berechnungsgrundlagen fiir rasch anlaufende Gleichstrom-Stellmotoren, VDI-Z, Bd. 107, Nr. 4, blz. 149-152). Deze motoren zijn 30 weliswaar radiaalkrachtvrij, maar vanwege de kommutator niet in vakuum of voor zeer hoge toerentallen geschikt.Furthermore, brush-commutated DC motors with ironless oblique windings are known, as described by Faulhaber (Fritz Faul-haber: Einfache Berechnungsgrundlagen fiir rasch anlaufende Gleichstrom-Stellmotoren, VDI-Z, Bd. 107, No. 149-152). Although these motors are free of radial force, they are not suitable in vacuum or for very high speeds because of the commutator.

Het doel van de uitvinding is een motor te verschaffen, die de bovenvermelde nadelen vermijdt en in het bijzonder bij kleine luchtspleet met een eenvoudige stabiële wikkeling zonder wikkelkop een 35 radiaalkrachtvrije aandrijving van een as met geringe verliezen mogelijk maakt.'The object of the invention is to provide a motor which avoids the above-mentioned drawbacks and, in particular with a small air gap with a simple stable winding without a winding head, enables a radial force-free drive of a shaft with low losses.

De oplossing hiervan volgt door een inrichting zoals deze in het kenmerk van conclusie 1 wordt beschreven. Door de uitvoering volgens de uitvinding van de diagonaalwikkeling in vier deelwikkelingen, waarvan de 40 aanvangen alle met een pool en waarvan de einden via vier stuurbare *522365 < i*\ if 2 elektrische schakelelementen met de andere pool van de bedrijfsspan-ningsbron zijn verbonden, is een toepassing van in de handel normaal verkrijgbare gelijkstroomaandrijftoestellen mogelijk (bedrijfsaanwijzing voor turbomolekulairpompen TPH 170, TPU 170 en aandrijf-elektroniek TCP 5 300, Nr. PM 800 093 BD, E, F, van de firma Arthur Pfeiffer VakuumtechnikThe solution is followed by a device as described in the characterization of claim 1. By the embodiment according to the invention of the diagonal winding in four partial windings, the 40 of which all start with one pole and the ends of which are connected to the other pole of the operating voltage source via four controllable * 522365 <i * \ if 2 electrical switching elements, It is possible to use commercially available DC drive units (operating instructions for TPH 170, TPU 170 turbo molecular pumps and drive electronics TCP 5 300, No. PM 800 093 BD, E, F, from Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik

Wetzlar GmbH).Wetzlar GmbH).

De sturing van de wikkelingdelen geschiedt met behulp van twee Hall-sonden, gemonteerd zoals beschreven in conclusie 2.The winding parts are controlled by means of two Hall probes, mounted as described in claim 2.

Bij gelijkmatige luchtspleetinduktie heeft de door de diagonaalwik- 10 keling geïnduceerde tegen-EMK een sinusvormig verloop, wat voor de bedrijfsspanningsbron nadelig is. Bij de uitvoering van de poolvlakken volgens conclusie 3 kan door de in het midden van een pool gereduceerde luchtspleetinduktie de boog van de sinusvormige tegen-EMK worden afgevlakt en daarmee een konstante tegen-EMK van de motor worden opgewekt.In the case of uniform air gap induction, the counter-EMF induced by the diagonal winding has a sinusoidal course, which is disadvantageous for the operating voltage source. In the embodiment of the pole surfaces according to claim 3, the arc of the sinusoidal counter-EMF can be smoothed by the air gap induction reduced in the center of a pole, thereby generating a constant counter-EMF of the motor.

15 De toepassing van een uit de luchtspleet stekende wikkeling volgens conclusie 4 maakt de warmteafvoer uit de wikkeling mogelijk, wat in het bijzonder in vakuum van voordeel is.The use of a winding projecting from the air gap according to claim 4 permits heat dissipation from the winding, which is advantageous in particular in vacuum.

Met behulp van de fig. 1-3 zal in het hierna volgende een voorkeur suitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding nader worden toegelicht.A preferred embodiment of the invention will be explained in more detail below with the aid of Figures 1-3.

20 Fig. 1 toont een afwikkeling van de diagonaalwikkeling met de posi tie van de Hall-sonden en de schematische stromingsweg; fig. 2 toont een dwarsdoorsnede door de motor in het vlak van de Hall-sonden; en fig. 3 toont de langsdoorsnede van een uitvoeringsvoorbeeld.FIG. 1 shows a winding of the diagonal winding with the position of the Hall probes and the schematic flow path; Fig. 2 shows a cross section through the motor in the plane of the Hall probes; and Fig. 3 shows the longitudinal section of an exemplary embodiment.

25 Het huis waarin zich de inrichting bevindt is met 9 aangegeven.25 The house in which the establishment is located is indicated by 9.

In'(ten rotor 1 met de rotoras 7 van staal, die in de lagerschilden 10 met twee magneetlagers 8 is gelagerd, is een ijzeren terugstroombus 2 met radiaal gemagnetiseerde magneten 3 ingebouwd. In de tussen klok en rotoras gevormde luchtspleet 1 is een vast met het huis verbonden 1 - 30 statorspoel 4 aangebracht, die met zijn benedeneinde uit de rotorklok naar buiten steekt en door een draagbus 6 van aluminium Wordt omsloten. Dit leidt de in de statorspoel ontstane verlieswarmte naar het huis af. De Hall-sonden 5 zijn op de binnenzijde van de statorspoelen in de wand van een cilindrische dunwandige bus van isolerend materiaal bevestigd.In the rotor 1 with the rotor shaft 7 of steel, which is mounted in the bearing shields 10 with two magnetic bearings 8, an iron backflow sleeve 2 with radially magnetized magnets 3 is built in. In the air gap 1 formed between the clock and the rotor shaft, a fixed 1 - 30 stator coil 4 is connected to the housing and protrudes with its lower end out of the rotor clock and enclosed by an aluminum support sleeve 6. This transfers the heat lost in the stator coil to the housing. the inside of the stator coils mounted in the wall of a cylindrical thin-walled sleeve made of insulating material.

35 Met 12 zijn noodlooplagers en met 13 axiale steunlagers aangegeven.35 Emergency running bearings and 13 axial support bearings are indicated by 12.

Fig. 1 toont in zijn bovendeel de afwikkeling van de statorspoel. Beginnende bij al verloopt de wikkeling over de halve omtrek tot de tegenover gelegen rand en gaat van daar terug naar de achterzijde naar het uitgangspunt. Van daaruit verloopt de volgende wikkeling parallel 40 met de eerste. Door passende voortzetting van deze wikkelsoort ontstaat 85 02 3 6 5 • een kontinue tweelagenwikke1ing, waarvan het windingsaantal, lengte en doorsnede van de draaddikte afhangt. De wikkeling is in vier gelijke deelwikkelingen onderverdeeld, waarvan de aanvangen bij al verbonden zijn en de einden a2-a5 naar telkens een kollektor van een schakeltran-5 sistor voeren. Overschrijdt de poolscheidingslijn van de rotor de Hall-sonde Hl, dan wordt transistor Tl ingeschakeld. Na een viertal omwentelingen overschrijdt de poolscheidingslijn de Hall-sonde H2, dan wordt transistor Tl uit- en transistor T2 ingeschakeld, enz. Voor het opwekken van de stuursignalen worden de uitgangsspanningen van de Hall-sonden 10 over telkens een voorversterker versterkt en de uitgangsspanningen worden agn-eenbekende 1 uit 4 decoder toegevoerd, die 90® verschoven, 90° van een omwenteling durende pulsen voor het sturen van de tran-sistoren Tl tot T4 opwekt.Fig. 1 shows in its upper part the unwinding of the stator coil. Starting at all, the winding extends over the half circumference to the opposite edge and from there goes back to the back to the starting point. From there, the next winding runs parallel to the first one. The appropriate continuation of this type of winding creates 85 02 3 6 5 • a continuous two-layer winding, the number of turns, length and diameter of which depend on the wire thickness. The winding is subdivided into four equal partial windings, the starting points of which are all connected and the ends a2-a5 leading each to a collector of a switching transistor. If the pole separation line of the rotor exceeds the Hall probe Hl, transistor T1 is turned on. After four revolutions, the pole dividing line exceeds the Hall probe H2, then transistor T1 is switched off and transistor T2 is turned on. To generate the control signals, the output voltages of the Hall probes 10 are amplified each time by a pre-amplifier and the output voltages are A well-known 1 out of 4 decoder is supplied, which generates 90 ° shifted, 90 ° of one revolution pulses for controlling the transistors T1 to T4.

8502 3 658502 3 65

Claims

1. Collectorless DC motor for driving a fast-running rotor, consisting of a clock and a connected central rotor shaft (7), which forms a radial air gap (11) with two 180 ° wide magnetic poles (3) and an ironless stator coil (4), which protrudes into this air gap, two Hall probes (5) for position sensing of the rotor and four electrical switching elements, which are controlled one after the other by electrical signals from these Hall probes, characterized in that the stator coil consists of a diagonal winding according to FIG. 1 with four equal winding parts, the starts of these windings all connected to one pole and the ends of the windings connected to the other pole of the operating voltage source by four controllable electrical switching elements. 15

2. Collectorless DC motor according to claim 1, characterized in that the Hall probes H1 and H2 are located on the inside or outside of the winding on the same lateral line as the startings of the winding parts 1 and 2. 20

Collectorless DC motor according to claims 1 and 2, characterized in that a 180 ° wide magnetic pole consists of two 90 ° wide magnet segments magnetized parallel to their plane of symmetry. 25

4. Collectorless DC motor according to claims 1 and 2, characterized in that the winding is longer than the magnetized air gap and the projecting part of the winding is mounted on a support tube with good thermal conductivity. "^ ***** 8502365