DE2225442A1

DE2225442A1 - Kollektorloser gleichstrom-motor

Info

Publication number: DE2225442A1
Application number: DE2225442A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Mueller
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1972-05-25
Filing date: 1972-05-25
Publication date: 1973-12-06
Also published as: DE2225442B2; DE2225442C3

Description

Kollektorloser Gleichstrom-Motor Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrom-Motor mit einem permanentmagnetischen Rotor.
Bei derartigen Gleichstrom-Motoren, wie sie z.B. aus der DAS 1 613 438 bekannt sind, verwendet man gewöhnlich 4 getrennte Spulen, die nacheinander mittels gesonderter Halbleiterschalter erregt werden, damit ein Drehfeld erzeugt wird und der Rotor in Umdrehung versetzt wird. - Solche Schaltungen sind relativ aufwendig, da man den Stator mit 4 getrennten Wicklungen bewickeln muß, die Anschlüsse dieser Wicklungen getrennt herausführen muß und schließlich auch für jede Wicklung einen gesonderten Halbleiterschalter sowie die zugehörigen Steuerelemente vorsehen muß.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die bekannten Schaltungen zu vereinfachen und zu verbilligen.
Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs genannten kollektorlosen Gleichstrom-Motor dadurch erreicht, daß der Motor eine nur einsträngige Wicklung aufweist, welche im Betrieb ein lückenaufweisendes elektromagnetisches Drehmoment erzeugt, und daß zur Erzeugung eines mindestens in den Momentenlücken wirksamen Hilfsmoments nicht elektromagnetiwi rkend-e Mittel zur Erzeugung desselben vorgesehen sind. Der Erfindung liegt also die Oberlegung zugrunde, während der Wirkung des elektromagnetischen Drehmoments Energie für das Hilfsmoment sozusagen zu speichern und diese dann in den Momentenlücken jeweils zur Wirkung zu bringen, so daß man insgesamt ein möglichst gleichmäßiges Drehmoment erhält.
Dabei geht man mit besonderem Vorteil so vor, daß ein in den Moment lücken wirksames Reluktanzmoment benutzt wird, wobei der magnetische Widerstand über dem Drehwinkel bevorzugt etwa sägezahnförmig verläuft. Man erhält so in sehr einfacher Weise den gewünschten Verlauf des Reluktanz-Hilfsmomentes.
Bei einem Motor mit axialem Luftspalt geht man dabei zweckmäßig so vor, daß am Stator im Bereich des Luftspalts mindestens ein Teil aus magnetisch leitendem Werkstoff vorgesehen ist, das sich auf dem größeren Teil seiner Erstreckung entgegen der Drehrichtung des Rotors verjüngt. Hierdurch ergibt sich in einfacher Weise der sägezahnförmige Verlauf des magnet. Widerstands. Eine sehr einfache Ausführungsform ist dabei dadurch gekennzeichnet, daß das Teil aus magnetisch leitendem Werkstoff etwa keilförmig ausgebildet ist.
Um das Reluktanzmoment genau an der gewünschten Stelle zu erzeugen, bildet man den Motor ferner so aus, daß die Pol lücken zwischen den im Permanentmagnet vorgesehenen Polen unter einem vorgegebenen Winkel zu einem durch die jeweilige Pol lücke gehenden, vor der Drehachse ausgehenden Radiusvektor verlaufen, wobei mit besonderem Vorteil die Längsachse einer Pol lücke jeweils entgegen der Drehrichtung gegenüber dem zugeordneten Radiusvektor verdreht ist. Dabei geht man zur weiteren Verbesserung zweckmäßig so vor, daß die Flachwicklungen leicht gesehnt sind und daß die magnetisch wirksamen, von innen nach außen verlaufenden Abschnitte der Spulen in Richtung gegeneinander geschrägt sind.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen.
Es zeigen Figur 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrom-Motor, gesehen längs der Linie I-I der Figur 2; in Figur 1 sind auch die benötigten Schaltungselemente schematisch dargestellt, Figur 2 minen Längsschnitt durch den Motor nach Figur 1, gesehen längs der Linie II-II der Figur 1, Figur 3 eine schematische Draufsicht auf einen Teil des Permanentmagnetrotors nach den Figuren 1 und 2, gesehen längs der Linie II 1-111 der Figur 2, wobei die Achse aus Gründen der Obersichtlichkeitnicht dargestellt ist, Figur 4 ein Schaubild zur Erläuterung der Wirkungsweise des Motors nach den Figuren 1 bis 3, Figur 5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und Figur 6 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine aus einem isolierenden Werkstoff bestehende Platte lo, auf der zwei eisenlose Flachspulen angeordnet sind, welche sich diametral gegenüber liegen.
Zur Befestigung ist die Platte 10 mit Befestigungslöchern 13 versehen. In der Mitte der Platte lo befindet sich eine Ausnehmung 14, durch die eine Welle 15 ragt, die an ihrem unteren Ende in (nicht dargestellten) Lagern gelagert ist. Wie Figur 2 zeigt, sind auf dieser Welle 15 im Abstand voneinander zwei Weicheisenscheiben 16 und 17 befestigt, auf denen Ringmagnete 18 bzw. 19 befestigt sind. Die Art der Magnetisierung des Ringmagnets 18, welche zu derjenigen des Ringmagneten 19 spiegelbildlich ist, geht aus Figur 3 hervor. Danach verlaufen die Pol lücken 22 hier nicht genau radial nach auswärts, sondern unter einem Winkel .tC' zu einem gedachten Radiusvektor 23, welcher durch die jeweilige Pol lücke 22 verläuft. In Figur 3 ist die ungefähre Richtung der Längsachse einer Pol lücke 22 mit der Zahl 24 bezeichnet. Da sich der Rotor 26, der im wesentlichen aus den Teilen 16 bis 19 sowie der zugeordneten Welle 15 besteht, in Richtung des Pfeiles 25 (Figuren 1 und 3) bewegt, erkennt man, daß die Pdlücken 22 entgegen der Drehrichtung gegenüber dem Radiusvektor 23 verdreht sind. Bei der Ausführungsform nach Figur 3 sind die Pol lücken 22 außerdem noch gekrümmt, wie dies aus der zeichnerischen Darstellung klar hervorgeht.
Die Flachspulen 11 und 12 sind in Ausnehmungen der Platte 1o befestigt, und ihre Anschlüsse 27 bis 30 sind direkt nach außen geführt. In Figur 1 sind die magnetisch aktiven, radial verlaufenden Teile der Wicklung 11 mit 33 und 34 und diejenigen der Wicklung 12 mit 35 und 36 bezeichnet. Wie man aus Figur 1 klar erkennt, verlaufen diese Spulenteile 33 bis 36 nicht direkt radial, also z.B. in Richtung der in Figur 1 eingezeichneten Radiusvektoren 37 oder 38, sondern sind in Richtung zueinander geschrägt, schließen also jeweils mit diesen Radiusvektoren 37 bzw. 38 einen Winkel ct ein.
Außerdem sind diese Wicklungen noch gesehnt, d.h. sie sind kürzer als der zugehörige Pol bogen.
Neben der Flachspule 12 ist ein Hallgenerator 42 befestigt. Versuche haben ergeben, daß die dargestellte Lage des Hallgenerators 42, nämlich ungefähr auf dem Radiusvektor 37, der unter 450 (900 elektrisch) zur Verbindungslinie der beiden Spule 11 und 12 verläuft, für die Steuerung optimal ist.
Jeweils entgegengesetzt zur Drehrichtung sind im Anschluß an die Spulen 11 und 12 keilförmige Formstücke 45 bzw. 46 aus mag netisch leitendem Werkstoff angeordnet. Diese Formstücke schliessen sich, wie dargestellt, direkt an die Spulen 11 bzw. 12 an und verjüngen sich von dort ausgehend entgegen der Drehrichtung. Diese Formstücke dienen dazu, an diesen Stellen des Stators einen magnetischen Widerstand zu erzeugen, der sich im Umfangsrichtung sägezahnförmig ändert.
In vielen Fällen hat es sich gezeigt, daß bereit-s eines der beiden Formstücke 45 oder 46 genügt. In diesem Fall kann z.B. an Stelle des Formstücks 46 in der dort vorgesehenen Oeffnung der Hallgenerator 42 befestigt werden Wie in Figur 1 dargestellt ist, sind zum Steuern des Stroms in den beiden Wicklungen 11 und 12 zwei Transistoren 49 bzw. 50 vorgesehen, deren Emitter jeweils an einen Minuspol 51 einer Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. Der Kollektor des Transistors 49 ist mit dem Anschluß 27, der Kollektor des Transistors 50 mit dem Anschluß 29 verbunden. Die Anschlüsse 28 und 30 sind mit dem Pluspol 52 der Gleichspannungsquelle verbunden. Die Basis des Transistors 49 und die Basis des Transistors 50 sind an die Steuerausgänge des Hallgenerator-s 42 angeschlossen, dessen beide anderen Anschlüsse an den Minuspol 51 und - über einen Widerstand 53 - an den Pluspol 52 angeschlossen sind.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Motors nach den Figuren 1 bis 3 wird bezuggenommen auf die Darstellung in Figur 4. Dort ist in der unteren Reihe mit 55 eine Kurve bezeichnet, welche das elektromagnetische Moment darstellt, das bei laufendem Motor im Rotor 26 erzeugt wird. Wie man klar sieht, treten im Momentenverlauf Lücken auf, die in Figur 4 mit 56 bezeichnet sind. Diese Momentenlücken 56 sind deshalb ungünstig, weil sie in ungünstigen Fällen den Anlauf des Motors verhindern und ein ungleichmäßiges Drehmoment ergeben.
Durch die Formstücke 45 und 46 wird nun erfindungsgemäß ein zusätzliches Reluktanz-Drehmoment erzeugt, dessen Form in Figur 4 in der oberen Reihe dargestellt und mit 57 bezeichnet ist. Dieses Drehmoment hat durch die bei den Formstücken 45 und 46 gewählte Formgebung, die Form der Pol lücken 22 und die Form der magnetisch aktiven Spulenteile 33 bis 36 die in Figur 4 dargestellt? unsymmetrische Form. Hierbei gilt, daß die in Figur 4 mit 58 bezeichnete Fläche in der Größe der Fläche 59 entspricht. Die untere Begrenzung der Fläche 58 stellt ein Bremsmoment dar, während die Begrenzung der Fläche 59 ein positives Drehmoment ergibt. Man kann sich die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Prinzips am besten so vor stellen, daß die Fläche 58 Energie darstellt, die durch das elektromagnetische Moment 55 erzeugt und im magnetischen Feld des Motors gespeichert wird, und daß die Fläche 59 die Energie wiedergibt, die in der Momentenlücke durch das magnetische Feld des Motors freigegeben wird und diesen dort antreibt. - Durch die Oberlagerung der Momentenkurven 57 und 55 ergibt sich das in Figur 4 mit 60 bezeichnete Summenmoment, das bei geeigneter Bemessung im Bereich des Nennmomentes praktisch konstant gehalten werden kann.
Bei einem erfindungsgemäßen Motor gelingt es also mit einem einzigen Strang, nämlich den beiden Wicklungen 11 und 12, ein praktisch konstantes Drehmoment zu erzielen, wozu nach dem Stand der Technik sonst mindestens eine zweisträngige Wicklung erforderlich ist. Hierdurch ergeben sich wesentliche Einsparungen sowohl in der Herstellung des Motors wie bei den erforderlichen elektronischen Bauelementen, da für die weggefallenen Wicklungen auch keine elektronischen Steuerglieder mehr erforderlich sind.
Das erfindungsgemäße Prinzip läßt sich auch bei Motoren mit einem Stator anwenden, der auf seiner radialen Innen- oder Außenseite einen Luftspalt hat; solche Motoren sind in den Figuren 5 und 6 darstellt.
Figur 5 zeigt einen Motor mit einem Stator 63, der als Doppel-T-Anker ausgebildet und mit zwei Wicklungen 64 und 65 versehen ist. Um den Stator 63 herum ist ein permanentmagnetischer Rotor 66 drehbar angeordnet. Die Steuerung der beiden Wicklungen 65 und 64 kann in der gleichen Weise erfolgen wie bei Figur 1 und ist deshalb nicht nochmals dargestellt.
Zur Erzeugung des zusätzlichen Reluktanzmomentes ist hier der Luftspalt am Pol bogen jeweils so ausgebildet, daß er sich in Drehrichtung Verengt. Erreicht wird dies dadurch, daß sich die Pole des Stators 63 auf der einen Seite radial erweitern, wie dies in Figur 5 durch die schraffierten Flächen 67 bzw. 68 klar dargestellt ist. Diese radialen Erweiterungen bewirken ebenso wie die Formstücke 45 bzw. 46 nach Figur 1, daß während der Wirksamkeit des elektromagnetischen Moments in dem aus Rotor und Stator bestehenden magnetischen System Energie gespeichert und dann in den Momentenlücken freigegeben wird, so daß sich insgesamt ein praktisch konstantes Drehmoment ergibt.
Figur 6 zeigt die Anwendung desselben Prinzips auf einen 4poligen Motor mit einem Stator 71 und einem permanentmagnetischen Rotor 72. Im Stator sind hier 4 Nuten 73 bis 76 vorgesehen, in die zwei Wicklungen 77 und 78 gewickelt sind, und zwar liegt die Wicklung 77 in den Nuten 73-und 74 und die Wicklung 78 in den Nuten 75 und 76.
Auch hier sind die Polbögen 79 bis 82 so ausgebildet, daß sich der Luftspalt in Drehrichtung verengt, d.h. der Radius der Polbögen nimmt, in Drehrichtung gesehen, zu. Die Wirkungsweise ist dabei dieselbe wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5.
Beim ersten Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 3 ist besonders darauf hinzuweisen, daß durch die erfindungsgemäße Krümmung der Pol lücken 22 in Verbindung mit dem Verlauf der magnetisch aktiven Teile 33 bis 36 und deren Schrägung erreicht wird, daß die aktiven Teile des Reluktanzmoments 57 (Schraffur 59 in Figur 4) genau an der Stelle wirksam werden, an der sie im Momentenverlauf benötigt werden. Ohne diese Maßnahme wäre es erforderlich, die Formstücke 45 über oder unter den Spulen 11 bzw. 12 anzuordnen, wodurch deren Wickel höhe wesentlich reduziert würde. Durch die erfindungsgemäße Anordnung vermeidet man aber diesen Nachteil, d.h. man kann die volle Wickelhöhe ausnützen, wie das aus Figur 2 klar hervorgeht, erhält aber dennoch den gewünschten Momentenverlauf. Wie man aus den Fig.
1 und 3 zusammengenommen erkennt, verlaufen die Pol lücken 22 fast unter einem rechten Winkel zu den magnetisch aktiven Spulenteilen 33 bzw. 36, dagegen praktisch parallel zu den magnetisch aktiven Spulenteilen 34 bzw. 35. Hierdurch-wird sichergestellt, daß die Pol lücken 22 beim Vorbeilaufen an den Formstücken 45 oder 46 mit diesen und den benachbarten magnetisch aktiven Spulenteilen gleichzeitig in Wechselwirkung treten können.
Um unerwünschte Axialkräfte zu vermeiden ist es zweckmäßig, jede Spule in zwei Teilwicklungen aufzuteilen und diese symmetrisch zur Achse anzuordnen. Dies ist z.B. durch Bifilarwicklung in einfacher Weise möglich. Die ausgekoppelte Spannung die zur Regelung benutzt werden kann, ist dann gleichförmiger und das Drehmoment des Motors außerdem symmetrischer, selbst wenn die Magnete an den einzelnen Polen ungleiche Induktionen au-fweisen sollten.
Durch die Erfindung ergibt sich also eine wesentliche Vereinfachung ie und Verbilligung von kollektorlosen Gleichstrom-Motoren.

Claims

Patentansprüche

Tc 1) Kollektorloser Gleichstrom-Motor mit einem permanentmagnetischen Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor eine nur einsträngige Wicklung aufweist, welche im Betrieb ein Lücken (56) aufweisendes elektromagnetisches Drehmoment (55) erzeugt, und daß zur Erzeugung eines mindestens in den Momenteniücken (56) wirksamen Hilfsmoments (57) nicht elektromagnetisch wirkende Mittel zur Erzeugung desselben vorgesehen sind.
2) Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsmoment durch ein Reluktanzmoment gebildet wird.
3) Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Reluktanzmoments (57) der magnetische Widerstand im Statorteil des magnetischen Kreises über dem Drehwinkel veränderlich ausgebildet ist.
4) Motor nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines bevorzugt in den Momentenlücken (56) wirksamen Reluktanzmoments (57, 59) der magnetische Widerstand über dem Drehwinkel etwa sägenzahnförmig verläuft.
5) Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor mit axialem Luftspalt am Stator im Bereich des Luftspalts mindestens ein Teil (45, 46) aus magnetisch leitendem Werkstoff vorgesehen ist, das sich auf dem größeren Teil seiner Erstreckung entgegen der Drehrichtung des Rotors (26) verjüngt.
6) Motor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (45, 46) aus magnetisch leitendem Werkstoff etwa keilförmig ausgebildet ist.
7) Motor nach einem der Ansprüche 4 - 6 , dadurch gekennzeichnet, daß das Teil aus magnetisch leitendem Werkstoff im Anschluß an eine Spule (11, 12) angeordnet und an deren Form angepaßt ist.
8) Motor nach einem der Ansprüche 4 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (45, 46) aus magnetisch leitendem Werkstoff in einer Richtung verjüngt ist, die parallel zur Ebene des Luftspalts verläuft.
9) Motor nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor mit axialem Luftspalt mit zwei die einsträngige Wicklung darstellenden Flachspulen (11, 12) neben der einen Flachspule das Weicheisenstück (45) für die Erzeugung des Reluktanzmoments und daß an einer magnetisch gleichwertigen Stelle des Stators, vorzugsweise an der analogen Stelle (46) der anderen Flachspule (12) ein magnetisches Fühlelement, z. B. ein Hallgenerator (42), vorgesehen ist.
10) Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pol lücken (22) zwischen den im Permanentmagnet (18, 19) vorgesehenen Polen unter einem vorgegebenen Winkel ( i ') zu einem von der Drehachse (15) ausgehenden Radiusvektor (23) verlaufen.
11) Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen (24) der Pol lücken (22) jeweils entgegen der Drehrichtung (25) gegenüber dem zugeordneten Radiusvektor (23) verdreht sind.
12) Motor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pollücken (22) gekrümmt ausgebildet sind.
13) Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachwicklungen (11, 12) leicht gesehnt sind.
14) Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch wirksamen, von innen nach außen verlaufenden Abschnitte (33 bis 36) der Spulen (11, 12) in Richtung gegeneinander geschrängt sind.
15) Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägungswinkel (« ) der Spulenabschnitte -(33 bis 36) etwa gleich dem Winkel ( K I) ist, den die Pollücken (22) mit dem jeweils zugeordneten Radiusvektor (23) bilden.
16) Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor mit.geblechtem Ständer (63; il) und einem inner- oder außerhalb dieses Ständers liegenden zylindrischen Luftspalts der Ständer auf seiner dem Luftspalt zugewandten Seite einen vom Drehwinkel abhängigen Durchmesser aufweist.
17) Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser etwa sägezahnförmig verläuft (Figur 5, Figur 6).
18) Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor zur an sich bekannten lageabhängigen Steuerung mittels vorzugsweise eines einzigen elektronischen Steuerglieds, insbesondere eines Hallgenerators, ausgebildet ist.
19) Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge; kennzeichnet, daß jede Spule der einsträngigen Wicklung aus zwei (z. B. bifilar ineinandergewickelten) Teilwicklungen zur Symmetrierung der wirksamen Drehmomente besteht.
20) Motor nach einem-der Ansprüche 1 - 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung des permanentmagnetischen Rotors im Luftspalt (O) in Drehrichtung eine annähernd rechteckförmige Induktionsverteilung ergibt.