WO1980001525A1 - Direct current motor without collector - Google Patents

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WO1980001525A1
WO1980001525A1 PCT/EP1980/000001 EP8000001W WO8001525A1 WO 1980001525 A1 WO1980001525 A1 WO 1980001525A1 EP 8000001 W EP8000001 W EP 8000001W WO 8001525 A1 WO8001525 A1 WO 8001525A1
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winding
motor according
rotor
sensor
grooves
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Application number
PCT/EP1980/000001
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English (en)
French (fr)
Inventor
R Mueller
Original Assignee
Papst Motoren Kg
R Mueller
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Application filed by Papst Motoren Kg, R Mueller filed Critical Papst Motoren Kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/12—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using detecting coils using the machine windings as detecting coil
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/08—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using magnetic effect devices, e.g. Hall-plates, magneto-resistors

Definitions

  • the invention relates to a collectorless DC motor with a permanent magnetic rotor, the poles of which have a magnetization which, when viewed on the pole surface and in the direction of rotation, has a course which differs significantly from the sine function, which course is in particular approximately rectangular or approximately trapezoidal, with the rotor poles possibly being symmetrical or asymmetrical pole gaps are separated from each other.
  • a brushless DC motor which delivers pulses with little effort, the frequency of which is sufficiently high and proportional to the motor speed, these pulses preferably being unaffected by the drive currents which flow in the main winding of the motor.
  • this object is achieved in a motor mentioned in the introduction that a sensor winding is provided on the stator of the motor for detecting at least one harmonic of the voltage induced by the rotor poles in the stator, and that the sensor winding is designed for a number of rotor poles which is equal to that Product (2p ⁇ 1), where 2p is the actual number of rotor poles and 1 is the ordinal number of the harmonic to be detected.
  • a sensor winding according to the invention is arranged with particular advantage in such a way that a transformer coupling between it and the main winding is suppressed and largely avoided. This is done by a special number of the spatial phase relationship between the main winding and the sensor winding and possibly omitting some winding steps and / or spatial phase displacement of one part of the sensor winding against the other part.
  • sensor windings are possible according to the invention that are not transformer-based Have coupling with the main winding. This is achieved, for example, by the fact that the Sansor winding consists of two simple wave windings which are offset from one another by a certain angle, and in certain cases individual winding steps must also be omitted, as will be explained in detail below using examples.
  • FIG. 1 shows a section through a first embodiment of an engine according to the invention
  • Fig. 2 shows a section through the stator of a second motor according to the invention, as the first as
  • External rotor motor is formed.
  • FIG. 4 is a circuit diagram for explaining the invention
  • FIG. 5 shows a variant of FIG. 3B, which shows main windings for use in the sheet metal section shown in FIG. 2, which windings can also be used with advantage independently of the sensor winding,
  • Fig. 6 is a plan view of the stator winding of a four-pole motor with a flat air gap and a suitable sensor winding for coupling the second harmonic
  • Fi g. 7 shows an alternative embodiment to the sensor winding according to FIG. 6, which are particularly suitable for flat motors that have an axial stray field,
  • FIG. 8 shows a second alternative to the sensor winding according to FIG. 6, which is also particularly suitable for flat motors which have an axial stray field
  • FIG. 9 is an enlarged view of the developed magnetization of a rotor for a cylindrical air gap shown in FIG. 3A,
  • 10 B shows the course of the induced in the conductor L according to FIG. 9 with a complete rotor revolution
  • FIG. 11 shows a sensor winding for decoupling the fourth harmonic in the motor shown in FIG. 6,
  • FIG. 12 shows a variant of FIG. 11, also for decoupling the fourth upper source
  • FIG. 13 shows a sensor winding for decoupling the 15th harmonic in the motor shown in FIG. 6, on a somewhat reduced scale
  • 14 A - 14 D are an illustration for explaining the structure of a sensor winding. for decoupling the second harmonic (FIG. 14 C) or the fourth harmonic (FIG. 14 D) in an external rotor which uses the sheet metal section shown in FIG. 2 and the type of stator winding shown in FIG. 5,
  • 16 A - 16 E a variant with a four-pole, three-strand, three-pulse collector-free DC motor, which is also designed as an external rotor motor and whose stator has a sheet metal cut with 24 evenly distributed slots 1 '- 24' into which the three strands of the stator winding and a sensor winding (FIG. 16 D) for decoupling the third harmonic are wound in,
  • 17 A - 17 E a variant with a two-pole, three-strand, three-pulse collectorless
  • DC motor which is also designed as an external rotor motor and whose stator laminated core has 6 uniformly distributed pronounced T poles and 6 auxiliary slots B, D, F, H, K and M for receiving a sensor winding (Fig. 17 D) for decoupling the 3rd harmonic,
  • Fig. 18 A - 18 F a variant with a two-pole, two-strand, four-pulse collectorless DC motor, which is also an external rotor motor and its stator laminated core are four evenly distributed pronounced T poles. and four auxiliary slots B, D, F and H, the sensor winding (FIG. 18 F) also being designed to decouple the third harmonic and designed to avoid a transformer coupling with the two strands of the main winding in a very specific way,
  • 19 A - 19 E a variant with a four-pole, single-strand, four-pulse collectorless DC motor, which is also designed here as an external rotor motor and its stator core, which is identical to that according to FIG. 16 A, the two strands of the stator winding and a sensor winding (Fig. 19 D) for decoupling the third harmonic,
  • FIG. 20 E a variant with a two-pole, three-strand, three-pulse collectorless DC motor, here also an external rotor motor, the stator core package with three evenly distributed salient poles and 15 auxiliary slots for receiving a sensor winding (Fig. 20 E) for decoupling the 9th harmonic having,
  • FIGS. 16, 17 shows a schematic diagram of a circuit for operating the motors according to FIGS. 16, 17 and
  • Fig. 22 is a schematic diagram of a circuit for
  • FIG. 18 or 19. 1 shows a stator laminated core 10 for an external rotor motor, the permanent-magnet external rotor, which is only indicated schematically, is designated by 11.
  • the magnetization of the rotor 11 is shown in a developed form in FIGS. 3A and 9. The angles are given in Fig. 9, so that reference can be made to this.
  • the monopole zone 14 is extended to the left by an extension 18 and the monopole zone 13 is extended by an extension 19 by 60 el. extended to the right, while in the other orbit 17 there is a zone 22 (north pole) next to the extension 18 and a zone 23 (south pole) next to the extension 19.
  • the extension 18 and the zone 22 together form a dipole zone, likewise the extension 19 and the zone 23. Then it is repeated
  • FIG. 10A shows the course of the magnetization over that in FIG. 9 rotor 11 shown, namely the course over the orbit 15, as measured by the sensor 16; this is designated B 15 ; in addition, the course over the orbit 17, which is indicated by dashed lines and designated B 17 .
  • z-B induces.
  • the monopole zone 14 a negative voltage 26 and the monopole zone 13 a positive voltage 27.
  • the dipole zone which is formed by the extension 18 and the north pole 22, induces two identical, oppositely directed voltages, the sum of which is equal to zero, according to section 28 in FIG 10 B, and the same applies to the extension 19 and the south pole 23, which together also induce zero voltage, which corresponds to section 29 in FIG. 10B.
  • This is adjoined on the right by a section 26 ′ which is identical in shape to section 26.
  • the individual harmonics can be filtered out from the voltage obtained on the device 25 (FIG. 9) in the usual way, e.g. with the help of bandpass filters.
  • this method is cumbersome and has the disadvantage that a control signal is only obtained when the desired speed is reached, that is to say the startup has to be accomplished in a different way.
  • the harmonics are therefore decoupled so that they are available at any speed.
  • the rotor 11 can also be composed of different magnets, each of which has a magnetization according to FIGS. 1oC, 1oD, 1oE etc. (the further harmonics can be in the usual Easy calculation numerically). Then you continue to think from these - fictitious - magnetizations of different types a very specific one should be recorded and evaluated for the generation of the harmonic corresponding to it.
  • stator can be used for the invention and this variant will be explained with reference to FIGS. 6 to 8.
  • FIGS. 6 to 8 First, however, the design of a stator made of grooved iron sheets will be explained, specifically on the stator sheet stack 10 shown in FIG. 1
  • the stator laminated core 10 according to FIG. 1 has eight slots for receiving the four main windings, namely 35, 36 for a main winding 37; 38, 39 for a main winding 40; 43, 44 for a main winding 45; 46, 47 for a main winding 48.
  • the two grooves of a main winding are each separated by 120 ° el., And the individual main windings are each at an angular distance of 180 ° el., Ie are evenly distributed on the circumference of the stator core 10 as shown.
  • FIGS. 3A to 3C show the motor according to FIG. 1 developed. Normally one would draw these figures one above the other, but then the drawing would become practically illegible. Therefore, their three components are drawn in the correct position with each other, with the position of the stator, of course constantly changes relative to the rotor 11 during operation.
  • the main windings 37 and 45 are connected in series (of course, parallel connection would also be possible), and their connections are labeled 49 and 50.
  • the main windings 40 and 48 are also connected in series and their connections are designated 51 and 52.
  • FIG. 4 shows the arrangement of the main windings in an associated circuit, which is controlled by a Hall generator 16, which is arranged exactly in the middle between the main windings 37 and 40 on the stator 10, cf.
  • the Hall generator 15 controls two pnp transistors 54, 55 one. Differential amplifiers, which in turn serve as drivers for npn amplifier transistors 56, 57, of which the transistor 56 controls the current in the main windings 37 and 45 and the transistor 57 controls the current in the main windings 40 and 48.
  • One current connection of the Hall generator 16 is connected to a plus line 59 via a npn transistor 58 serving as a variable resistor, the other via a resistor 60 to a ninus line 61.
  • the emitters of 54 and 55 are connected to one another and, via one common resistor 64, connected to 59.
  • the collector of 54 is connected across, a resistor 65 to 61 and directly to the base of 56.
  • the collector of 55 is connected through resistor 66 to 61 and directly to the base of 57.
  • the windings 37, 45 are connected by their connection 50 to the collector of 56, and by their connection 49 to the positive line 59.
  • the windings 40, 48 are connected by their connection 52 to the collector 57 and by their connection 51 to the positive line 59.
  • a control amplifier 63 is used, which regulates the speed in the present case e by controlling the control current flowing into the Hall generator 16.
  • a sensor winding 80 is designed, which is designed to detect the second harmonic. Its structure is described below.
  • the mode of operation of the circuit according to FIG. 4 is very detailed in connection with FIG. 2 of DE-OS 27 30 142, so that it can be referenced to it.
  • the stator plate 10 has eight auxiliary grooves 71 to 80, which are evenly distributed on the circumference of the stator and each have an angular distance of 90 ° el. to have.
  • the position of all the grooves relative to one another is shown to scale in FIGS. 3B and 3C and labeled with the same designations.
  • z. B. that the auxiliary groove 71 (FIG. 3C) lies exactly in the middle between the main grooves 35 and 36, the auxiliary groove 72 lies exactly in the middle between the main grooves 36 and 38 etc., that is, the groove arrangement after Fig. 1 is constructed folding symmetrically. If you fold the two stator halves lengthways he the Symmetri eachsen, z. B. the axis 79, on each other, so corresponding grooves come each s to li egen, z. B. 35 on 36, 78 on 72, etc.
  • 3C is a wave winding 80 which is looped back into itself, that is, from the terminal 83, the winding goes through the groove 77, further to the groove 76, from there to the groove 75 etc. to the groove 71 and from there back to groove 78 and groove 77. There the direction of the winding is reversed, and this now runs through the groove 78 in the opposite direction again, then the grooves 71 to 76 and is then led as close as possible to the connection 83 to the outside. If the sensor winding 80 were to end at the slot 77 (connection 84 shown in broken lines in FIG.
  • the sensor winding 80 can also be guided around the stator 10 several times to increase the output voltage, e.g. two full revolutions, and then returned to the starting point by the same angle if such axial fields are to be compensated for.
  • the sensor winding 80 consists of at least two magnetically active sections. It detects the second harmonic of the rotor magnetization shown in FIG. 10D and thus generates a measuring voltage of a relatively high frequency, which is twice as high as the frequency which can be extracted from the Hall generator 16, the zero crossings also having significantly more uniform intervals than the zero crossings of the Hall voltage.
  • the Hall generator 16 delivers four pulses per revolution, the sensor winding 80, however, eight pulses per revolution, if the speed controller 63 (FIG. 4) is designed for evaluating the frequency (and not the amplitude) of the voltage applied to it , a very precise speed control with good long-term consistency and very low temperature dependence can be achieved.
  • a speed controller is shown, for example, by DOS 26 16 044.
  • Diameter of 80 mm and a height of 18 mm can be called, in which a single-wire sensor winding 80 according
  • Fig. 3C had been wrapped.
  • the rotor magnet 11 had one
  • a particular advantage of the described kl app symmetrical arrangement of the sensor winding 80 is that the induced voltages transformed therein by the main windings cancel each other out and therefore do not interfere with the control process.
  • FIG. 1 has the disadvantage that a special sheet cut is required, which is only economical with larger engine numbers.
  • the invention can, however, also be implemented with commercially available blueprints, and it is shown in FIG. 2 in connection with FIGS. 3A to 3C.
  • the same reference numerals are used there for identical or equivalent parts as in the previous part of the description.
  • the sheet metal cut 88 is also intended for a 4-pole external rotor motor, the rotor of which corresponds exactly to that of FIG. 1, so that reference can be made to the description there.
  • Windings are arranged completely i dically
  • the first main winding is also designated 37 here, and both grooves in which it is wound have one
  • the main winding on the side is 40, di, e. third main winding is designated 45 and the fourth main winding is designated 48. They are, as shown, evenly distributed on the circumference of the stator and of the same design as the main winding 37.
  • the magnetically active sections of the sensor winding 80 are designated 80 ', are each at a distance of 90 el. From one another and each lie on the bisector between two adjacent grooves of main windings to avoid, as described, a transformer coupling to main windings and sensor windings.
  • the arrangement of the sensor winding 80 is identical to the diagram according to FIG. 3C, so that reference can be made to the description of this. If one wants to wrap more copper in the sheet metal section according to FIG.
  • Four grooves 89 are used for each main winding. 5, two winding sections are located in two adjacent slots 93 and 94, followed by two empty slots 95 and 96 and then below two wound slots 97 and 98.
  • the larger winding step y 1 is therefore 120 el.
  • the smaller winding el step y 2 is 90 el.
  • the angles are explicitly indicated in FIG. 5.
  • This type of winding results in a better copper fill factor, the induced voltage being rounded off somewhat and the torque generated by the motor being more favorable.
  • a disadvantage of this arrangement is that the sensor winding can no longer be introduced in a precisely symmetrical manner with respect to the main windings, because in
  • the sensor winding would have to lie either in slot 95 or slot 96. If the usable number is doubled in a conventional sheet metal cut, the sensor winding can naturally also be arranged symmetrically again in the winding type according to FIG. 5, because an additional groove then lies between the grooves 95 and 96, into which the relevant section of the sensor winding can be placed. The main winding is then spread over six or eight grooves, while in FIG. 5 it is distributed over only four grooves.
  • this problem can also be solved without increasing the number of grooves by a further inventive consideration, and for this purpose reference is made to FIGS. 14A to 14D.
  • FIG. 14A shows the 24 grooves 89 of the stator laminated core according to FIG. 2 in the usual development.
  • FIG. 14B shows - in relation to the grooves 89 in FIG. 14A - the arrangement of the stator winding 92, which is identical to that in FIG. 5, which is why this arrangement is not described again.
  • This arrangement results, as already explained, in a more favorable course of the torque than the arrangement according to FIG. 1, and the latter is not particularly favorable in terms of the electric motor and serves primarily to explain the basic principle of the invention.
  • stator 92 In this arrangement of the stator 92, one tooth each lies in the middle of a stator pole, and these "central teeth" are the teeth 111, 112, 113 and 114 in FIG. 14A.
  • the invention is now based on the idea of creating symmetry with this central tooth by the fact that on each side of this tooth there is a magnetically active winding section of the same name as the sensor winding.
  • the same name means that if a direct current flows through the sensor winding, the same current direction is present on both sides of this tooth.
  • the sensor winding is not coupled to the individual stator windings in a transformer-like manner in this case either.
  • 14C and 14D refer to the angles given for the main poles in the same way as the preceding ones, as shown in FIGS. 9 and 10.
  • FIG. 14C shows a sensor winding 115 for decoupling the upper side.
  • Coil sections which lie on both sides of a central tooth, a voltage of the same direction is induced during operation.
  • Such an arrangement is electrically according to uie before in such a way symmetrical to the stator 92 that. there is no transfurmatory coupling.
  • FIG. 14D shows the solution according to the invention of this problem in the form of a sensor winding 118 for the decoupling of the fourth upper source.
  • This winding begins at a terminal 121 and goes from there as a wave winding to the left, alternately with winding steps of 30 and 60 el. And such that a magnetically active section is located to the left of the four center teeth 111 to 114.
  • the winding direction is then reversed, and the wave winding again runs through the slots with alternating 30 ° and 60 ° steps to the right up to the terminal 122, but as shown, offset by a slot pitch, so that the magnetically active sections now to the right of the Middle teeth 111 to 114 lie.
  • Coil sections of the same name of the two shaft coils therefore lie, for example, together in the slots 94 and 97, and likewise coils sections of the same name lie on both sides of the central teeth, for example, on both sides of the central tooth 111 in the grooves
  • FIGS. 14C and 14D With a doubled number of stator slots, the fourth and the eighth upper yelle can be decoupled analogously to FIGS. 14C and 14D, in which case all angle steps have to be halved compared to these figures, or in other words, FIGS. 14C and 14D would have to be half Let the width shrink, whereby again the symmetry with respect to the central teeth would have to be observed in order to avoid transformer coupling. By the same principles, sensor developments for other numbers of grooves and other overlaps can naturally also be built up. The position of the galvanomagnetic sensor 16 between two main windings is also shown in FIGS. 5 and 14B.
  • the connections of the four coils are analogous to FIG. 4 with 49, 50 bzu. 51, 52 designated.
  • the circuit corresponds to that according to FIG. 4. 6 to 8 show sensor windings for decoupling the upper side.
  • the magnetically active sections 105 of the sensor winding the latter being designated here by 106 (this number is therefore given in brackets in FIG. 4), each run on the bisector between the four main windings 101 to 104 and on their central axes.
  • a wave or meander winding is thus obtained, the connections of which are designated 107 and 108 in FIG. 6.
  • the meander can of course be run through several times to increase the tension. It is important that the magnetically active
  • Sections 112 extend over the entire width of the rotor magnet, uel che in Fig. 6 is indicated by dash-dotted lines 109. -
  • Sections 105 are each at a distance of 90 ° el. From each other so that they only cover the upper side.
  • the sensor winding 106 is not coupled to the main windings 101 to 104 in a transformer.
  • the voltages cancel each other out, which are induced in the sensor winding in question by the stray flux running in the wave direction.
  • the return 11o can also lie within the meander winding. 6 to 8, the sensor windings in the form of a printed circuit can be printed on a thin film and mounted in this form on the stator in the correct position, that is to say decoupled from the transformer.
  • Fig. 11 the sensor winding is designated 124 and its terminals are designated 125, 126.
  • the structure corresponds completely to that of Fig. 7, i.e. the wave winding is looped back to the exit in the same way.
  • Fig. 12 the sensor winding with 127 and their connections are designated 128 and 129.
  • the structure corresponds completely to that according to Fig. 8, i.e. here a return 130 is returned around the entire shaft 100.
  • a dash-dotted reference line 133 is drawn in there and in FIGS. 11-13, which in all four figures runs through a magnetically active section of the sensor winding in question and the bisector of the stator windings
  • a return loop 136 also wraps around the shaft (not shown) in order to largely compensate for axial stray fluxes.
  • the connections of the winding 135 are designated 137 and 138. 15, however, the decoupling of the 15th upper source is less advantageous than, for example, the decoupling of the 11th or 14th upper source. which both have much larger amplitudes.
  • Such a decoupling can be achieved very easily by an appropriate choice of the angle between the magnetically active sections.
  • the angle between 2 magnetically active sections should be, for example, 180 ° el.: 11.
  • FIG. 15 shows, as already explained, the frequency spectrum of the voltage shown in FIG. 10B, whose amplitude û is set to 100%. It can be seen that the
  • the basic source of this voltage has an amplitude of approximately 87.8% of û, the second harmonic is approximately half the magnitude of û, the fifth harmonic approximately 1/5 and the eighth harmonic approximately 1/8 of û.
  • the third, sixth, ninth etc. harmonics are practically zero.
  • Figure 15 applies to tension with steep flanks. If the flanks are less steep, the harmonics have only very small amplitudes from the fifth harmonic.
  • the order number of the harmonics that can still be used if one is aiming for a sensor winding with a number of turns that is not too thin.
  • the sensor windings acc. Figures 11, 12 or 13 are suitable because of their compensation of stray fields - whether they come from the motor or from the device - for use in connection with particularly sensitive, fast control circuits (e.g. phase regulators, so-called PLLs) Circuits that usually work with a quartz standard).
  • Such sensor windings cause practically no enlargement of the motor and therefore result in very compact motors.
  • the invention can be applied in the same way to all motors whose rotor magnetic field deviates considerably from the sinusoidal shape and can therefore, as indicated in FIGS. 10 C to 10 E, be broken down into spatial harmonic fields of different frequency and amplitude. This is explained below using additional exemplary embodiments.
  • the number of poles always refers to the number of poles 2p of the rotor e.g.
  • the motors according to FIGS. 16 and 19 have four poles, and those according to FIGS. 17, 18 and 20 have two poles.
  • the invention is of course also suitable for higher numbers of poles, but the distance between the magnetically active sections of the sensor winding becomes smaller and smaller with increasing number of poles.
  • the number of phases relates to the number of separate windings of the stator and could also be referred to as the number of phases.
  • FIGS. 16, 17, 20 and 21 show three-stranded motors, since the stater angle has three separate strands each, and FIGS. 1B, 19 and 22 show two-stranded motors.
  • the pulse rate indicates how many current pulses are supplied to the stator winding per rotor rotation of 360 el.
  • FIG. 16 shows a three-pulse motor, likewise FIGS. 17 and 20.
  • FIG. 18 the circuit according to FIG a rotation of 360 o el., here a full rotor rotation, each of the two stator windings is supplied with two current pulses, ie a total of four current pulses, ie the motor is four-pulse; 19 is also four-pulse.
  • Both three and four-pulse motors generate an electromagnetic drive torque in all rotor positions, i.e. Such motors can start from any rotational position. The higher the pulsation, the lower the fluctuations in the torque delivered by the motor.
  • the magnetization of the rotor in FIGS. 16 to 19 always has approximately the same shape as that shown in FIG. 18B by way of example, that is to say etua trapezoidal.
  • the magnetization (Fig. 20 B) of the rotor (Fig. 20 C) is approximately rectangular, that is, it has very steep flanks.
  • the outer rotor is constructed identically to the outer rotor 11 of FIG. 1.
  • the rotor magnet is shown in FIGS. 16 B, 17 B, 18 C, 19 B and 20 C, in development.
  • the grooves of the sheet metal cut are numbered, for example in FIG. 16 A from 1 'to 24', and these grooves are then shown again, for example between FIGS. 16 C and 16 D, and in relation to the unwound Windings, so that you can see exactly which windings are in which slot and how these windings are switched.
  • the illustration of the shape and form of the individual windings is so perfect that any specialist can work on it.
  • the representation of the windings in the sheet metal section indicates the current direction in the usual way: point means that the current flows out of the Zefchen plain, and cross means that it flows into it flows. This refers to the current arrows set arbitrarily in the transactions. (Of course an alternating current flows in the sensor winding during operation and no direct current!).
  • the Hall generators or other sensors are each shown in their position on the sheet metal cut and in the handling. Their designation corresponds to that in Fig. 21 and 22 respectively.
  • Fig. 16 the same sheet cut 88 is used as in Fig. 2, i.e. 24 grooves 89 are provided, which are denoted continuously by 1 'to 24'.
  • a long-pitched (short-pitch) three-strand main winding 130 is provided, the three strands of which are designated 131, 132 and 133.
  • the three Hall generators that control these strings are arranged as follows:
  • Hall generator 34 between slots 6 'and 7' controls strand 131
  • Hall generator 135 between slots 10 'and 11' controls strand 132
  • Hall generator 136 between slots 14 'and 15' controls strand 133.
  • the phase position relative to the main winding 130 is selected such that there is no transformer coupling with the main winding: the main winding 131 begins in the groove 1 ', the main winding 132 in the groove 3', and the Main winding 133 in the groove 5 '.
  • Sensor winding 137 goes from connection 138 to slot 2 ', then back through slot 3', then through slots 5 ', 7', 9 ', ... 23' to slot 1 'and from there back to slot 24' and then 22 ', 20', ... 6 ', 4' to connection 140.
  • FIG. 17 shows a solution that is suitable for this case, the sensor winding (FIG. 17 D) also serving there to decouple the third harmonic.
  • the sheet metal cut 145 according to FIG. 17 A has six symmetrically distributed pronounced T poles 146 with a concentrated, unsuspected three-strand main winding 147, the three strands of which are designated 148, 149 and 150.
  • the individual strands are wound in diameter, in the main grooves A, C, E, G, 3, and L.
  • the shape of the one in operation in the isffisor winding 153 Voltage results from Fig. 17 E.
  • the three Hall generators (or other equivalent
  • Hall generator 34 on slot A controls strand 148.
  • Hall generator 135 on groove E controls strand 150
  • Hall generator 136 on groove 3 controls strand 149.
  • FIGS. 18 and 19 show diss.
  • FIG. 18 shows a two-pole, two-strand motor with an unsighted (full-pitch) main winding 159
  • FIG. 18 E which is accommodated in a sheet cut 160 with four symmetrical, pronounced T poles 161, in the four main slots A, C, E and G.
  • the two strands of the main winding 159 are 162 and 163 marked and wound in diameter, like that in
  • Fig. 18 A is indicated. Furthermore, two Hall generators 164, 165 are provided, which are offset by 90 ° el. Relative to one another, one of which lies on the groove C and controls the strand 163, while the other lies on the groove E and controls the strand 162.
  • auxiliary slots B, D, F and H are provided for receiving the sensor winding 166. If one starts from groove A clockwise, B is distant from A 60 ° and D from A 120 °. If one proceeds from the groove A counterclockwise, H is distant from A 60 ° and F from A 120 °, as FIG. 18 A clearly shows.
  • the sensor winding 166 Starting from a connection 167, the sensor winding 166 first runs through the slot A, then the slots B, D, F, H and back to the slot A. There, the winding direction reverses back to the slot H, and further to the slots D and B. and to the second connection 168.
  • the winding step is therefore 180 ° el.: 1, i.e. 60 ° el., but two winding steps are omitted in the middle of the development, namely two winding steps per pole pair p in order to avoid a transformer coupling between main winding 159 and sensor winding 166.
  • the associated circuit for four-pulse operation is shown in Fig. 22.
  • the shape of the tach voltage u T at the sensor winding 166 is shown in FIG. 19E. This voltage fluctuates according to the fundamental wave of the magnetization of the rotor magnet, but the distances between the zero crossings are relatively uniform and can therefore be used for control purposes.
  • a specific sensor winding for decoupling the third conductor can also be specified for this, in the case of spatial Phase shift of one part of the sensor winding by 30 ° el. (In relation to the pole pitch of the rotor magnet) against the other part and by additionally omitting certain winding steps, the transformer coupling relative to basic strands of the main winding is canceled.
  • Such a motor is shown in FIG. 19.
  • the sheet metal cut 88 has 24 grooves 89 which, as in FIG. 16, are denoted by 1 'to 24'.
  • the Hall generator 164 lies between the grooves 12 'and 13' and controls the strand 172, while the Hall generator 165 between the grooves 15 'and 16' lies and controls the strand 173.
  • the main winding 171 results from FIGS. 19 A and 19 C in a clear manner.
  • the main winding 171 is longed 5/6.
  • 19 D shows the course of the sensor winding 175. Starting from a connection 176, it runs through the slots 4 ', 7', 9 ', 11', 16 ', 19', 21 'to the slot 23', and from there again back through the slots 21 ', 18', 16 ', 14', 9 ', 6', 4 'and 1' to the other connection 177.
  • the sensor winding 175 is also symmetrical about the fold and, like this, leaves two Winding steps out.
  • 19 E shows the shape of the voltage u T on the sensor winding 175.
  • this voltage contains a small proportion of the basic source of the rotor magnet.
  • the arrangement according to FIG. 20 serves to record the ninth upper source in a rotor magnet (FIG. 20 C) which is magnetized in a rectangular manner, as shown in FIG. 20 B (this FIG. Shows the induction curve in the direction of rotation measured over the rotor circumference)
  • the sensor winding 185 must have a winding step size which corresponds to a ninth of the step width of the main winding 186, that is to say only 20 ° el. In the case of a small or very small motor, you can generally do this do not use the required number of slots of 9 ⁇ 2p for the main winding, so that, according to the invention, a stator arrangement with pronounced poles 187 and concentrated main winding 186 is more suitable for this.
  • the winding 186 is longed here and lies in three main slots A, G and N.
  • the three strands of the main winding 186 are labeled 188, 189 and 190.
  • the Hall generators 134 to 36 are arranged as follows: The Hall generator 134 lies between the grooves H and J and controls the strand 188.
  • the Hall generator 135 lies between the grooves 0 and P and controls the strand 189.
  • the Hall generator 136 lies between the grooves B and C and controls the strand 190. This is shown symbolically in FIG. 20D.
  • the sensor winding 185 is designed as a wave winding. It goes from connection 193 to groove A and from there further through all grooves B, C etc. to groove A, ends there and goes back via all grooves S, R, Q etc. to groove B and to the other connection 194 From the comparison of FIG. 20 D with FIG. 20 E one can see without further ado that here too there is no coupling of the sensor winding 185 with the main winding 186, i. H . a frequency is obtained at the outputs 193, 194 which is 9 times greater than the frequency which can be taken from the Hall generators 134 to 136 and therefore enables very good speed control.
  • FIG. 21 schematically shows the permanent magnetic rotor 195 of a three-pulse motor, the three stator winding phases of which are connected in a star and denote S 1 to S 3 net and are connected to a positive voltage U B with the star point 196.
  • Three npn transistors 197, 198, 199 are provided for supplying these three strands, each of which is connected with its collector to the assigned strand and with its emitter to the negative line 200, ie to ground.
  • the Hall generator 134 controls the transistor 197, the Hall generator 135 the transistor 198, and the. Hall generator 136 the transistor 199.
  • This control is shown only very schematically: In the normal case, the control takes place via driver transistors. For example, in Fig.
  • 16 strands S 1 to S 3 would correspond to strands 131 to 133, in Fig. 17 strands 148 to 150, and in Fig. 20 strands 188 to 190.
  • each revolution of rotor 195 of 360 ° el each of the three strands S 1 to S 3 receives a current pulse, that is to say a total of three pulses, ie the operation is three-pulse, and a torque is continuously generated because the current pulses overlap one another.
  • FIG. 22 schematically shows the rotor 203 of a four-pulse motor, the two strands of which are designated S 4 and S 5 and are connected to ground (0 volt) with their star point 204.
  • the other connection of the strand S 4 is connected to the emitter of an npn transistor 205 and the collector of an npn transistor 207.
  • the other connection of strand S 5 is connected to the emitter of an npn transistor 207 and the collector of an npn transistor 208.
  • the collectors of transistors 205 and 207 are connected to a positive voltage + U B , the emitters of transistors 206 and 208 to a negative voltage -U B.
  • transistor 205 conducts, a current flows through S 4 in one direction, and if transistor 206 conducts, a current flows through S 4 in the other direction.
  • S 5 and S because of the symmetry of the circuit the two transistors 207 and 208.
  • a control device 210 is used to control the transistors 205 to 208, the rotor position signals from the Hall generators 164 and 165 are supplied. Transistors 205, 207, 206 and 208 are successively energized, so that a rotating field is created which drives rotor 203.
  • strands S 4 and S 5 correspond to strands 162 and 163, in FIG. 19 strands 172 and 173.
  • the present invention thus enables very simple means to obtain a measuring voltage with a high frequency in relation to the speed of the motor and a fairly uniform period, as is particularly required for speed control using a frequency as a measure of the speed.
  • the sensor winding that is preferably used acts like a high-pass filter and should therefore preferably extend over 360 ° el. Or an integer multiple thereof in order to avoid division errors, e.g. through an uneven division of the grooves or an uneven magnetization of the rotor, to keep them as small as possible and to obtain a very uniform period; In the case of flat motors, precautions should preferably be taken to eliminate interference from stray axial fields.

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Description

Kollektorloser Gleichstrommotor
Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor, dessen Pole eine Magnetisierung aufweisen, die an der Poloberfläche und in Drehrichtung gesehen einen von der Sinusfunktion deutlich abweichenden Verlauf aufweist, welcher Verlauf insbesondere etwa rechteckförmig oder etwa trapezförmig ist, wobei gegebenenfalls die Rotorpole durch symmetrische oder asymmetrische Pollücken vonei nander getrennt sind.
Es ist bekannt, aus der Hauptwicklung eines im Betrieb befindlichen kollektorlosen Gleichstrommotors Impulse zu gewinnen, deren Frequenz der augenblicklichen Motordrehzahl proportional ist und deshalb z.B. zum dessen oder zum Regeln der Motordrehzahl verwendet werden kann. Diese Freαuenz ist jedoch relativ niedrig, nämlich p × ωmech, wobei p die Polpaarzahl und ωmech die Uinkelgeschwindigkeit des Rotors in 1/s ist. Außerdem werden die so gewonnenen ("ausgekoppelten") Impulse leicht von den in der Hauptwicklung fließenden Antriebsströmen in ihrer Phasenlage zueinander und relativ zur Rotorstellung beeinflußt, wodurch eine Drehzahlregelung, die diese Impulse zum Soll-Ist-Vergl eich verwendet, sehr ungünstig beeinflußt wird und leicht ungedämpfte Schwingungen des Reglers entstehen können.
Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen kollektorlosen Gleichstrommotor zu schaffen, der mit geringem Aufwand Impulse liefert, deren Frequenz ausreichend hoch und der Motordrehzahl proportional ist, wobei diese Impulse vorzugsweise unbeeinflußt von den Antriebsströmen sein sollen, welche in der Hauptwicklung des Motors fließen. Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem eingangs genannten Motor dadurch gelöst, daß am Stator des Motors eine Sensorwicklung zum Erfassen mindestens einer Oberwelle der von den Rotorpolen im Stator induzierten Spannung vorgesehen ist, und daß die Sensorwicklung für eine Rotorpolzahl ausgebildet ist, welche gleich dem Produkt (2p × 1 ) ist, wobei 2p die tatsächliche Rotorpolzahl und 1 die Ordnungszahl der zu erfassenden Oberwelle ist. Von den räumlichen Oberwellenfeldern, welche in den nicht sinusförmig magnetisierten Polen enthalten sind, werden auf diese Ueise in der Sensorwicklung Spannungen induziert, welche derjenigen Oberwelle entsprechen, für die die Sensorwicklung dimensioniert ist. Die Grundwelle dagegen wird weitgehend und bei vielen Ausführungsformen auch vollständig unterdrückt.
Mit besonderem Vorteil wird eine erfindungsgemäße Sensorwicklung so angeordnet, daß eine transformatorische Kopplung zwischen dieser und dar Hauptwicklung unterdrückt und weitgehend vermieden wird. Dies erfolgt durch eine spezielle Uahl der räumlichen Phasenlage zwischen der Hauptwicklung und der Sensorwicklung und evtl. Ueglassen einiger Uicklungsschritte und/oder räumliche Phasenversetzung eines Teils der Sensprwicklung gegen den anderen Teil.
Eine besonders einfache Anordnung der Sensorwicklung ergibt sich, wenn man für diese separate Nuten vorsieht, deren Lage relativ zur Hauptwicklung exakt definiert ist. Es ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft, die Sensorwicklung direkt in die Nuten der Hauptwicklung zu legen, da dann keine zusätzlichen Nuten für die Sensorwicklung erforderlich sind. Auch unter dieeer einschränkenden Bedingung sind nach der Erfindung Sensorwickingen möglich, die keine transformatorische Kopplung mit der Hauptwicklung aufweisen. Dies gelingt z.B. dadurch, daß die Sansorwicklung aus zwei einfachen Wellenwicklungen besteht, die gegneinander um einen bestimmten Uinkel versetzt sind, wobei in bestimmten Fällen auch einzelne Uicklungsschritte ausgelassen werden müssen, wie das nachfolgend anhand von Beispielen ausführlich verdeutlicht wird.
Ueitere Einzelheiten und vorteilhafte Ueiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Ueise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motors,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Stator eines zweiten erfindungsgemäßen Motors, der wie der erste als
Außenläufermotor ausgebildet ist.
Fig. Schaubil der zur Erläuterung der Fig . 1 und 2 , 3A-3C Fig. 4 ein Schaltbild zur Erläuterung der Erfindung,
Fig. 5 eine Variante zu Fig. 3 B, welche Hauptwicklungen zur Verwendung bei dem in Fig. 2 dargestellten Blechschnitt zeigt, welche Uicklungen auch unabhängig von der Sensorwicklung mit Vorteil verwendet werden können,
Fig. 6 eine Draufsicht auf die Statorwicklung eines vierpoligen Motors mit ebenem Luftspalt und eine hierfür geeignete Sensorwicklung zur Auskopplung der z weit en Oberwell e,
Fi g . 7 eine alternati ve Ausführung zu der Sensoruicklung nach Fi g. 6 , wel che si ch besonders fü r Fl achmotoren ei gn et, di e ein axial es Streuf el d aufwei sen,
Fig. 8 eine zweite Alternative zu der Sensorwicklung nach Fig. 6, welche sich ebenfalls besonders gut für Flachmotoren eignet, die ein axiales Streufeld haben,
Fig. 9 eine vergrößerte Darstellung der in Fig. 3A dargestellten, abgewickelten Magnetisierung eines Rotors für einen zylindrischen Luftspalt,
Fig. 10 A den Verlauf der Magnetisierung bei dem in Fig. 9 in der Abwicklung dargestellten Rotor,
Fig. 10 B den Verlauf der im Leiter L nach Fig. 9 bei einer kompletten Rotorumdrehung induzierten
Spannung,
Fig. 10 die Grundwelle sowie die zweite und vierte Ober¬
C,D,E welle der in Fig. 10 B dargestellten Spannung,
Fig. 11 eine Sensorwicklung zur Auskopplung der vierten Oberwelle bei dem in Fig. 6 dargestellten Motor,
Fig. 12 eine Variante zu Fig. 11, ebenfalls zur Auskopplung der vierten Oberuelle,
Fig. 13 eine Sensorwicklung zur Auskopplung der 15. Oberwelle bei dem in Fig. 6 dargestellten Motor, in etwas verkleinertem Maßstab, Fig. 14 A - 14 D eine Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Sensorwicklung. zur Auskopplung der zweiten Oberwelle (Fig. 14 C) bzw. der vierten Oberwelle (Fig. 14 D) bei einem Außenläufermσtor, welcher den in Fig. 2 dargestellten Blechschnitt und die in Fig. 5 dargestellte Art der Statorwicklung verwendet,
Fig. 15 das Frequenzspektrum, das sich bei der Analyse der in Fig. 10 B dargestellten Spannung u ergibt, wobei die Amplitude der Grundwelle und der ersten Oberwelle nur numerisch dargestellt sind,
Fig. 16 A - 16 E eine Variante mit einem vierpoligen, dreisträngigen, dreipulsigen koll ektorlosen Gleichstrommotor, der ebenfalls als Außenläufermotor ausgebildet ist und dessen Stator einen Blechschnitt mit 24 gleichmässig verteilten Nuten 1' - 24' aufweist, in die die drei Stränge der Statorwicklung und eine Sensorwicklung (Fig. 16 D) zur Auskopplung der dritten Oberwelle eingewickelt sind,
Fig. 17 A - 17 E eine Variante mit einem zweipoligen, dreisträngigen, dreipulsigen kollektorlosen
Gleichstrommotor, der ebenfalls als Außenläufermotor ausgebildet ist und dessen Statorblechpaket 6 gleichmässig verteilte ausgeprägte T-Pole sowie 6 Hilfsnuten B, D, F, H, K und M zur Aufnähme einer Sensorwicklung (Fig. 17 D) zur Auskopplung der 3. Oberwelle aufweist,
Fig. 18 A - 18 F eine Variante mit einem zweipoligen, zweisträngigen, vierpulsigen kollektorlosen Gleichstrommotor, der ebenfalls als Außenläufer motor ausgebildet ist und dessen Statorblechpaket vier gleichmässig verteilte ausgeprägte T-Pole. sowie vier Hilfsnuten B, D, F und H aufweist, wobei die Sensorwicklung (Fig. 18 F) ebenfalls zur Auskopplung der dritten Oberwelle ausgebildet ist und zum Vermeiden einer transformatorischen Kopplung mit den beiden Strängen der Hauptuicklung in sehr spezifischer Ueise ausgelegt ist,
Fig. 19 A - 19 E eine Variante mit einem vierpoligen, zueisträngigen, vierpulsigen kollektorlosen Gleichstrommotor, der hier ebenfalls als Außenläufermotor ausgebildet ist und dessen Statorblechpaket, das mit demjenigen na ch Fig. 16 A identisch ist, die beiden Stränge der Statorwicklung sowie eine Sensorwicklung (Fig. 19 D) zur Auskopplung der dritten Oberwelle aufnimmt,
Fig. 20 A - 20 E eine Variante mit einem zweipoligen, dreisträngigen, dreipulsigen kollektorlosen Gleichstrommotor, hier ebenfalls einem Außenläufermotor, dessen Statorblechpaket drei gleichmassig verteilte ausgeprägte Pole sowie 15 Hilfsnuten zur Aufnahme einer Sensorwicklung (Fig. 20 E) zur Auskopplung der 9. Oberwelle aufweist,
Fig. 21 eine Prinzipdarstellung einer Schaltung zum Betrieb der Motoren nach Fig. 16, Fig. 17 und
Fig. 20, und
Fig. 22 eine Prinzipdarstellung einer Schaltung zum
Betrieb der Motoren nach Fig. 18 oder Fig. 19. Fig. 1 zeigt ein Statorblechpaket 10 für einen Außenläufermotor, dessen nur schematisch angedeuteter, permanentmagnetischer Außenrotor mit 11 bezeichnet ist. Die Magnetisierung des Rotors 11 ist in abgewickelter Form in den Fig. 3 A und 9 darg-estellt. Die Uinkel sind in Fig. 9 angegeben, so daß hierauf verwiesen werden kann. Es stoßen immer zwei verschiedennamige Monopolzonen, z.B. in Fig. 9 eine Nordpolzone 13 und eine Südpolzone 14, beide jeweils 120 el. lang, direkt aneinander. In der gleichen Umlaufbahn 15 (Fig. 9) in der am Stator ein galvanomagnetischer Sensor 16 (meist ein Hallgenerator) befestigt ist, ist die Monopolzone 14 durch einen Fortsatz 18 um 60 el. nach links und die Monopolzone 13 durch einen Fortsatz 19 um 60 el. nach rechts verlängert, während in der anderen Umlaufbahn 17 neben dem Fortsatz 18 eine Zone 22 (Nordpol) und neben dem Fortsatz 19 eine Zone 23 (Südpol) liegt. Der Fortsatz 18 und die Zone 22 bilden zusammen eine Dipolzone, ebenso der Fortsatz 19 und die Zone 23. Anschließend wiederholt sich dann
das Ganze in der in den Fig. 3A und 9 dehr explizit dargestellten Ueise. Die Umlaufbahnen 15 und 17 sind etwa gl eich breit.
Fig. 10A zeigt den Verlauf der Magnetisi erung über dem in Fi g . 9 dargestellten Rotor 11 , und zwar einmal den Verlauf über der Umlaufbahn 15, wi e ihn der Sensor 16 mißt ; dieser ist mit B15 bezeichnet; auß erdem den Verlauf über der Umlaufbahn 17, der mit gestrichelten Linien angedeutet und mit B17 bezeichnet ist.
Dieser Verlauf ist teilueise mit dem von B15 identisch, nämlich über all en vi er Monopolzonen dieses 4-poligen Rotors 11.
Spannt man quer zur voll en Breite des Rotors 11 einen Leiter L Fig. 9 und läßt eine gl eichförmige Rel ativbeuegung zwischen dem Rotor 11 und dem L eiter L stattfinden, mißt man an di es em L eiter L mit einem Instrument 25, z. B. einem Oszillographen, ein e induzi erte Spannung u, welche in Fig. 10B dargestellt ist.
Uie man aus Fig. 10 B erkennt, induziert z-B. die Monopolzone 14 eine negative Spannung 26 und die Monopolzone 13 eine positive Spannung 27. Die Dipolzone, die vom Fortsatz 18 und dem Nordpol 22 gebildet wird, induziert zwei idβtische, entgegengesetzt gerichtete Spannungen, deren Summe gleich Null ist, entsprechend dem Abschnitt 28 in Fig. 10 B, und dasselbe gilt für den Fortsatz 19 und den Südpol 23, die zusammen ebenfalls die Spannung Null induzieren, was in Fig. 10B dem Abschnitt 29 entspricht. An diesen schließt sich rechts ein Abschnitt 26' an, der mit dem Abschnitt 26 hinsichtlich seiner Form identisch ist.
Legt man zwischen die Abschnitte 26 und 27 den Nullpunkt der Abszissenachse, so ist die Spannung u eine ungerade trigonometrische Funktion, das heißt f (t) = - f (- t), und diese Funktion läßt sich mit einer Fourier-Analyse in Sinuskurven verschiedener Frequenz und Amplitude zerlegen, von denen Fig. 10C die Grundwelle, Fig. 1DD die zweite Oberwelle und Fig. 10 E die vierte Oberwelle zeigt. Die dritte und die sechste Oberwelle sind annähernd gleich Null. Die Fig. 10C bis 10E zeigen also die Zerlegung der Spannung u gemäß Fig. 10B in ihre Grunduelleund die ersten Oberwellen. Naturgemäß sind noch weitere Oberwellen vorhanden, und Fig. 15 zeigt das volle Frequenzspektrum, also die absoluten Größen der Amplituden der einzelnen Oberwellen der in Fig. 10B dargestellten Spannung. Man erkennt, daß die Oberwellen mit durch drei teilbarer Ordnungszahl 1 sehr kleine Amplituden haben, und daß sich die Oberwellen mit den Ordnungszahlen 2, 4, 5, 7, 8, 11 und 14 durch ihre relativ große Amplitude für eine Auswertung anbieten. Dabei ist zu beachten, daß sich bei hoher Ordnungszahl nur noch dann brauchbare Amplituden ergeben, wenn die Flanken der in Fig. 1oB dargestellten Spannung steil sind. Bei weniger steilen Flanken sind praktisch nur die zweite, vierte, fünfte und achte Oberwelle auswertbar.
Die einzelnen Oberwellen lassen sich aus der Spannung, die man am Gerät 25 (Fig. 9) erhält, in der üblichen Ueise herausfiltern, z.B. mit Hilfe von Bandpaßfiltern. Diese Methode ist aber umständlich und hat den Nachteil, daß man erst bei Erreichen der gewünschten Drehzahl ein Regelsignal erhält, also den Hochlauf auf andere Art und Weise bewerkstelligen muß.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung koppelt man deshalb die Oberwellen so aus, daß siebei jeder Drehzahl zur Verfügung stehen. Diese Ueiterbildung der vorliegenden Erfindung geht von der Überlegung aus, daß man sich den Rotor 11 auch aus verschiedenen Magneten zusammengesetzt denken kann, welche jeweils eine Magnetisierung gemäß den Fig. 1oC, 1oD, 1oE etc. haben (die weiteren Oberwellen lassen sich in der üblichen Ueise numerisch leicht Errechnen). Man geht dann weiterhin von der Überlegung aus, von diesen - fiktiven - Magnetisierungen unterschiedlicher Art solle eine ganz bestimmte erfaßt und für die Erzeugung der ihr entsprechenden Oberwelle ausgewertet werden. Dies geschieht dadurch, daß man eine Sensorwicklung verwendet, bei welcher der Abstand der magnetisch aktiven Uicklungsabschnitte an diese - fiktive - Magnetisierung angepaßt ist und die dadurch wie ein harmonischer Analysator wirkt, der haupt- nur diese sächlich Oberwelle aus der Gesamtheit der vorhandenen Oberwellen auskoppelt.
Für die Erfindung kann ein eisenloser Stator verwendet wer und diese Variante wird anhand der Fig. 6 bis 8 erläutert werden. Zunächst wird aber die Ausführung bei einem Stator aus genuteten Eisenblechen erläutert werden, und zwar an dem in Fig. 1 dargestellten Statorblechpaket 10 eines
Außenläufermotαrs. Die .Übertragung auf einen Innenläufermotor ergibt- sich einfach durch eine Spiegelung am zylindrischen Luftspalt, der in Fig. 1 mit 34 bezeichnet ist.
Das Statorblechpaket 10 gemäß Fig. 1 hat für die Aufnahme der vier Hauptwicklungen acht Nuten, und zwar 35, 36 für eine Hauptwicklung 37; 38, 39 für eine Hauptuicklung 40; 43, 44 für eine Hauptuicklung 45; 46, 47 für eine Hauptwicklung 48. Die zwei Nuten einer Hauptwicklung sind jeweils um 120° el. voneinander getrennt, und die einzelnen Hauptwicklungen haben voneinander jeweils einen Uinkelabstand von 180° el. , sind also am Umfang des Statorblechpakets 10 wie dargestellt gleichmässig verteilt.
Die Fig. 3A bis 3C zeigen abgewickelt den Motor nach Fig. .1 . Normalerweise würde man di ese Figuren übereinander zeichnen, doch würde dann die Zeichnung praktisch unlesbar. Deshalb sind ihre drei Bestandteil e in d er richtigen Lage untereinander gzeichnet, wobei sich natürlich die Lage des Stators relativ zum Rotor 11 im Betrieb ständig ändert. Die Hauptwicklungen 37 und 45 sind in Reihe geschaltet (natürlich wäre auch Parallelschaltung möglich), und ihre Anschlüsse sind mit 49 und 50 bezeichnet. Ebenso sind die Hauptuicklungen 40 und 48 in Reihe geschaltet, und ihre AnSchlüsse sind mit 51 und 52 bezeichnet.
Fig. 4 zeigt die Anordnung der Hauptuicklungen in einer zugehörigen Schaltung, welche durch einen Hallgenerator 16 gesteuert wird, der genau in der Mitte zwischen den HauptWicklungen 37 u nd 40 am Stator 10 angeordnet ist, vgl.
Fig . 1 und 3B. Der Hallgenerator 15 steuert zwei pnp-Transistoren 54, 55 eines. Diff erenzverstärkers, die ihrerseits als Treiber für npn-Endstuf en-Transistoren 56, 57 dienen, von denen der Transistor 56 den Strom in den Hauptuicklungen 37 und 45 und der Transistor 57 den Strom in den Hauptuicklungen 40 und 48 steuert. Der eine Stromanschluß des Hallgenerators 16 ist über einen als variabl er Widerstand dienenden npn-Transistor 58 mit einer Plus-L eitung 59 verbunden, der andere über einen Widerstand 60 mit einer NinusLeitung 61. Die Emitter von 54 und 55 sind miteinander und, über einen gemeinsamen Widerstand 64, mit 59 verbunden. Der Kollektor von 54 ist über, einen Widerstand 65 mit 61 und direkt mit der Basis von 56 verbunden. Ebenso ist der Kollektor von 55 über einen Widerstand 66 mit 61 und direkt mit der Basis von 57 verbunden. Die Wicklungen 37, 45 sind mit ihrem Anschluß 50 mit dem Koll ektor von 56, und mit ihrem Anschluß 49 mit der Plusl eitung 59 verbunden. Ebenso sind die Wicklungen 40, 48 mit ihrem Anschluß 52 mit dem Koll ektor von 57 und mit ihrem Anschluß 51 mit der Plusleitung 59 verbunden. Zur Ansteuerung des Transistors 58 dient ein Regelverstärker 63, der im vorli egenden Fall e die Drehzahl durch Steuerung des in den Hallgenerator 16 fließenden Steuerstroms regelt. Zur Erfassung des Drehzahl-Istwerts di ent eine Sensorwicklung 80, welche zur Erfassung der zweiten Oberwelle ausgel egt ist. Ihr Aufbau wird nachfolgend beschrieben. Di e Wirkungsweise der Schaltung nach Fdjg. 4 i st im Zusammenhang mit Fig. 2 der DE-OS 27 30 142 sehr ausführlich beschri eben, so daß hi erauf verwi esen werden kann.
Zur Aufnahme der Sensoruicklung 80 für die zweite Oberwelle weist das Statorblech 10 acht Hilfsnuten 71 bis 80 auf, die am Statorumfang gl eichmässig verteilt sind und voneinander jeweils einen Uinkelabstand von 90° el . haben. Die Lage all er Nuten rel ativ zueinander ist in den Fig. 3B und 3C maßstablich dargestellt und mit denselben Bezeichnungen beschriftet. Man erkennt z. B. , daß di e Hilfsnut 71 (Fig. 3C) genau in der Mitte zwischen den Hauptnuten 35 und 36 li egt, die Hilfsnut- 72 genau in der Mitte zwischen den Hauptnuten 36 und 38 etc. , das heißt, di e Nutenanordnung nach Fig. 1 ist klappsymmetrisch aufgebaut. Klappt man die beiden Statorhälf ten längs ein er der Symmetri eachsen, z. B. der Achse 79, auf einander, so kommen entsprechende Nuten jeweil s auf einander zu li egen, z. B. 35 auf 36, 78 auf 72, etc.
Die Wicklung gemäß Fig. 3C ist eine Wellenwicklung 80, die in sich selbst zurückgeschleift ist, das heißt vom Anschluß 83 geht die Wicklung durch die Nut 77, weiter zur Nut 76, von dort zur Nut 75 etc. bis zur Nut 71 und von dort zur Nut 78 und zur Nut 77 zurück. Dort kehrt sich die Richtung der Wicklung um, und diese durchläuft jetzt in umgekehrter Richtung wieder die Nut 78, dann die Nuten 71 bis 76 und wird dann möglichst ganz in der Nähe des Anschlusses 83 nach außen geführt. - Würde man die Sensorwicklung 80 an der- Nut 77 enden lassen (gestrichelt gezeichneter Anschluß 84 in Fig. 3C), so würde dieselbe Oberwelle der induzierten Spannung erfaßt, aber die Amplitude wäre nur halb so groß, und vor allem würden von einer solchen Wicklung auch pulsierende Streufelder erfaßt, die parallel zu der in Fig. 1 mit 85 bezeichneten Rotorwelle verlaufen. Durch die Rückführung der Sensorwicklung um denselben
Drehwinkel von 720º el. zum Ausgangspunkt, nämlich dem zweiten Anschluß 86, wird bewirkt, daß solche axialen
Streufelder in der Sensorwicklung 80 zwei exakt gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Spannungen induzieren, die sich foldich aufheben und daher keinen Einfluß auf den
Regler 63 und damit die Güte der Regelung haben.
Naturgemäß kann die Sensorwicklung 80 zur Erhöhung der Ausgangsspannung auch mehrfach um den Stator 10 herumgeführt sein, z.B. zwei volle Umdrehungen, und dann um denselben Winkel wieder zum Ausgangspunkt zurückgeführt werden, wenn solche axialen Felder kompensiert werden sollen.
Die einzelnen magnetisch aktiven Abschnitte der Sensorwicklung 80 (in den Nuten 71 bis 80) haben voneinander jeweils einen Winkelabstand von (180° el. : 1 + n × 180° el.), wobei n = 0,1, 2, ... und 1 = Ordnungszahl der zu erfassenden Oberwelle ist. Im vorliegenden Falle ist 1 = 2 und n = 0, und foldich beträgt dieser Winkel hier 90° el.
Die Sensorwicklung 80 besteht aus mindestens zwei magnetisch aktiven Abschnitten. Sie erfaßt die in Fig. 10 D dargestellte zweite Oberwelle der Rotormagnetisierung und erzeugt somit eine Meßspannung relativ hoher Frequenz, welche doppelt so hoch ist wie die aus dem Hallgenerator 16 entnehmbare Frequenz, wobei zudem die Nulldurchgänge wesentlich gleichmäßigere Abstände haben alsdie Nulldurchgänge der Hallspannung. Bei einem solchen Motor liefert z.B. der Hallgenerator 16 vier Impulse pro Umdrehung, die Sensorwicklung 80 dagegen acht Impulse pro Umdrehung, Wenn der Drehzahlregler 63 (Fig. 4) für die Auswertung der Frequenz (und nicht der Amplitude) der an ihn angelegten Spannung ausgelegt ist, läßt sich eine sehr genaue Drehzahlregelung mit guter Langzeitkonstanz und sehr kleiner Temperaturabhängigkeit erreichen. Einen solchen Drehzahlregler zeigt z.B. die DOS 26 16 044. Als Beispiel kann ein Blechpaket analog Fig. 1 mit einem
Durchmesser von 80 mm und einer Höhe von 18 mm genannt werden, in das eine eindrähtige Sensorwicklung 80 gemäß
Fig. 3C eingewickelt worden war. Der Rotormagnet 11 hatte eine
Induktion von 1,2 kG. Bei einer Drehzähl von 36oo U/min. ergab sich zwischen den Anschlüssen 83 und 86 eine Wechselspannung mit einem Effektivwert von 0,3 Volt.
Ein besonderer Vorteil der beschri ebenen kl app symmetrischen Anordnung der Sensoruicklung 80 besteht darin, daß sich die in ihr von den Hauptuicklungen transformierten, induzierten Spannungen gegenseitig aufheben und deshalb den Regel vorgang nicht stören.
Die Anordnung nach Fig. 1 hat den Nachteil, daß man einen speziell en Bl echschnitt benötigt, was nur bei größeren Motorstückzahl en wirtschaftlich ist. Die Erfindung läßt sich aber auch mit handel süblichen Bl echschnitten realisieren, und di es zeigt Fig. 2 in Verbindung mit den Fig. 3A bis 3C. Es werden dort für gl eiche oder gl eichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen veruendet wie im vorausgegangenen Teil der Beschreibung.
Der Blechschnitt 88 ist ebenfalls für einen 4-poligen Außenläuf ermotor bestimmt, dessen Rotor exakt demjenigen nach Fig. 1 entspricht, so daß auf die dortige Beschreibung Bezug genommen werden kann. Der Bl echschnitt 88 hat 24 Nuten 89 von identischer Form, die jeweil s einen Abstand von 15 mech. = 30 el . voneinander haben. Die einzelnen
Wicklungen sind völlig i dentisch angeordnet wi e bei
Fig. 1 , so daß insgesamt acht Nuten unbeuickelt bl eiben.
Die erste Hauptuicklung ist auch hi er mit 37 bezeichnet, und beiden Nuten, in denen si e gewickelt ist, haben einen
Abstand von 120 el . voneinander. Die zueite Hauptwicklung ist mit 40, di,e. dritte Hauptuicklung ist mit 45 und die vierte Hauptuicklung mit 48 bezeichnet. Sie sind, uie dargestellt, gleichmässig am Statorumfang verteilt und gleich ausgebildet uie die Hauptuicklung 37. Die magnetisch aktiven Abschnitte der Sensoruicklung 80 sind mit 80' bezeichnet, haben jeueils einen Abstand von 90 el. voneinander und liegen jeweils auf der Winkelhalbierenden zuischen zwei benachbarten Nuten von Hauptuicklungen, um, uie beschrieben, eine transformatorische Kopplung zuischen Hauptuicklungen und Sensoruicklung zu vermeiden. Die Anordnung der Sensoruicklung 80 ist mit dem Schema nach Fig. 3C identisch, so daß auf die Beschreibung hierzu veruiesen werden kann. Will man in den Blechschnitt nach Fig. 2 mehr Kupfer wickeln, so kann man drein Fig. 5 dargestellte Schleifenwicklung 92 an Stelle der Wiiklungsart nach Fig. 38 verwenden. Hierbei werden pro Hauptuicklung vier Nuten 89 verwendet. Gemäß Fig. 5 liegen zwei Wicklungsabschnitte in zwei benachbarten Nuten 93 und 94, dann folgen zwei L eernuten 95 und 96 und dann uieder zwei bewickelte Nuten 97 und 98. Der größere Wickelschritt y1 beträgt also 120 el.und der kleinere Wick el schritt y2 beträgt 90 el. Die Winkel sind in Fig. 5 explizit angegeben. Diese Ausführung der Wicklung ergibt einen besseren Kupferfüllfaktor, wobei die induzierte Spannung etwas abgerundet wird und sich ein günstigerer Verlauf des vom Motor erzeugten Drehmoments ergibt. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, daß die Sensoruicklung nicht mehr genau klappsymmetrisch zu den Hauptuicklungen eingebracht werden kann, denn in
Fig. 5 müßte die Sensorwicklung ja entweder in der Nut 95 oder der Nut 96 liegen. Wird die Nutzahl bei einem konventionellen Blechschnitt verdoppelt, so kann man naturgemäß die Sensoruicklung auch bei der Wicklungsart nach Fig. 5wieder klappsymmetrisch anordnen, weil dann zwischen den Nuten 95 und 96 eine zusätzliche Nut liegt, in die man den betreffenden Abschnitt der Sensoruicklung legen kann. Die Hauptuicklung wird dann zueckmässig auf sechs oder acht Nuten verteilt, während sie bei Fig. 5 nur auf vier Nuten verteilt ist. Dieses Problem kann aber auch ohne Erhöhung der Nutenzahl durch eine ueitere erfinderische Überlegung gelöst werden, und hierzu wird auf die Fig. 14A bis 14D veruiesen.
Fig. 14A zeigt die 24 Nuten 89 des Statorblechpak ets gemäß Fig. 2 in der üblichen Abuicklung. Fig. 14B zeigt - in Relation zu den Nuten 89 der Fig. 14A - die Anordnung der Statoruicklung 92, uelche mit derjenigen nach Fig. 5 identisch ist, weshalb diese Anordnung nicht nochmals beschrieben wird. Diese Anordnung ergibt, uie bereits erläutert, eiflen günstigeren Verlauf des Drehmoments als die Anordnung nach Fig. 1, uelch letztere elektromotorisch nicht besonders günstig ist und voruiegend zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung dient.
Bei dieser Anordnung der Statoruicklng 92 liegt jeueils ein Zahn in der Mitte eines Statorpols, und diese "Mittelzähne" sind in Fig. 14A die Zähne 111, 112, 113 und 114.
Die Erfindung geht nun von der Überlegung aus, zu diesem Mittelzahn eine Symmetrie dadurch herzustellen, daß auf jeder Seite dieses Zahns ein gleichna-miger magnetisch aktiver Wicklungsabschnitt dar Sensoruicklung liegt. Gleichnamig soll hierbei bedeuten, daß wenn die Sensorwicklung von einem Gleichstrom durchflössen wird, auf beiden Seiten dieses Zahns die gleiche Stromrichtung vorliegt. Dadurch erreicht man, daß auch in diesem Fall die Sensoruicklung nicht transformatorisch mit den einzelnen Statoruicklungen gekoppelt ist. - Die Winkelangaben zu den Fig. 14C und 14D beziehen sich genauso uie die vorhergehenden auf die für die Hauptpole angegebenen Winkel, uie sie in den Fig. 9 und 10 dargestellt sind.
Fig. 14C zeigt eine Sensoruicklung 115 zur Auskopplung der zueiten Oberuelle. Wie man ohne weiteres erkennt, wird ausgehend von einer Klemme 116 die Wicklung zuerst mit einem Wicklungsschritt von 180 el. : 1 = 90 el. als Wellenwicklung nach links geführt, und zwar so, daß sie jeueils rechts von den Mittelzähnen 111 bis 114 liegt.
Am Ende uird die Wickelrichtung umgekehrt und die Wicklung
115 uird uiederüm als Wellenuicklung nach rechts zu einer
Klemme 117 zurückgeführt, aber jetzt so, daß sie links von den Mittelzähnen 111 bis 114 liegt, also um eine Nutteilung versetzt. Beiderseits der Mittelzähne liegen also gleichnamige magnetisch aktive Spulenabschhitte, d.h. in den
Spulenabschnitten, uelche beiderseits eines Mittelzahns liegen, wird im Betrieb eine Spannung derselben Richtung induziert. Eine solche Anordnung ist also elektrisch nach uie vor in der Weise symmetrisch zur Statoruicklung 92, daß. keine transfurmatorische Kopplung besteht.
Noch schuieriger ist die Anordnung einer Sensoruicklung zur Auskopplung der vierten Oberwelle bei der Wicklungsanordnung gemäß Fig. 14B. Eine solche Sensoruicklung benötigt einen Spulenschritt von 180 el. : 4 = 45 el., und da die Nuten 89 einen Abstand von 30 el. haben, würde an sich immer ein magnetisch aktiver Abschnitt der Sensorwicklung auf einem Zahnkqpf liegen müssen.
Fig. 14D zeigt die erf indungsgemäße Lösung dieses Problems in Form einer Sensoruicklung 118 für die Auskopplung der vierten Oberuelle. Diese Wicklung beginnt an einer Klemme 121 und geht von dort aus als Wellenuicklung nach links, und zwar alternierend mit Wicklungsschritten von 30 und 60 el. und so, daß jeueils ein magnetisch aktiver Abschnitt links neben den vier Mittelzähnen 111 bis 114 liegt. Nach Durchlaufen aller Nuten wird dann die Wicklungsrichtung umgekehrt, und die Wellenwicklung durchläuft wiederum mit alternierenden 30º - und 60º -Schritten die Nuten nach rechts bis zur Klemme 122, aber uie dargestellt um eine Nutteilung versetzt, so daß jetzt die magnetisch aktiven Abschnitte rechts von den Mittelzähnen 111 bis 114 liegen. Gleichnamige Wicklungsabschnitte der beiden Well en Wicklungen liegen also z.B. gemeinsam in den Nuten 94 und 97, und ebenso liegen gleichnamige Wicklung'sabschnitte beiderseits der Mittelzähne, also z.B. beiderseits des Mittelzahns 111 in den Nuten
95 und 96. Oder anders gesagt: alle 24 Nuten sind mindestens einfach belegt, aber ein Drittel von ihnen ist doppelt belegt. Der Winkelabstand von den doppelt belegten Nuten zu den nächsten beiden Wicklungsabschnitten entgegengesetzter Richtung beträgt also 30° el. und 60º el., also im Mittel 45° el., uie das in Fig. 14D für die Nut 97 eingetragen ist. Dieser mittlere Abstand Entspricht der auszukoppelnden vierten Oberwelle. Der ebenfalls vorhandene Winkelabstarid von 60 und 30 el. entspricht der dritten bzu. der sechsten Oberuelle, welche gemäß Fig. 15 beide praktisch gleich Null sind und folglich nicht stören.
Mit einer verdoppelten Zahl von Statornuten lassen sich analog zu Fig. 14C und 14D die vierte und die achte Oberyelle auskoppeln, wobei dann gegenüber diesen Figuren alle Winkel schritte halbiert werden müssen, oder anders ausgedrückt müßte man Fig. 14C und Fig. 14D auf die halbe Breite schrumpfen lassen, wobei wiederum die Symmetrie bezüglich der Mittelzähne zu beachten wäre, um transformatorische Kopplungen zu vermeident Nach denselben Grundsätzen lassen sich naturgemäß auch Sensoruicklungen für andere Nutenzahlen und andere Oberuellen aufbauen. - Die Lage des galvanomagnetischen Sensors 16 zuischen zwei Hauptuicklungen ist auch in den Fig. 5 und 14B dargestellt.
Die Fig. 6 bis 8 und 11 bis 13 zeigen mögliche Ausbildungen von Sensoruicklungen für einen vierpoligen
Flachmotαr. Sein Rotor ist in Fig. 8 dar DE - OS 27 30 142 dargestellt. und die Hauptuicklung entspricht der in Fig. 9 dieser DE - OS dargestellten Wicklung. Sie besteht aus vier etua sektorförmigen Flachspulen 101 bis 104, die mit gleichmässigen Winkelabständen von je 180º el. (= 90º mech.) um eine Welle 100 herum angeordnet sind. Der Hallgenerator
16 liegt auf der Winkelhalbierenden zuischen den Spulen
102 und 103. Die Anschlüsse der vier Spulen sind analog zu Fig. 4 mit 49, 50 bzu. 51, 52 bezeichnet. Die Schaltung entspricht derjenigen nach Fig. 4. Die Fig. 6 bis 8 zeigen Sensorwicklungen zur Auskopplung der zueiten Oberuelle. In Fig. 6 verlaufen die magnetisch aktiven Abschnitte 105 der Sensorwicklung, uelch letztere hier mit 106 bezeichnet ist (diese Zahl ist deshalb in Fig. 4 in Klammern angegeben), jeueils auf den Winkelhalbierenden zwischen den vier Hauptwicklungen 101 bis 104 und auf deren Mittelachsen. Man erhält also eine Wellen- oder Mäanderwicklung, deren Anschlüsse in Fig. 6 mit 107 und 108 bezeichnet sind. Der Mäander kann natürlich zur Erhöhung der Spannung mehrfach durchlaufen uerden. Wichtig ist, daß sich die magnetisch aktiven
Abschnitte 112 über die gesamte Breite des Rotormagneten erstrecken , uel che in Fig. 6 durch stri chpunkti erte Linien 109 angedeutet ist. - Die magnetisch aktiven
Abschnitte 105 haben voneinander jeueils einen Abstand von 90º el., damit sie nur die zueite Oberuelle erfassen.
Die Sensorwicklung 106 nach Fig. 6 eignet sich für Flachmotoren, bei denen. kein Streufeld in Richtung der Welle 100 auftritt. Durch die beschriebene Art der Wicklung ist die Sensorwicklung 106 nicht transformatorisch mit den Hauptwicklungen 101 bis 104 gekoppelt.
Falls ein Streufluß in Richtung der Welle 100 auftritt, kann man die Sensorwickluηgen 106' nach Fig. 7 bzu. 106'' nach Fig. 8 verwenden. In beiden Fällen wird die Grundform nach Fig. 6 verwendet, aber bei Fig. 7 wird die Wicklung auf demselben Weg wieder zurückgeschleift, wodurch sich die Ausgangsspannung verdoppelt. Diese Anordnung entspricht also derjenigen nach Fig. 3C. Bei Fig. 8 verläuft die Rückführung 110 um die Welle 100 herum, aber nicht mehr quer zum Rotor 109, d.h. von letzterem werden in der Rückführung 110 bei Rotation keine Spannungen induziert, wohl aber vom Streufluß, welcher in Wellenrichtung verläuft. Sowohl bei Fig. 7 wie bei Fig. 8 heben sich die Spannungen gegenseitig auf, uelche von dem in Wellenrichtung verlaufenden Streufluß in der betreffenden Sensorwicklung induziert werden. Die Rückführung 11o kann auch innerhalb der Mäanderwicklung liegen. Bei den Fig. 6 bis 8 können die Sensoruicklungen in Form einer gedruckteh Schaltung auf eine dünne Folie aufgedruckt und in dieser Form am Stator in der richtigen Lage, also transformatorisch entkoppelt, montiert werden.
Die Fig. 11 und 12 zeigen für denselben 4-poligen Motor gemäß Fig. 6 Sensoruicklungen zum Auskoppeln der vierten Oberuelle, also. mit einem Winkelschritt von 45° el. = 22,5° mech. zuischen den magnetisch aktiven Abschnitten, uie das in den Fig. 11 und 12 eingetragen ist.
In Fig. 11 ist die Sensoruicklung mit 124 bezeichnet, und ihre Klemmen sind mit 125, 126 bezeichnet. Der Aufbau entspricht vollständig demjenigen nach Fig. 7, d.h. die Wellenuicklung ist auf demselben Wege uieder zum Ausgang zurückgeschleift.
In Fig. 12 ist die Sensoruicklung mit 127 und ihre Anschlüsse sind mit 128 und 129 bezeichnet. Der Aufbau entspricht vollständig demjenigen nach Fig. 8, d.h. es ist hier eine Rückführung 130 um die gesamte Welle 100 herum zurückgeführt. Zur Verdeutlichung der Orientierung in Relation zur Hauptuicklung 101 bis 104 nach Fig. 6 ist dort und in den Fig. 11 - 13 eine strichpunktierte Bezugslinie 133 eingezeichnet, die in allen vier Figuren durch einen magnetisch aktiven Abschnitt der betreffenden Sensoruicklung verläuft und die Winkelhalbierende der Statoruicklungen
101 und 103 darstellt. +(oder für einen 6o-poligen Tachomagneten)
Fig. 13 zeigt eine auf eine isolierende Folie 134 aufgedruckte Sensoruicklung 135, deren magnetisch aktive Abschnitte einen Winkelabstand von 180º el. : 15 = 12 el. aufueisen, also zur Auskopplung der 15. Oberuelle geeignet sind. Eine Rückführung 136 umschlingt auch hier die - nicht dargestellte - Welle, um axiale Streuflüsse weitgehend zu kompensieren. Die Anschlüsse der Wicklung 135 sind mit 137 und 138 bezeichnet. Gemäß Fig. 15 ist allerdings die Auskopplung der 15. Oberuelle weniger vorteilhaft als z.B. die Auskopplung der 11. oder .der 14. Oberuelle. welche beide wesentlich größere Amplituden haben. Durch eine entsprechende Wahl des Winkels zwischen den magnetisch aktiven Abschnitten läßt sich eine solche Auskopplung sehr leicht erreichen. Für die 11. Oberwelle müßte der Winkel zwischen 2 magnetisch aktiven Abschnitten z.B. 180° el. : 11 betragen.
Figur 15 zeigt, wie bereits erläutert, das Frequenzspektrum der in Fig. 10 B dargestellten Spannung, deren Amplitude û zu 100 % gesetzt ist. Man erkennt, daß die
Grunduelle dieser Spannung eine Amplitude von etwa 87,8 % von û hat, die zweite Oberwelle etwa halb so groß ist wie û, die fünfte Oberwelle etwa 1/5 und die achte Oberwelle etwa 1/8 von û. Die dritte, sechste, neunte etc. Oberwelle sind praktisch gleich Null. Figur 15 gilt für eine Spannung mit steilen Flanken. Sind die Flanken weniger steil, so haben die Oberwellen ab der fünften Oberwelle nur noch sehr kleine Amplituden. Je nach der Form der vorzugsweise trapezförmigen Magnetisierung des Rotors ist man also bei der Ordnungszahl der noch verwertbaren Oberwellen nach oben begrenzt, wenn man eine Sensorwicklung mit nicht zu hdner Windungszahl anstrebt.
Die Sensorwicklungen gem. Figuren 11, 12 oder 13 (insbesondere die nach Fig. 11) eignen sich wegen ihrer Kompensation von Streufeldern - ob diese nun vom Motor oder vom Gerät her stammen - für die Verwendung in Verbindung mit besonders empfindlichen, schnellen Regelschaltungen (z.B. Phasenregler, sogenannte PLL-Schaltungen, die meist mit einem Quarz-Normal arbeiten). Solche Sensorwicklungen bewirken praktisch keine Vergrößerung des Motors und ergeben deshalb sehr kompakte Motoren.
Die Erfindung läßt sich in gleicher Weise bei allen Motoren anwenden, deren Rotormagnetfeld erheblich von der Sinusform abweicht und sich deshalb, wie in Fig. 10 C bis 10 E anbegeben, in räumliche Oberwellenfel der unterschiedlicher Frequenz und Amplitude zerlegen läßt. Dies wird im folgenden an ergänzenden Ausführungsbeispielen erläutert.
Auch im folgenden Teil der Beschreibung werden für gleiche oder gleich wirkende Teile jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet wie in den vorhergehenden Figuren. Zur Vereinheitlichung der Terminologie uerden die Begriffe verwendet, wie sie im Aufsatz des Erfinders "Zweipulsige kollektorlose Gleichstrommotoren" in der Zeitschrift "asr-digest für angeuandte Artriebstechnik", Heft 1 - 2, 1977, definiert worden sind. Die Fig. 21 und 22 der vorliegenden Anmeldung entsprechen Bild 4 und Bild 5 dieses Aufsatzes, so daß hierauf zur weiteren Erläuterung Bezug genommen werden kann.
Definitionen:
Die Polzahl bezieht sich immer auf die Polzahl 2p des Rotors Z.B. sind die Motoren nach Fig. 16 und Fig. 19 vierpolig, und die nach Fig. 17, 18 und 20 zweipolig. Die Erfindung eignet sich natürlich auch für höhere Polzahlen, wobei jedoch mit zunehmender Polzahl der Abstand der magnetisch aktiven Abschnitte der Sensorwicklung immer kleiner wird.
Die Strangzahl bezieht sich auf die Zahl der separaten Wicklungen des Stators und könnte auch als Phasenzahl bezeichnet werden. Z.B. zeigen die Fig. 16, 17, 20 und 21 dreisträngige Motoren, da die Staterwinklung jeweils drei getrennte Stränge hat, und die Fig. 1B, 19 und 22 zeigen zweisträngige Motoren.
Die Pulsigkeit gibt an, wieviele Stromimpulse der Statorwicklung pro Rotordrehung von 360 el. zugeführt werden. Z.B. erhält bei Fig. 16 während einer Drehung von 360º el., also einer halben Umdrehung des Rotors, jeder der drei Stränge einen Stromimpuls zugeführt, wobei die Schaltung nach Fig. 21 verwendet wird. Fig. 16 zeigt also einen dreipulsigen Motor, ebenso Fig. 17 und Fig. 20. Bei Fig. 18 werden - durch die Schaltung nach Fig. 21 - während einer Drehung von 360 º el., hier also einer vollen Rotordrehung, jeder der beiden Statorwicklungen je zwei Stromimpulse zugeführt, also insgesamt vier Stromimpulse, d.h. der Motor ist vierpulsig; auch der Motor nach Fig. 19 ist vierpulsig.
Sowohl drei- wie vierpulsige Motoren erzeugen in allen Rotorstellungen ein elektromagnetisches Antriebs-Drehmoment, d.h. solche Motoren können aus jeder beliebigen Drehstellung heraus anlaufen. De höher die Pulsigkeit ist, umso niedriger sind die Schuankungen des vom Motor gelieferten Drehmoments.
Die Magnetisierung des Rotors hat bei Fig. 16 bis 19 immer etua dieselbe Form, wie sie in Fig. 18 B beispielhaft dargestellt ist, also etua trapezförmig. Bei Fig. 20 ist die Magnetisierung (Fig. 20 B) des Rotors (Fig. 20 C) etua rechteckförmig, hat also sehr steile Flanken. Der Außenrotor ist in allen Fällen identisch aufgebaut wie der Außenrotor 11 der Fig. 1. Der Rotormagnet ist - jeweils in Abwicklung - dargestellt in den Fig. 16 B, 17 B, 18 C, 19 B und 20 C.
Die Darstellung der Wicklungen in den Fig. 16 bis 20 erfolgt in der üblichen Weise und wird daher nicht jedesmal bis ins einzelne beschrieben. In jedem Fall sind die Nuten des Blechschnitts beziffert, z.B. bei Fig. 16 A von 1' bis 24', und diese Nuten sind dann abgewickelt nochmals dargestellt, z.B. zwischen Fig. 16 C und 16 D, und zuar in exakter Relation zu den abgewickelten Wicklungen, so daß man also genau sieht, welche Wicklungen in welcher Nut liegen und wie diese Wicklungen geschaltet sin d. Di es e Darstell ung o f f enbart Form un d Schal tun g der einzelnen Wicklungen in so vollkommener Weise, daß jeder Fachmann danach arbeiten kann. Die Darstellung der Wicklungen im Blechschnitt gibt die Stromrichtung in der üblichen Weise an: Punkt bedeutet, daß der Strom aus der Zefchenebene herausfließt, und Kreuz, daß er in sie hinein fließt. Dies bezieht sich auf die in den Abwicklungen willkürlich festgelegten Strompfeile. (Natürlich fließt in der Sensorwicklung im Betrieb ein Wechselstrom und kein Gleichstrom!).
Die Hallgeneratoren oder sonstigen Sensoren sind jeweils in ihrer Lage am Blechschnitt sowie in der Abwicklung dargestellt. Ihre Bezeichnung stimmt mit der in Fig. 21 bzw. 22 überein.
Bei Fig. 16 wird derselbe Blechschnitt 88 verwendet wie in Fig. 2, d.h. es sind 24 Nuten 89 vorgesehen, die durchlaufend mit 1' bis 24' bezeichnet sind. Es ist eine gesehnte (short-pitch) dreistängige Hauptwicklung 130 vorgesehen, deren drei Stränge mit 131, 132 und 133 bezeichnet sind. Die drei Hallgeneratoren, welche diese Stränge steuern, sind wie folgt angeordnet:
Hallgenerator 34 zwischen Nut 6' und 7': Steuert Strang 131 Hallgenerator 135 zwischen Nut 10' u.11': Steuert Strang 132 Hallgenerator 136 zwischen Nut 14' u.15': Steuert Strang 133.
Die Sensorwicklung 137 (Fig. 16 D) dient hier zur Erfassung dar dritten Oberuelle und hat deshalb zwischen ihren magnetisch aktiven Abschnitten einen Abstand alpha von 180 el. : 1 = 60 el., bei Fig. 16 D also 30 mechanisch, da der Rotor zweipolig ist. Die Sensorwicklung 137 besteht aus zwei Wellenwicklungen, nämlich einer vom Anschluß 138 nach rechts verlaufenden Well enwicklung 139, und einer zum anderen Anschluß 140 nach links zurückverlaufenden Well enwicklung 141, die gegenüber der Wellenwick lung 139 um einnn Winkel beta räumlich versetzt ist, wob ei beta = 90° cl . : 1 = 90° el. : 3 = 30° el. (l = Ordnungszahl der zu erfassenden Oberwelle).
Dio Phasenlage relativ zur Hauptwicklung 130 ist so gewählt, daß mit der Hauptwicklung keine transformatorische Kopplung besteht: Die Hauptwicklung 131 begimt in der Nut 1', die Hauptwicklung 132 in der Nut 3', und die Hauptwicklung 133 in der Nut 5'. Die Sensorwicklung 137 geht vom Anschluß 138 zur Nut 2', dann zurück durch die Nut 3', dann durch die Nuten 5', 7', 9', ... 23' zur Nut 1' und von dort zurück zur Nut 24' und dann 22', 20', ... 6', 4' zum Anschluß 140.
Die Form der in der Sensorwicklung 137 induzierten Spannung uT ergibt sich aus Fig. 16 E. Diese Spannung enthält ersichtlich Oberwellen, doch ist der Abstand der Nulldurchgänge sehr gleichmässig, untä deshalb eignet sich diese Spannung sehr gut für Regelaufgaben. Fig. 16 stellt deshalb die am meistsn bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar.
Wird bei dem Blechschnitt 88 eine ungesehnte dreisträngige Hauptwicklung verwendet, so kann die Sensorwicklung nicht ohne transformatorische Kopplung mit der Hauptwicklung in die Nuten 89 eingelegt werden. Eine für diesen Fall geeignete Lösung zeigt Fig. 17, wobei die Sensorwicklung (Fig. 17 D) dort ebenfalls zur Auskopplung der dritten Oberwelle dient.
Der Blechschnitt 145 gemäß Fig. 17 A hat sechs symmetrisch verteilte ausgeprägte T-Pole 146 mit einer konzentrierten, ungesehnten dreisträngigen Hauptwicklung 147, deren drei Stränge mit 148, 149 und 150 bezeichnet sind. Die einzelnen Stränge sind im Durchmesser gewickelt, und zwar in den Hauptnuten A, C, E, G, 3, und L.
Zur Aufnahme der Sensorwicklung 153 ist hier in der Mitte jedes Statorpσles 146 eine Nut B, D, F, H, K und M vorgesehen, in die eine Well enwicklung gemäß Fig. 17 D eingelegt ist. Diese geht von der Nut B mit einem Wicklungsschritt von 180 º el. : 1 = 60º el. nach rechts bis zur Nut B, und von dort in der gleichen Weise zurück bis zur Nut D. Die Form der in der ϊffisorwicklung 153 im Betrieb induzierten Spannung ergibt sich aus Fig. 17 E. Die drei Hallgeneratoren (oder sonstigen äqwivalenten
Sensoren) sind wie folgt angeordnet:
Hallgenerator 34 an der Nut A: Steuert Strang 148.
Hallgenerator 135 an der Nut E: Steuert Strang 150 Hallgenerator 136 an der Nut 3: Steuert Strang 149.
Die zugehörige Schaltung ist in Fig. 21 dargestellt.
Auch bei einer zweisträngigen Wicklung mit um 90° el. gegeneinander versetzten Wicklungssträngen ist nach der vorliegenden Erfindung eine Vermeidung der transformatorischen Kopplung zwischsn Hauptwicklung und Sensorwicklung möglich. Diss zeigen die Fig. 18 und 19.
Fig. 18 zeigt einen zweipoligen, zweisträngigen Motor mit einer ungesehnten (full-pitch) Hauptwicklung 159
(Fig. 18 E) , di e in einem Bl echschnitt 160 mit vier symmetrischen, ausgeprägten T-Polen 161 untergebracht ist, und zwar in den vier Hauptnuten A, C, E und G. Die beiden Stränge der Hauptwicklung 159 sind mit 162 und 163 bezeichnet und im Durchmesser gewickelt, wie das in
Fig. 18 A angedeutet ist. Ferner sind zwei Hallgeneratoren 164, 165 vorgesehen, die relativ zueinander um 90º el. versetzt sind und von denen der eine an der Nut C liegt und den Strang 163 steuert, uährend der andere an der Nut E liegt und den Strang 162 steuert.
Zur Aufnahme der Sensorwicklung 166 sind vier Hilfsnutsn B, D, F und H vorgesehen. Geht man von der Nut A im Uhrzeigersinn aus, so ist B von A 60° und D von A 120° entfernt. Geht man von dar Nut A entgegen dem Uhrzeigersinn aus, so ist H von A 60° und F von A 120° entfernt, wie das Fig. 18 A klar zeigt.
Ausgehend von einem Anschluß 167 durchläuft also die Sensorwicklung 166 zuerst die Nut A, dann die Nuten B, D, F, H und zurück zur Nut A. Dort kehrt sich die Wicklungsrichtung um zurück zur Nut H, und weiter zu den Nuten D und B und zum zweiten Anschluß 168. Der Wicklungs schritt beträgt also 180° el. : 1, also 60° el., doch sind in der Mitte der Abwicklung jeweils zwei Wicklungsschritte weggelassen, nämlich zwei Wicklungsschritte pro Polpaar p, um eine transformatorische Kopplung zwischen Hauptwicklung 159 und Sensorwicklung 166 zu vermeiden.
Bei einem vierpoligen Motor müßte man entsprechend zweimal zwei Wicklungsschritte auslassen und erhielte dann eine rotationssymmetrische Wicklung, uas Vorteile bietet, da hierbei Teilungsfehl er des Rotormagneten besser kompensiert werden.
Die zugehörige Schaltung für vierpulsigen Betrieb ist in Fig. 22 dargestellt. Die Form der Tachσspannung uT an der Sensorwicklung 166 ist in Fig. 19 E dargestellt. Diese Spannung schuankt entsprechend der Grundwelle der Magnetisierung des Rotormagneten, doch sind die Abstände der Nulldurchgänge relativ gleichmässig und können daher für Regelzuecke genutzt werden.
Will man einen üblichen Blechschnitt, z.B. den Blechschnitt 88 nach Fig. 2 mit 24 Nuten 89, auch für einen zweisträngigen, vierpulsigen Motor verwenden, so läßt sich auch hierfür nach der Erfindung eine spezifische Sensorwicklung zur Auskopplung der dritten Oberuelle angeben, bei der durch räumliche Phasenverschiebung eines Teiles der Sensorwicklung um 30° el. (bezogen auf. die Polteilung des Rotormagneten) gegen den anderen Teil und durch zusätzliches Weglassen bestimmter Wicklungsschritte die transformatorische Kopplung relativ zu baiden Strängen der Hauptwicklung aufgehoben wird. Einen solchen Motor zeigt Fig. 19. Der Blechschnitt 88 hat 24 Nuten 89, die wie bei Fig. 16 mit 1' bis 24' bezeichnet sind. Der Rotor ist vierpolig magnetisiert, vergl. Fig. 19 B, und die Hauptwicklung 171 hat zwei Stränge 172, 173. Der Hallgenerator 164 liegt zwischen den Nuten 12' und 13' und steuert den Strang 172, uährend der Hallgenerator 165 zwischen den Nuten 15' und 16' liegt und den Strang 173 steuert. Der Abstand zwischen den beiden Hallgeneratoren 164 und 165 be trägt also 90° el. = 45° mech. Der Verlauf der
Hauptwicklung 171 ergibt sich aus den Fig. 19 A und 19 C in eindeutiger Weise. Die Hauptwicklung 171 ist 5/6 gesehnt. Fig. 19 D zeigt den Verlauf der Sensorwicklung 175. Ausgehend von einem Anschluß 176 verläuft diese durch die Nuten 4', 7', 9', 11', 16', 19', 21' zur Nut 23', und von dort wieder zurück durch die Nuten 21', 18', 16', 14', 9', 6', 4' und 1' zum anderen Anschluß 177. Ebenso wie die Sensorwicklung 166 ist also auch die Sensαwicklung 175 klappsymmetrisch und läßt wie diess jeweils zwei Wickelschritte aus. Ferner besteht die Sensorwicklung 175 aus vier Abschnitten 178, 179, 180 und 181, die gegeneinander versetzt sind. In jedem dieser vier Abschnitte wird derselbs Wickelschritt von 180° d. : 1 = 60° el. veruendet, z.B. von Nut 2' zu Nut 4', und von Nut 4' zu Nut 6'. Es sind in Phase die Abschnitte 178 und 180, sowie die Abschnitte 179 und 181. Der Abschnitt 178 ist um einen Winkel gamma von 90 el. : 1 = 30 el. gegenüber den Abschnitten 179 und 181 in der Phase versetzt, und dasselbe gilt für den Abschnitt 180. Durch diese Maßnähme und das Weglassen der mittleren Wicklungsschritte gelingt es - man darf wohl sagen in erstaunlicher Weise-, auch hier eine transformatorische Kopplung mit bei den Strängen der Hauptwicklung 171 zu vermeiden.
Fig. 19 E zeigt die Form der Spannung uT an dar Sensorwicklung 175. Auch hier enthält diese Spannung einen kleinen Anteil von der Grunduelle des Rotormagneten.
Zur Erfassung dar neunten Oberuelle bei einem Rotormagneten (Fig. 20 C), der etua rechteckförmig magnetisiert ist, wie das Fig. 20 B zeigt (diese Fig. zeigt den Induktionsverlauf in Drehrichtung über dem Rotorumfang gemessen), dient die Anordnung nach Fig. 20. Die Sensorwicklung 185 muß hier eine - Wicklungsschrittweite haben, die einem Neuntel der Schrittueite der Hauptwicklung 186 entspricht, also nur 20° el. beträgt. Bei einem Kleinoder Kleinstmotor kann man im allgemeinen die hierfür er forderliche Nutenzahl von 9 × 2p für die Hauptwicklung nicht zueckmässig nutzen, so daß nach der Erfindung hierfür eine Statoranordnung mit ausgeprägten Polen 187 und konzentrierter Hauptwicklung 186 besser geeignet ist. Die Wicklung 186 ist hier gesehnt und liegt in drei Hauptnuten A, G und N. Die drei Stränge der Hauptwicklung 186 sind mit 188, 189 und 190 bezeichnet.
Es sind ferner 15 Hilfsnuten B - F, J - M und 0 - S vorgesehen, jeueils in einem Abstand von 20 el. = 20 mech. voneinander und von den Hauptnuten A, G und N, vergl. Fig. 20 A.
Die Hall gen eratoren 134 bi s 1 36 sin d wi e fol gt angeordn et : Der Hallgenerator 134 liegt zwischen den Nuten H und J und steuert den Strang 188.
Der Hallgenerator 135 liegt zwischen den Nuten 0 und P und steuert den Strang 189. Der Hallgenerator 136 liegt zwischen den Nuten B und C und steuert den Strang 190. Dies ist in Fig. 20 D symbolisch dargestellt.
Die Sensorwicklung 185 ist als Wellenwicklung ausgebildet. Sie geht vom Anschluß 193 zur Nut A und von dort ueiter durch alle Nuten B, C etc. bis zurück zur Nut A, uendet dort und geht zurück über alle Nuten S, R, Q etc. bis zur Nut B und zum anderen Anschluß 194. Aus dem Vergleich von Fig. 20 D mit Fig. 20 E erkennt man ohne ueiteres, daß auch hier keine Kopplung der Sensorwickiung 185 mit der Haup twicklung 186 auftritt , d. h . man erhält an den Ausgängen 193, 194 eine Frequenz, die 9 mal größer ist als die an den Hallgeneratoren 134 bis 136 entnehmbare Frequenz und deshalb eine sehr gute Drehzahlregelung ermöglicht.
Fig. 21 zeigt schematisch den permanentmagnetischen Rotor 195 eines dreipulsigen Motors, dessen drei im Stern geschaltete Statorwicklungsstränge mit S 1 bis S 3 bezeich net und mit dem Sternpunkt 196 an eine positive SpannungUBangeschlossen sind. Zur Speisung diessr drei Stränge sind drei npn-Transistoren 197, 198, 199 vorgesehen, die jeueils mit ihrsm Kollektαr an den zugeordneten Strang und mit ihrem Emitter an die negative Leitung 200, also an Masse, angeschlcBeen sind. Der Hallgenerator 134 steuert den Transistor 197, dar Hallgenerator 135 den Transistor 198, und der. Hallgenerator 136 den Transistor 199. Diese Steuerung ist nur ganz schematisch dargestellt: Im Normalfall erfolgt die Ansteuerung über Treibertransistoren. Bei Fig. 16 würden z.B. den Strängen S 1 bis S 3 die Stränge 131 bis 133 entsprechen, bei Fig. 17 die Stränge 148 bis 150, und bei Fig. 20 die Stränge 188 bis 190. Während jeder Umdrehung des Rotors 195 von 360º el. erhält nacheinander jeder der drei Stränge S 1 bis S 3 einen Stromimpuls, also insgesamt drei Impulse, d.h. der Betrieb ist dreipulsig, und es wird kontinwierlich ein Drehmoment erzeugt, da sich die Stromimpulse gegenseitig überlappen.
Fig. 22 zeigt schematisch den Rotor 203 eines vierpulsigen Motors, dessen beide Stränge mit S 4 und S 5 bezeichnet und mit ihrem Sternpunkt 204 an Masse ( 0 Volt ) angeschlossen sind. Der andere Anschluß des Strangs S 4 ist mit dem Emitter eines npn-Transistors 205 und dem Kollektor eines npn-Transistors 207 verbunden. In gleicher. Weise ist der andere Anschluß des Stranges S 5 an den Emitter eines npn-Transistors 207 und den Kollektor eines npnTransistors 208 angeschlossen. Die Kollektoren der Transistoren 205 und 207 sind an eine positive Spannung +UB angeschlossen, die Emitter der Transistoren 206 und 208 an eine negative Spannung -UB. Wenn also z.B. der Transistor 205 leitet, fließt ein Strom in der einen Richtung durch S 4, und uenn der Transistor 206 leitet, fließt ein Strom in der anderen Richtung durch S 4. Dasselbe gilt - wegen der Symmetrie der Schaltung - für S 5 und die beiden Transistoren 207 und 208.
Zur Ansteuerung der Transistoren 205 bis 208 dient ein Ansteuergerät 210, dem Rotorstellungssignale von den bei den Hallgeneratoren 164 und 165 zugeführt uerden. Es uerden nacheinander erregt die Transistoren 205, 207, 206 und 208, so daß ein Drehfeld entsteht, das den Rotor 203 antreibt.
In Fig. 18 entsprechen den Strängen S 4 und S 5 die Stränge 162 und 163, in Fig. 19 die Stränge 172 und 173.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht also mit sehr einfachen Mitteln die Gewinnung einer Meßspannung mit im Verhältnis zur Drehzahl des Motors hoher Frequenz und recht gleichförmiger Periodendauer, wie man sie besonders für eine Drehzahlregelung unter Benutzung einer Frequenz als Maß der Drehzahl benötigt. Die bevorzugt verwendete Sensorwicklung wirkt wie ein Hochpaßfilter und sollte sich daher bevorzugt über 360° el. oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon erstrecken, um Teilungsf ehler, z.B. durch eine ungleichmässige Teilung der Nuten oder eine ungleichmässige Magnetisierung des Rotors, möglichst klein zu halten und eine sehr gleichförmige Periodendauer zu erhalten; bei Flachmotoren sollten bevorzugt Vorkehrungen getroffen sein, um Störungen durch axiale Streufelder zu eliminieren.

Claims

Ansprüche
1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem permanantmagnetischsn Rotor, dessen Pole eine Magnetisierung aufueisen, die an dar Poloberfläche und in Drehrichtung gesehen einen von der Sinusfunktion deutlich abueichenden Verlauf aufweist, uelcher Verlauf insbesondere etua rechteckförmig oder etua trapezförmig ist, wobei gegebenenfalls die Rotorpole durch symmetrische oder asymmetrische Pollücken voneinander getrennt sind, dadurch gskennzeichnet, daß am Stator (z.B. 10) des Motors eine Sensorwicklung (z.B. 80) zum Erfassen mindestens einer Oberuelle der von den Rotorpolen im Stator induzierten Spannung vorgesehen ist, und daß die Sensorwicklung (z.B. 80) für eine Rotorpolzahl ausgebildet ist, welche gleich dem Produkt ( 2p × 1 ) i st, wobei 2p di e tatsächliche Rotorpol z ahl und 1 die Ordnungszahl der zu erfassenden Oberuelle ist.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Rotor (z.B. Fig. 18 C) mit sich annähernd über eine gesamte Pσlteilung (180° el.) erstreckender, annähernd rechteckförmiger oder annähernd trapezförmiger Magnetisierung (z.B. Fig. 18 B) die Ordnungszahl (1) der zu erfassenden Oberwelle 3 oder 9 ist.
3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Rotor (z.B. Fig. 9), uelcher innerhalb von zwei Polteilungen, also innerhalb von 360° el., zunächst eine etua 120 ° el. lange Monopolzone (13) der einen Polarität, dann eine etua 120° el. lange Monopolzone (14) der anderen Polarität, und dann einen etua 120° langen Winkelbereich (18, 22, 19, 23) aufweist, uelcher so magnetisiert ist, daß er bei einer Relativbewegung zu einem über seine ganze Breite sich erstreckenden Leiter (L) in diesem im uesentlichen die Spannung Null induziert, die Ordnungszahl (l) der zu erfassenden Oberwelle 2, 4 oder 8 ist.
4. Motor nach einem der Anspruchs 1 bis 3, dadur di gekennzeichnet, daß die magnetisch aktivsn, in Reihe geschaltöten Abschnitte (80' ; 105) der Sensorwicklung jeweils einen mittleren Abstand von (180 el. : 1 + n × 180° el.) haben, wobei 1 die Ordnungszahl der zu erfassenden Oberuelle und n = 0,1,2... ist.
5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorwicklung (8; 106' ; 106''; 115; 118; 124; 127) relativ zu den am Stator vorgesehenen Antriebswicklungen (37, 40, 45, 48; 101 bis 104) so angeordnet ist, daß die Summe der in ihr von den Antriebswicklungen transformatorisch induzierten Spannungen im wesentlichen gleich Null ist.
6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorwicklung symmetrisch und bevorzugt klappsymmetrisch zu den Antriebswicklungen angeόrdnet ist.
7. Motor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem genuteten Stator, bei dem sich in der Mitte der Statorwicklungspole ein Mittelzahn (111 bis 114) der Nuten befindet, gleichnamige magnetisch aktive Wicklungsabschnitte der Sensorwicklung (115; 118) sich jeueils in Nuten (z.B. 95, 96) beiderseits dieses Mittelzahns erstrecken.
8. Motor nach einem der Anspruchs 5 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Sensorwicklung (118), deren errechneter Wicklungsschritt nicht durch die Nutteilung des verwendeten Statorblechpakets ganzzahlig teilbar ist, der Wicklungsschritt der Sensorwicklung alternierend größer und kleiner als der erforderliche Wert und so geuählt ist, daß der arithmetische Mitteluert aus größerem und kleinerem Wicklungssehritt dem errechneten Wicklungsschritt mindestens nahezu entspricht (Fig. 14 D).
9. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor mit zylindrischem Luftspalt (innen- oder Außenläufer) Hauptwicklungen (37, 40, 45, 48) und Sensorwicklung (80; 115; 118) in Nuten eines Statorblechpakets (10; 88) angeordnet sind.
10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein üblicher Blechschnitt (88) mit gleichmässig verteilten, identischen Nuten (89) und einer Nutenzahl vorgesehen ist, welche gleich dem sechs- oder zuölffachen der Zahl dar Haupt-Magnetpole des Rotors ist.
11. Motor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Hauptwicklungen jeweils in mehr als zwei Nuten (93, 94, 97, 98) gewickelt sind, wobei die beiden innersten bewickelten Nuten (94, 97) einen Abstand von weniger als 120° el. und die beiden äußersten (93, 98),mit derselben Hauptwicklung bewickelten Nuten einen Abstand von mehr als 120 el. haben (Fig. 5; Fig. 14 B).
12. Motor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Blechsshnitt (88) mit einer dem sechsfachen der Zahl dar Magnetpole des Rotors entsprechenden Zahl von gleichmässig verteilten Nuten (89) die einzelnen Hauptwicklungen jeweils in vier Nuten (93, 94, 97, 98) gewickelt sind, von denen die beiden inneren (94, 97) einen Abstand von 90° el. und die beiden äußeren (93, 98) einen Abstand von 150° el. aufweisen.
13. Motor nachf Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Hauptwicklungen (37, 40, 45, 48) als Schleif enwicklungen ausgebildet sind.
14. Motor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorwicklung (80; 115; 118) in einer Richtung nacheinander eine vorgegebene Anzahl von Malen - mit einem mittleren Abstand von.
(180 el. : 1) zwischen zwei benachbarten Wicklungsabschnitten - durch Nuten (71 bis 78; 89) des Blechpakets (10; 88) durchgeführt ist, wobei 1 die Ordnungszahl der auszukoppelnden Oberuelle ist.
15. Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (80; 118) rückuärts etua diesel be vorgegebene Zahl von Malen und durch im uesentlichen dieselben Nuten bis etua zum Ausgangspunkt zurückgeführt ist.
16. Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (115; 118) rückuärts etua dieselbe vorgegebene Zahl von Malen, aber um mindestens eine Nutteilung versetzt, etua bis zum Ausgangspunkt zurückgeführt ist.
17. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Flachmotor ausgebildet ist und daß die Sensorwicklung (106'; 106''; 124; 127; 135) so ausgebildet ist, daß sie die Drehachse (100) des Rotors (109) zuerst mit einem bestimmten Umschlingungswinkel in der einen Richtung und dann mit demselben Umschlingungswinkel in der anderen Richtung umschlingt, um zu vsrmeiden, daß in Richtung dieser Drehachse (100) verlaufande Streufelder in dieser Sensorwicklung eine Spannung induzieren.
18. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung der einzelnen Magnetpole (Fig. 9: 13, 14) etua trapezförmig und mit steilen Flanken (32, 33) ausgebildet ist (Fig. 10 A).
19. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Sensoruicklung über 360° el. oder ein Vielfaches hiervon erstreckt.
20. Motor nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorwicklung (z.B. 80) als Wellenwicklung ausgebildet ist.
21. Motor nach Anspruch 15 odsr 16 und nach Anspuch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorwicklung (z.B. 80) in Voruärts- und in Rückuärtsrichtung als Wellenwicklung ausgebildet ist.
22. Motor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der rückuärts-laufende Teil der Wellenwicklung (z.B. 115) gegenüber dem voruärtslauf enden Teil räumlich versetzt ist.
23. Motor nach Anspruch 22, dadurch g ekennzeichnet, daß der vorwärts- und der rückwärts-laufende Teil um einen Winkel von 90º el. : 1 räumlich gegeneinander versetzt sind, wobei 1 die Ordnungszahl der zu erfassenden Oberuelle und der Winkel von 90° el. die Hälfte einer Polteilung des Rσtormagneten ist.
24. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vermeiden einer transformatorischen Kopplung mit der Hauptwicklung des Motors einigs Wicklungsschritte der Sensorwicklung ausgelassen sind (Fig. 18 F; Fig. 190).
25. Motor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zweisträngigen Hauptwicklung (Fig. 18 E) je Polpaar des Rotormagneten zwei Wicklungsschritte der Sensorwicklung (Fig. 18 F) ausgelassen sind.
26. Motor nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gskennzeichnet, daß außerdem ein Teil der Sensorwicklung ( Fig. 19 0) gegenüber dem anderen Teil um 90º el. : 1 räumlich versetzt ist, wobei 1 die Ordnungszahl der zu erfassenden Oberwelle und der Winkel von 90º el. die Hälfte einer Polteilung des Rotormagneten ist.
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