WO2007128284A1 - Bürstenloser elektromotor - Google Patents

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WO2007128284A1
WO2007128284A1 PCT/DE2007/000811 DE2007000811W WO2007128284A1 WO 2007128284 A1 WO2007128284 A1 WO 2007128284A1 DE 2007000811 W DE2007000811 W DE 2007000811W WO 2007128284 A1 WO2007128284 A1 WO 2007128284A1
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WO
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rotor
stator
teeth
electric motor
width
Prior art date
Application number
PCT/DE2007/000811
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Hermann Rottmerhusen
Original Assignee
Metabowerke Gmbh
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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Publication date
Application filed by Metabowerke Gmbh filed Critical Metabowerke Gmbh
Priority to US12/299,033 priority Critical patent/US20090072649A1/en
Priority to EP07722365A priority patent/EP2016667A1/de
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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
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/16—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles

Definitions

  • the invention relates to a brushless electric motor according to the patent claim 1.
  • Electronically commutated electric motors usually have a permanent magnet excited rotor, wherein the rotor is either equipped with individual permanent magnets, or on the rotor a multi-pole ring magnet is arranged, and in a rotor with a small diameter, the rotor is often itself from a multi-pole magnetized permanent magnet.
  • the magnetization direction of the magnets or the magnet of such rotor is predominantly perpendicular to the air gap of the motor.
  • DE 101 24 436 A1 shows in axial plan view a representation of the stator and rotor of a brushless electric motor.
  • the stator carries a stator winding whose winding phases are connected in star, and permanent magnets are arranged on the rotor body consisting of a lamination stack.
  • the disadvantages of such an arrangement of the permanent magnets on the rotor are to be seen in that at a high speed and high stress by temperature and other influences, the permanent magnets can be detached from the rotor, also there is a danger of demagnetization of the permanent magnets by high magnetic fields on the stand ,
  • Electric motors must be flexibly controllable and overloadable from a low to a high speed when the load is applied.
  • An electronically commutated permanent magnetically excited electric motor of the known type which meets these requirements, is often difficult to accommodate, since in many cases only a limited space is available for arranging such an engine, whereby d mismesser of the electric motor is limited accordingly.
  • the permanent magnetically excited rotor has a low field strength and a small number of poles to the stand.
  • the disadvantage of a low field strength of the permanent magnets of the rotor and a small number of field poles on the rotor is in particular that the power consumption and thus also the torque of the electric motor is limited because of the risk of demagnetization of the permanent magnetically excited rotor.
  • the rotor is formed with a reluctance-supported permanent magnet system, wherein the arrangement of the permanent magnets in the rotor is a collector arrangement.
  • the rotor consists of a laminated core, the rotor teeth and grooves in between, and in the grooves permanent magnets are arranged, which are magnetized tangentially so that always two poles of the same polarity act on a rotor tooth, wherein the magnetization direction of the permanent magnets parallel to Air gap of the engine is aligned.
  • US Pat. No. 6,847,149 B2 describes an electric motor in which the rotor's permanent magnets are arranged in a collector arrangement along the shaft of the rotor in a groove extending in each case perpendicularly to the shaft.
  • the grooves of the runner will be formed by core members (Lauferzähne), and these core members are individually rotatably connected by respective devices with the shaft of the rotor.
  • the stator teeth have a special trained pole face to the air gap.
  • US Pat. No. 6,097,126 A describes a brushless DC motor which contains a permanent magnetically excited reluctance rotor of a special type. Between the cross-arranged rotor elements, a permanent magnet is arranged, which generates the pole formation on the rotor elements at the air gap to the stator. The switching sequence of the winding strands and the rotor steps are carried out in a known manner a reluctance motor, and thus the torque is associated with a corresponding disadvantageous ripple.
  • the invention has for its object to provide a cost-effective electronically commutated electric motor, which is flexibly controllable with applied load and highly resilient and overloadable, and achieved in relation to the size of a relatively high torque and high speeds, the Polfühlmaschine and noise and the Heating of the electric motor should be low.
  • This object is solved by the features of independent claim 1.
  • Advantageous design features of the invention are apparent from the remaining claims and the description.
  • the advantages are that a particularly smooth transition of the rotor steps of the one rotor step to the next stage of the rotor is achieved, and thus the torque ripple and the noise of the electric motor is reduced, the torque is approximately the same at the beginning and at the end of a run step, and the power consumption and the effective power output is significantly increased, and the electric motor is highly resilient.
  • a subsequent control of the commutation of the winding phases with increasing speed is not required by the special structure of the electric motor, since the commutation can move up to a quarter of a stator tooth width forward without this, the efficiency of the electric motor is significantly affected.
  • Fig. 1 u. 2 in an axial plan view of a representation of the stator and rotor of the electric motor
  • FIG. 3 u. 4 in an axial plan view an alternative representation of the stator and rotor of the electric motor
  • FIG. 5 is an axial plan view of another alternative representation of the stator and rotor of the electric motor
  • Fig. 6 shows a circuit arrangement of the electronic control device for commutation of the winding strands of the electric motor.
  • Fig. 1 shows an axial plan view of a view of the electric motor as an inner rotor with winding strands on the stator 1 and a rotor 2 with rotor teeth 3 and permanent magnet 4.
  • the stator has in a two-pole design of the winding strands six directed to the rotor stator teeth 5, where the winding strands
  • the winding strands are placed during operation of the motor to a power source such that the stand opposite each other stator teeth of the same name poles, and two adjacent stator teeth each poles of unlike one another form.
  • This Pol Struktur is marked on the stand with N, S.
  • the rotor 2 is designed as a permanent-magnet-excited reluctance rotor.
  • the rotor teeth 3 of the rotor 2 form the stator pole faces 7 of the PM excited rotor, the permanent magnets 4 are arranged in a collector assembly along the shaft of the rotor in a respective groove 8 extending perpendicular to the shaft, and each of the rotor tooth 3 facing pole face of the permanent magnets have a homonymous polar formation to each other, which form the polar fields to the stator at the air gap.
  • the width of the grooves 8 of the rotor 2 corresponds to the height of the permanent magnets 4, wherein the groove opening 9 of the grooves 8 can be kept smaller than the height of the permanent magnets, and the rotor teeth 3 have lugs 10 for Nutöff- tion, to ejection of the permanent magnets to prevent the grooves.
  • the ratio of the stator teeth to the rotor teeth is 3: 2.
  • the width of the slot opening 9 of the grooves 8 of the lug is at least about half the width of a stator tooth 5, and at most plus about the width of a stator slot opening.
  • the permanent magnet width in the direction of the shaft is determined by the desired field strength directed toward the air gap, the wider the permanent magnets are designed, and the smaller the spacing of the permanent magnets relative to one another in the region of the shaft, the higher the field strength directed to the air gap the runner teeth.
  • the rotor teeth 3 are arranged integrally on the shaft 11 of the rotor 2, and are preferably formed from stacked sheets, thus the rotor body consists of a lamination stack.
  • FIG. 1 shows the runner position in which a runner step is preferably ended; in this case, the running and running runner tooth 3 'is located approximately in the center of the adjacently excited stator teeth lying next to one another, and the following runner tooth 3 resting on it '' is located with the leading edge 12 with respect to the direction of rotation of the rotor approximately at the edge 13 of the first stator tooth of the adjacent unlike excited stator teeth.
  • the rotor steps are terminated by reversing the polarity of the winding strands.
  • Fig. 2 shows during startup and run-up the finished run step by reversing the polarity of the winding strands, at the same time the next runner step is initiated.
  • the leading edge 12 of the rotor tooth 3 '' is now in each case with respect to the direction of rotation of the rotor approximately at the leading edge 13 'of the second stator tooth of the adjacent unlike excited stator teeth.
  • a runner revolution can take place both with twelve runner steps and with six runner steps, in that a run step corresponds to the travel distance of the width of half a stator tooth, or the travel distance corresponds to the width of a stator tooth plus respectively the width of a slot opening.
  • FIG. 3 and 4 such an electric motor is shown.
  • the laminated core 14 of the stator is held so that the rotor 15 has a relatively large diameter, this is the stator teeth designed such that the stator teeth have long narrow pole horn 16, and the yoke 17 on the laminated core 14 of the stator is designed very narrow, so that in each case for accommodating the coil on the stator tooth a space required for this is available.
  • the flux of the magnetic fields which can not be absorbed via the return path 17 of the laminated core 14, is absorbed by the iron cylinder 18 of the stator.
  • This iron cylinder 18 has at a flanging of the electric motor to a gearbox end shields.
  • Such a design of the laminated core of the stator is made possible by the fact that the coils of the winding strands only each leash a stator tooth, and these coils are preferably wound up by machine.
  • the volume of the permanent magnets is reduced accordingly.
  • the slot openings 19 of the rotor 15 directed toward the air gap to have at least approximately half the width of a stator tooth 5 from one pole face to the adjacent pole face
  • the pole face 20 of the rotor teeth 21 directed towards the air gap the distance between the permanent magnets 22 and the stator teeth is 5 correspondingly enlarged
  • the rotor teeth 21 are respectively bevelled with a corresponding to the permanent magnet 22 nose 23, whereby the width of the slot opening 19 at the air gap at least about half the width of a stator tooth, and at most plus the width of a stator slot opening increased is, and hereby a reduction in the efficiency of the electric motor, by the arrangement of permanent magnets with a low height, is prevented.
  • the chamfer 24 of the rotor teeth 21 forming the permanent magnets nose is designed to be straight in FIG. 3.
  • both the air gap directed pole face 20 'of the rotor teeth 21, as well as the nose-forming chamfer 24' may be designed variably arcuate.
  • This design has the advantage that a particularly smooth transition of the rotor steps can be achieved by the one rotor step to the next rotor step, and thus the torque ripple and the pole sensitivity of the electric motor is further reduced.
  • the grooves 25 for receiving the permanent magnets 22 are preferably semicircular on the groove base 26. By such a design of the grooves of the rotor, the previously magnetized permanent magnets 22 can be securely pressed into the grooves 25 without glue.
  • balancing ben which are preferably provided for cooling the stator winding with fan blades, and can serve to secure the permanent magnets.
  • Fig. 1 to 4 show an electric motor, wherein the stator has six stator teeth and on each stator tooth, a coil is arranged, wherein the rotor is designed four-pole. For very high speeds, the rotor can also be designed with two poles.
  • Fig. 5 shows an electric motor in which the stator has six stator teeth, and the rotor is designed with two poles, thus the ratio of the stator teeth to the rotor teeth is 3: 1.
  • the coils of the three-stranded stator winding here encompass two stator teeth each, with a pole formation represented by N, S on the stator.
  • the rotor teeth 27 are each beveled here with a permanent magnet 22 'forming nose 23 such that the width of the groove opening 19' of the grooves 25 'of the rotor 28 is increased at the air gap approximately to the width of a stator tooth.
  • the leading edge 12 'of the rotor teeth 27 is preferably aligned relative to the direction of rotation of the rotor respectively to the leading edge 29 of the respective first stator tooth of the respective pole fields on the stand.
  • a rotor rotation can take place here both with six rotor steps, as well as with three rotor steps, in that a rotor step corresponds in each case to the distance of the width of a stator tooth, or the distance corresponds to the width of two stator teeth in each case.
  • the rotor teeth 3,21,27 can be provided with recesses 30, these recesses also cause less heating of the rotor.
  • each rotor position is achieved approximately the same torque, and the effective power output is comparatively significantly increased, the electric motor is highly resilient, without causing the risk of demagnetization the permanent magnets exists.
  • a control electronics is associated with the electric motor.
  • Fig. 6 shows a circuit arrangement of the electronic control device for commutation of the winding strands.
  • the winding strands are each connected at one end to a transistor-equipped half-bridge 31 and connected to the other end in star, and the transistors 32; 32 'is associated with a control unit 33.
  • the detection of the rotor position can be done with the known means, or the determination of the switching time of the winding strands is determined electronically and thus takes place sensorless.
  • a winding string is short-circuited via a switching element to the star point or to another winding strand.
  • the electric motor may also have a different number of pole pairs, and thus a different number of stator teeth and rotor teeth, and the dimension of the permanent magnets may be different.

Abstract

Bürstenloser Elektromotor mit einem Ständer und einem Läufer mit Läuferzähnen und Permanentmagneten in Sammleranordnung, wobei der Läufer aus einem geblechten Kern mit Nuten gebildet ist, und die Läuferzähne sowie die Nuten speziell ausgebildet sind, und der Kommutierungs Zeitpunkt der Wicklungsstränge des Ständers so gewählt ist, daß eine Nachsteuerung des Kommutierungszeitpunktes nicht erforderlich ist, wobei das Drehmoment am Anfang und am Ende eines Läuferschrittes annähernd gleich ist.

Description

Bürstenloser Elektromotor
Die Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Elektromotor, gemäß dem Patentanspruch 1.
Elektronisch kommutierte Elektromotoren besitzen üblicherweise einen permanentmagneterregten Läufer, wobei der Läufer entweder mit einzelnen Permanentmagneten bestückt ist, oder am Läufer ist ein mehrpoliger Ringmagnet angeordnet, und bei einem Läufer mit einem kleinen Durchmesser besteht der Läufer oft selbst aus einem mehrpolig magnetisierten Permanentmagneten. Die Magnetisierungsrichtung der Magnete oder des Magneten solcher Läufer erfolgt überwiegend senkrecht zum Luftspalt des Motors.
DE 101 24 436 Al zeigt in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Stator und Rotor eines bürstenlosen Elektromotors. Der Stator trägt eine Statorwicklung, deren Wicklungsphasen in Stern geschaltet sind, und an dem aus einem Blechlamellenpa- ket bestehenden Rotorkörper sind Permanentmagnete angeordnet. Die Nachteile einer solchen Anordnung der Permanentmagnete am Läufer sind darin zu sehen, daß bei einer hohen Drehzahl und einer hohen Beanspruchung durch Temperatur und weitere Einflüsse, die Permanentmagnete sich vom Läufer lösen können, außerdem besteht die Gefahr einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete durch hohe Magnetfelder am Ständer.
Elektromotoren müssen von einer niedrigen bis zu einer hohen Drehzahl bei anliegender Last flexibel steuerbar und über- lastbar sein. Ein elektronisch kommutierter permanentmagnetisch erregter Elektromotor der bekannten Art, der diesen Anforderungen entspricht, ist oft schwierig unterzubringen, da zur Anordnung eines solchen Motors in vielen Fällen lediglich nur ein begrenzter Raum zur Verfügung steht, wodurch der Au- ßendurchmesser des Elektromotors entsprechend eingeschränkt ist. Zur Erzielung hoher Drehzahlen ist es von Vorteil, wenn der permanentmagnetisch erregte Läufer eine niedrige Feldstärke und eine geringe Anzahl Pole zum Ständer aufweist. Der Nachteil einer niedrigen Feldstärke der Permanentmagnete des Läufers und einer geringen Anzahl von Feldpolen am Läufer besteht im besonderen darin, daß wegen der Gefahr einer Ent- magnetisierung des permanentmagnetisch erregten Läufers die Leistungsaufnahme und somit auch das Drehmoment des Elektro- motors hierdurch eingeschränkt ist.
Zur Erzielung einer hohen Leistungsaufnahme und einer hohen Drehzahl des permanentmagnetisch erregten Elektromotors ist es von Vorteil, wenn die Magnetisierungsrichtung der Perma- nentmagnete des Läufer nicht senkrecht zum Luftspalt des Elektromotors ausgerichtet ist. Für eine solche Ausrichtung der Permanentmagnete zum Luftspalt des Motors sind bereits eine Anzahl von Lösungsvorschlägen bekannt.
DE 197 23 302 Al beschreibt eine derartige Lösung. Der Läufer ist mit einem reluktanzunterstützten Permanentmagnetsystem ausgebildet, wobei die Anordnung der Permanentmagnete im Läufer eine Sammleranordnung ist. Der Läufer besteht aus einem geblechten Kern, der Läuferzähne und dazwischen liegende Nu- ten aufweist, und in den Nuten sind Permanentmagnete angeordnet, die tangential so magnetisiert sind, daß immer zwei Pole gleicher Polarität auf einen Läuferzahn wirken, wobei die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete parallel zum Luftspalt des Motors ausgerichtet ist.
US 6 847 149 B2 beschreibt einen Elektromotor, bei dem die Permanentmagnete des Läufers in Sammleranordnung längs der Welle des Läufers in einer jeweils senkrecht zur Welle verlaufenden Nut angeordnet sind. Die Nuten des Läufers werden durch Kernglieder (Lauferzähne) gebildet, und diese Kernglieder sind einzeln durch entsprechende Vorrichtungen mit der Welle des Läufers drehfest verbunden. Die Ständerzähne besitzen zum Luftspalt eine spezielle ausgebildete Polfläche. Ein Elektromotor der hier beschriebenen Art ist für viele Anwendungsfälle in der Konstruktion zu aufwendig und zu kostenintensiv.
US 6 097 126 A beschreibt einen bürstenlosen Gleichstrommo- tor, der einen permanentmagnetisch erregten Reluktanzläufer einer besonderen Art beinhaltet. Zwischen den überkreuz angeordneten Läuferelementen ist ein Permanentmagnet angeordnet, der an den Läuferelementen am Luftspalt zum Ständer die Polbildung erzeugt. Die Schaltfolge der Wicklungsstränge und der Läuferschritte erfolgen in bekannter Weise eines Reluktanzmotors, und somit ist das Drehmoment mit einer entsprechenden nachteiligen Welligkeit behaftet.
Für die Anordnung eines elektronisch kommutierten Elektromo- tors steht oft lediglich nur ein begrenzter Raum zur Verfügung. Daher ist der Außendurchmesser des Elektromotors entsprechend eingeschränkt, wodurch die erforderliche Feldwicklung am Ständer schwer unterzubringen ist, wenn der Läufer einen ausreichenden Durchmesser zur Erzielung eines entspre- chenden Drehmoments besitzen soll. Dieses Problem trifft im besonderen bei speziellen Antrieben zu.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen kostengünstigen elektronisch kommutierten Elektromotor zu schaffen, der bei anliegender Last flexibel steuerbar und hoch belastbar und überlastbar ist, und der in Bezug zur Baugröße ein verhältnismäßig hohes Drehmoment und hohe Drehzahlen erzielt, wobei die Polfühligkeit und die Geräuschentwicklung sowie die Erwärmung des Elektromotors gering sein soll. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
Durch den speziellen Aufbau des Ständers und des Läufers des Elektromotors bestehen die Vorteile darin, daß ein besonders weicher Übergang der Läuferschritte von dem einen Läufer- schritt zum nächsten Läuferschritt erzielt wird, und somit die Drehmomentwelligkeit und die Geräuschentwicklung des Elektromotors reduziert ist, wobei das Drehmoment am Anfang und am Ende eines Läuferschrittes annähernd gleich ist, und die Leistungsaufnahme sowie die effektive Leistungsabgabe deutlich erhöht ist, und der Elektromotor hoch belastbar ist. Außerdem ist durch den speziellen Aufbau des Elektromotors eine Nachsteuerung des Kommutierungszeitpunktes der Wicklungsstränge bei steigender Drehzahl nicht erforderlich, da der KommutierungsZeitpunkt sich bis zu einem Viertel einer Ständerzahnbreite nach vorne verschieben kann, ohne daß hierbei der Wirkungsgrad des Elektromotors nennenswert beeinflußt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher er- läutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 u. 2 in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer des Elektromotors,
Fig. 3 u. 4 in axialer Draufsicht eine alternative Darstel- lung vom Ständer und Läufer des Elektromotors,
Fig. 5 in axialer Draufsicht eine weitere alternative Darstellung vom Ständer und Läufer des Elektromotors, Fig. 6 eine Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung der Wicklungsstränge des Elektromotors .
Fig. 1 zeigt in axialer Draufsicht eine Ansicht des Elektromotors als Innenläufer mit Wicklungssträngen am Ständer 1 und einen Läufer 2 mit Läuferzähnen 3 und Permanentmagneten 4. Der Ständer besitzt bei einer zweipoligen Auslegung der Wicklungsstränge sechs zum Läufer gerichtete Ständerzähne 5, wo- bei die Wicklungsstränge jeweils zwei Spulen beinhalten, und die Spulen 6 der Wicklungsstränge umgreifen jeweils einen Ständerzahn 5. Die Wicklungsstränge sind während des Motorbetriebes derart an eine Stromquelle gelegt, daß die am Ständer sich gegenüber liegenden Ständerzähne jeweils gleichnamige Pole, und zwei nebeneinander liegende Ständerzähne jeweils ungleichnamige Pole zueinander bilden. Diese Polbildung ist am Ständer mit N, S gekennzeichnet.
Der Läufer 2 ist als ein permanentmagneterregter Reluktanz- Läufer ausgebildet. Die Läuferzähne 3 des Läufers 2 bilden zum Ständer die Polflächen 7 des PM erregten Läufers, wobei die Permanentmagnete 4 in Sammleranordnung längs der Welle des Läufers in einer jeweils senkrecht zur Welle verlaufenden Nut 8 angeordnet sind, und die jeweils zum Läuferzahn 3 weisende Polfläche der Permanentmagnete besitzen eine gleichna- mige Polbildung zueinander, die am Luftspalt die Polfelder zum Ständer bilden. Die Breite der Nuten 8 des Läufers 2 entspricht der Höhe der Permanentmagnete 4, wobei die Nutöffnung 9 der Nuten 8 kleiner gehalten sein kann wie die Höhe der Permanentmagnete, und die Läuferzähne 3 Nasen 10 zur Nutöff- nung aufweisen, um ein Herausschleudern der Permanentmagnete aus den Nuten zu verhindern. Das Verhältnis der Ständerzähne zu den Läuferzähnen beträgt 3:2.
Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades des Motors, beträgt vorzugsweise die Breite der Nutöffnung 9 der Nuten 8 des Lau- fers mindestens etwa die halbe Breite eines Ständerzahns 5, und höchstens plus etwa der Weite einer Ständer-Nutöffnung. Die Permanentmagnetbreite in der Richtung zur Welle wird bestimmt durch die zum Luftspalt gerichtete gewünschte FeId- stärke, je breiter die Permanentmagnete ausgelegt sind, und je geringer der Zwischenraum der Permanentmagnete zueinander im Bereich der Welle gestaltet ist, desto höher ist die zum Luftspalt gerichtete Feldstärke an den Läuferzähnen. Die Läuferzähne 3 sind zusammenhängend an der Welle 11 des Läufers 2 angeordnet, und werden vorzugsweise aus aufgestapelten Blechen gebildet, somit besteht der Läuferkörper aus einem Blechlamellenpaket .
Fig. 1 zeigt während des An- und Hochlaufs die Läuferstel- lung, bei der ein Läuferschritt vorzugsweise beendet wird, hierbei befindet sich der ablaufende und auflaufende Läuferzahn 3' jeweils etwa mittig zu den nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähnen, und der nachfolgende auflaufende Läuferzahn 3' ' befindet sich mit der auflaufenden Kante 12 in Bezug zur Drehrichtung des Läufers jeweils etwa an der Kante 13 des ersten Ständerzahns der nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähne. Die Läuferschritte werden durch Umpolung der Wicklungsstränge beendet .
Fig. 2 zeigt während des An- und Hochlaufs den beendeten Läuferschritt durch Umpolung der Wicklungsstränge, wobei gleichzeitig der nächste Läuferschritt eingeleitet ist. Die auflaufende Kante 12 des Läuferzahns 3'' befindet sich nun jeweils in Bezug zur Drehrichtung des Läufers etwa an der auflaufenden Kante 13' des zweiten Ständerzahns der nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähne.
Durch diese Anordnung der Schaltvorgänge der Läuferschritte ist das Drehmoment am Anfang und am Ende eines Läuferschrit- tes annähernd gleich, und eine Nachsteuerung des Kommutie- rungszeitpunktes der Wicklungsstränge ist bei einer steigenden Drehzahl nicht erforderlich, da der KommutierungsZeitpunkt sich bis zu einem Viertel einer Ständerzahnbreite nach vorne verschieben kann, ohne daß hierbei der Wirkungsgrad des Elektromotors nennenswert beeinflußt wird.
Eine Läuferumdrehung kann sowohl mit zwölf Läuferschritten als auch mit sechs Läuferschritten erfolgen, indem ein Läuferschritt die Wegstrecke der Breite eines halben Ständer- zahns entspricht, oder die Wegstrecke entspricht der Breite eines Ständerzahns plus jeweils der Weite einer Nutöffnung.
Oft steht für einen Elektromotor lediglich nur ein eingeschränkter Raum zur Verfügung. Um nun mit dem Läufer eines elektronisch kommutierten Elektromotors ein ausreichendes Drehmoment während des Anlaufs und in den niedrigen Drehzahlen zu erzielen, ist ein solcher Elektromotor entsprechend auszulegen. In Fig. 3 und 4 ist ein solcher Elektromotor dargestellt. Das Blechpaket 14 des Ständers ist so gehalten, daß der Läufer 15 einen verhältnismäßig großen Durchmesser aufweist, hierfür sind die Ständerzähne derart gestaltet, daß die Ständerzähne lange schmale Polhörner 16 besitzen, und der Rückschluß 17 am Blechpaket 14 des Ständers ist auch sehr schmal ausgelegt, so daß jeweils zur Aufnahme der Spule am Ständerzahn ein hierfür erforderlicher Raum zur Verfügung steht. Der Fluß der Magnetfelder, der nicht über den Rückschluß 17 des Blechpakets 14 aufgenommen werden kann, wird durch den Eisenzylinder 18 des Ständers aufgenommen. Dieser Eisenzylinder 18 besitzt bei einer Anflanschung des Elektromotors an einem Getriebe Lagerschilde.
Eine derartige Auslegung des Blechpakets des Ständers ist dadurch ermöglicht, daß die Spulen der Wicklungsstränge ledig- lieh jeweils einen Ständerzahn umschlingen, und diese Spulen werden vorzugsweise maschinell eingespult.
Zur Erzielung einer hohen Drehzahl und einer geringen Polfüh- ligkeit ist das Volumen der Permanentmagnete entsprechend reduziert. Damit die zum Luftspalt gerichteten Nutöffnungen 19 des Läufers 15 von der einen Polfläche zu der benachbarten Polfläche, der zum Luftspalt gerichteten Polfläche 20 der Läuferzähne 21, mindestens etwa die halbe Breite eines Stän- derzahns 5 aufweist, ist der Abstand der Permanentmagnete 22 zu den Ständerzahnen 5 entsprechend vergrößert, und die Läuferzähne 21 sind jeweils mit einer zu den Permanentmagneten 22 bildende Nase 23 entsprechend abgeschrägt, wodurch die Weite der Nutöffnung 19 am Luftspalt mindestens etwa auf die halbe Breite eines Ständerzahns, und höchstens plus etwa der Weite einer Ständer-Nutöffnung vergrößert ist, und hiermit eine Verminderung des Wirkungsgrades des Elektromotors, durch die Anordnung von Permanentmagneten mit einer geringen Höhe, verhindert wird. Die zu den Permanentmagneten Nase bildende Abschrägung 24 der Läuferzähne 21 ist in der Fig. 3 geradlinig ausgelegt.
Wie in Fig. 4 dargestellt, kann vorzugsweise sowohl die zum Luftspalt gerichtete Polfläche 20' der Läuferzähne 21, als auch die Nase bildende Abschrägung 24' variabel bogenförmig ausgelegt sein. Diese Auslegung besitzt den Vorteil, daß ein besonders weicher Übergang der Läuferschritte von dem einen Läuferschritt zum nächsten Läuferschritt erzielt werden kann, und somit auch die Drehmomentwelligkeit und die Polfühligkeit des Elektromotors weiter reduziert ist. Die Nuten 25 zur Auf- nähme der Permanentmagnete 22 sind vorzugsweise am Nutengrund 26 halbkreisförmig ausgebildet. Durch eine solche Ausbildung der Nuten des Läufers, können die zuvor magnetisierten Permanentmagnete 22 sicher in die Nuten 25 kleberfrei eingepreßt werden. An den Stirnseiten des Läufers können Auswuchtschei- ben angeordnet sein, die vorzugsweise zur Kühlung der Ständerwicklung mit Lüfterflügel versehen sind, und zur Sicherung der Permanentmagnete dienen können.
Fig. 1 bis 4 zeigen einen Elektromotor, bei dem der Ständer sechs Ständerzähne aufweist und an jedem Ständerzahn ist eine Spule angeordnet, wobei der Läufer vierpolig ausgelegt ist. Für sehr hohe Drehzahlen kann der Läufer auch zweipolig ausgelegt sein. Fig. 5 zeigt einen Elektromotor, bei dem der Ständer sechs Ständerzähne aufweist, und der Läufer ist zweipolig ausgelegt, somit beträgt das Verhältnis der Ständerzahne zu den Läuferzähnen 3:1. Die Spulen der dreisträngigen Ständerwicklung umgreifen hier jeweils zwei Ständerzähne, mit einer durch N, S dargestellten Polbildung am Ständer. Die Läuferzähne 27 sind hier jeweils mit einer zu den Permanentmagneten 22' bildende Nase 23 derart abgeschrägt, daß die Weite der Nutöffnung 19' der Nuten 25' des Läufers 28 am Luftspalt etwa um die Breite eines Ständerzahns vergrößert ist. Bei Beginn eines Läuferschrittes ist die auflaufende Kante 12' der Läuferzähne 27 vorzugsweise in Bezug zur Drehrichtung des Läufers jeweils zur auflaufenden Kante 29 des jeweils ersten Ständerzahns der jeweiligen Polfelder am Ständer ausgerichtet. Eine Läuferumdrehung kann hier sowohl mit sechs Läufer- schritten, als auch mit drei Läuferschritten erfolgen, indem ein Läuferschritt jeweils die Wegstrecke der Breite eines Ständerzahns entspricht, oder die Wegstrecke entspricht der Breite von jeweils zwei Ständerzähnen. Zur Gewichtreduzierung des Läufers können die Läuferzähne 3,21,27 mit Aussparungen 30 versehen werden, diese Aussparungen bewirken auch eine geringere Erwärmung des Läufers.
Durch die Kombination des speziellen Aufbaus des Läufers und der speziellen Anordnung der Spulen der Wicklungsstränge am Ständer und das Zusammenwirken dieser Kombination durch die
Steuerung des Drehfeldes am Ständer mittels einer elektronischen Steuereinrichtung und der Ausrichtung der Läuferpole zum Ständerfeld, wird bei jeder Läuferstellung ein annähernd gleiches Drehmoment erzielt, und die effektive Leistungsabgabe ist vergleichsweise deutlich erhöht, wobei der Elektromotor hoch belastbar ist, ohne daß hierbei die Gefahr einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete besteht.
Zur Anlegung der Wicklungsstränge an eine Stromquelle ist dem Elektromotor eine Ansteuerelektronik zugeordnet. Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung der Wicklungsstränge . Die Wicklungsstränge sind jeweils mit dem einen Ende an einer transistorbestückten Halbbrücke 31 angeschlossen und mit dem anderen Ende in Stern geschaltet, und den Transistoren 32; 32' ist eine Steuereinheit 33 zugeordnet.
Die Erkennung der Läuferstellung kann mit den bekannten Mit- teln erfolgen, oder die Ermittlung des Schaltzeitpunktes der Wicklungsstränge wird elektronisch ermittelt und erfolgt somit sensorlos.
Für eine Schnellabbremsung des Motors wird ein Wicklungs- sträng über ein Schaltglied zum Sternpunkt oder zu einem weiteren Wicklungsstrang kurzgeschlossen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Elektromotor auch eine andere Polpaarzahl, und somit eine andere An- zahl von Ständerzahnen und Läuferzähnen besitzen, und die Be- maßung der Permanentmagnete eine andere sein.

Claims

Patentansprüche
1. Bürstenloser Elektromotor mit einem Ständer (1) mit Ständerzähnen (5), die jeweils von einer Spule (6) umschlungen sind, und einem Läufer (2; 15) mit Lauferzahnen (3; 21) und mit Permanentmagneten (4; 22) in Sammleranordnung, wobei das Verhältnis der Ständerzähne zu den Läuferzähnen 3:2 beträgt, und mit einer Stromquelle verbindbaren elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung der Wicklungsstränge des Elektromo- tors, wobei der Elektromotor ein permanentmagneterregter Motor einer besonderen Art ist, bei dessen Läufer (2; 15) aus einem geblechten Kern mit Läuferzahnen (3; 21) und Nuten (8; 25) mit Permanentmagneten (4;22) gebildet ist, und die Nutöffnung (9;19) der Nuten des Läufers am Luftspalt im Bereich der Ständerzähne mindestens etwa die halbe Breite eines Ständerzahns (5) , und höchstens plus etwa der Weite einer Ständer-Nutöffnung beträgt, und daß der Kommutierungszeitpunkt der Wicklungsstränge derart ge- wählt ist, daß der Kommutierungszeitpunkt sich bei steigender Drehzahl des Läufers bis zu einem Viertel einer Ständerzahnbreite ohne einer erforderlichen Nachsteuerung nach vorne verschieben kann, indem beim Anlauf des Elektromotors die Kommutierung der Wicklungsstränge so eingestellt ist, daß während der Beendigung eines Läuferschrittes der ablaufende und auflaufende Läuferzahn (3';21') sich jeweils etwa mittig zu den nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähnen befindet, und der nachfolgende auflaufende Läuferzahn (3'',-21'') jeweils mit der auflaufenden Kante (12), in Bezug zur Drehrichtung des Läufers, sich etwa an der auflaufenden Kante (13) des ersten Ständerzahns der nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähnen befindet, und durch Umpolung der Wicklungsstränge der nächste Läuferschritt eingeleitet ist, wobei die auflaufende Kante (12) des nunmehr jeweiligen auflaufenden und ablaufenden Läuferzahns
(3f';21''), in Bezug zur Drehrichtung des Läufers, sich etwa an der auflaufenden Kante (13' ) des zweiten Ständerzahns der nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähne befindet.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Permanentmagnete (22/22' ) des Läufers zu den Ständerzähnen (5) vergrößert ist, indem die Läuferzähne (21;27), hin zu den Permanentmagneten (22;22'), eine Abschrägung (24) mit einer Nase (23) aufweisen.
3. Elektromotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Luftspalt gerichtete Polfläche (20') der Läuferzähne (21) als auch die Nase (23) bildende Abschrägung (24' ) variabel bogenförmig ausgelegt ist, wobei die Läuferzähne zusammenhängend aus einem geblechten Kern gebildet sind.
4. Elektromotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (25) zur Aufnahme der Permanentmagnete (22) derart ausgebildet sind, daß die magne- tisierten Permanentmagnete in die Nuten des Läufers kleber- frei einpressbar sind.
5. Elektromotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerzahne schmale Polhör- ner (16) besitzen und der Rückschluß (17) am Blechpaket (14) des Ständers schmal ausgelegt ist, wobei der Fluß der Magnetfelder der nicht über den Rückschluß (17) aufgenommen wird, über einen Eisenzylinder (18) des Ständers erfolgt.
6. Elektromotor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stirnseiten des Läufers
Auswuchtscheiben angeordnet sind, die zur Kühlung der Ständerwicklung mit Lüfterflügel versehen sind, und auch zur Sicherung der Permanentmagnete des Läufers dienen.
7. Elektromotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferschritte die Wegstrecke der Breite eines halben Ständerzahns, oder die Wegstrecke der Breite eines Ständerzahns plus jeweils der Weite einer Nut- Öffnung entspricht.
8. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (28) zweipolig ausgelegt ist, und das Verhältnis der Ständerzahne zu den Läufer- zahnen 3:1 beträgt, wobei die Weite der Nutöffnung (19') der Nuten (25') des Läufers (28) am Luftspalt etwa die Breite eines Ständerzahns entspricht, und die Spulen der Ständerwicklung jeweils zwei Ständerzähne umgreifen, wobei jeder Ständerzahn felderregt ist, und die auflaufende Kante (12' ) der Läuferzähne (27) in Bezug zur Drehrichtung des Läufers jeweils zur auflaufenden Kante (29) des jeweils ersten Ständerzahns der jeweiligen Polfelder am Ständer ausgerichtet ist.
9. Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Läuferumdrehung sowohl mit sechs Läuferschritten, als auch mit drei Läuferschritten erfolgen kann, indem ein Läuferschritt jeweils die Wegstrecke der Breite eines Ständerzahns, oder die Wegstrecke der Breite von jeweils zwei Ständerzähnen entspricht.
10. Elektromotor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Optimierung des Läufers die Läuferzähne (3,21,27) mit einer Aussparung (30) oder Aussparungen versehen sind.
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