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Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor
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Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstromaußenläufermotor
mit im wesentlichen zylindrischem Luftspalt, mit einem Rotor, der einen mindestens
zwei Polpaare aufweisenden dauermagnetischen Erregermagneten trägt, mit mindestens
einem mit dem Erregermagneten zusammenwirkenden magnetfeldabhängigen Drehstellungsdetektor
zum Erfassen der Rotorlage, mit einer Statorwicklung, die in Abhängigkeit einer
vom Drehstellungsdetektor gesteuerten Kommut ierungseinricbtung angesteuert wird.
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Motoren dieser Art sind bekannt (DE-OS 32 21 859, DE-OS 30 26 797
und DE-PS 23 46 380). Beim praktischen Einsatz solcher Motoren, insbesondere für
den Antrieb von Magnetplattenspeichern, aber auch in anderen Fällen, wie z. B. Positionierantrieben
beliebiger Art, stellt sich häufig die Aufgabe, für ein Steuersignal zu sorgen,
das während jeder Umdrehung des Rotors nur einmal erscheint und das z. B. als Bezugssignal
für die Drehge-
schwindigkeit des Rotors benutzt werden kann.
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Ein solches Steuersignal fällt bei Motoren mit zweipoligem Erregermagneten
von selbst an. Beispielsweise braucht nur die ansteigende Flanke der Felderregerkurve
erfaßt zu werden. Diese einfache Art der Steuersignalgewinnung scheidet jedoch bei
Motoren aus, deren Erregermagnet zwei oder mehr Polpaare hat, weil bei jeder vollen
Umdrehung des Rotors zwei oder mehr Flanken in der Felderregerkurve auftreten und
infolge dessen keine eindeutige Zuordnung zwischen einer solchen Flanke und der
Rotorstellung mehr möglich ist.
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Bei einem aus der DE-OS 31 28 417 bekannten Motor wird ein Steuersignal
erzeugt, das pro Rotordrehung nur einmal erscheint und als Bezugssignal für die
Winkelstellung des Rotors z.B. im Falle von Magnetplattenspeichern als Startmarkierung
für den Spuranfang benutzt werden kann. Zur Ableitung dieses Impulses mit Hilfe
einer Steuerimpulsgeneratorstufe ist es aber erforderlich, daß der Rotor einen mindestens
zwei Polpaare aufweisenden dauermagnetischen Erregermagneten und einen Steuermagneten
trägt. Hierbei werden die Steuersignale mit einem weiteren Drehstellungsdetektor
abgeleitet.
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Bei dieser Art der Ausgangssignalerzeugung ergibt sich eine aufwendige
Bauart, da der Erreger- und der Steuermagnet aus zwei Bauteilen zusammengesetzt
werden müssen und zudem ein zusätzlicher Drehstellungsdetektor erforderlich ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine preisgünstige
Einrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe eine eindeutige Ableitung der Rotorstellung
möglich ist, und zwar ohne Verwendung eines zusätzlichen Steuermagneten, so daß
eine in der Herstellung weniger aufwendige Bauweise möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Erregermagnet
des Motors derart magnetisiert ist, daß pro Umdehung zwei Ausgangssignale vom Drehstellungsdetektor
erzeugt werden, die gegeneinander phasenversetzt sind und einen unsymmetrischen
Signalverlauf besitzen, und aus diesen Ausgangssignalen mittels einer Auswertschaltung
ein von der Drehgeschwindigkeit des Motors abhängiges Steuersignal gebildet wird.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung entfällt die Notwendigkeit einen separaten
Steuermagneten mit einem diesem zugeordneten getrennten Drehstellungdetektor vorzusehen,
vielmehr können die sowieso vorhandenen Drehstellungsdetektoren auch zur Erzeugung
des Steuerimpulses herangezogen werden. Darüber hinaus entfällt ebenfalls die Notwendigkeit,
einen separaten Steuermagneten mit einzubauen, da erfindungsgemäß der Rotormagnet
die Aufgabe des Steuermagneten mit übernimmt.
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Hierzu ist es in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
vorteilhaft, wenn der Erregermagnet derart unsymmetrisch magnetisiert ist, daß ein
Pol eines Polpaares in Umfangsrichtung länger ausgebildet ist als der andere Pol
dieses Polpaares. Durch diese erfindungsgemäße unsymmetrische Ausbildung eines Polpaares
des Rotormagneten ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit,
durch
Differenzbildung der phasenversetzten Ausgangsspannungen des Drehstellungsdetektors
mittels einer Auswertschaltung den erforderlichen Steuerimpuls zu bilden.
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Damit wird erfindungsgemäß eine einfache und kostengünstige Möglichkeit
geschaffen, ohne bauliche Veränderungen am bekannten Gleichstromaußenläufermotor
Steuerimpulse, insbesondere für die Drehzahlregelung oder dgl., zu erzeugen. Dabei
hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die erfindungsgemäß vorgesehene Unsymmetrie
des Polpaares des Rotormagneten keinen Einfluß auf das Drehmomentverhalten sowie
die elektrischen Eigenschaften des Motors ausübt.
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Anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
wird die Erfindung nun näher erläutert. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung enthalten.
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Es zeigen : Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen
kollektorlosen Gleichstromaußenläu fermotor, Fig. 2 und 3 Abbildungen des Verlaufs
der auftretenden Ausgangssignale U13, U14 = f ( ,t) in Abhängigkeit von der Stellung
des Rotors des erfindungsgemäßen Motors gemäß Fig. 1,
Fig. 4 den
Verlauf des Steuersignals UD = f ( / ,t).
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Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist ein erfindungsgemäßer kollektorloser
Gleichstromaußenläufermotor 1 dargestellt, dessen Statorblechpaket 5 eine Statorwicklungsanordnung
4 trägt, die im gezeigten Ausführungsbeispiel zweisträngig ausgeführt ist. Der Luftspalt
zwischen dem Statorblechpaket 5 und dem ringförmigen, dauermagnetischen Erregermagneten
3 ist im wesentlichen zylindrisch ausgeführt.
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Hierbei hat der Luftspalt vorteilhafterweise eine derartige Form,
daß er in einem Bereich zwischen zwei Nutöffnungen des Stators 5 mit seiner größten
Breite bei der in Drehrichtung gesehen hinteren Kante einer Nutöffnung beginnt und
sich von dort aus kontinuierlich verengt, insbesondere über einen Winkelbereich
von 300 bis 700 el., und dann in einem Bereich bis zur vorderen Kante der anderen
folgenden Nutöffnung mit konstanter Breite verläuft, insbesondere über einen Winkelbereich
von 150bis 1100 el. Der Erregermagnet 3 weist eine vierpolige Magnetisierung auf,
wobei die Magnetisierung in Umfangsrichtung entweder als Radialmagnetisierung rechteckförmig
oder trapezförmig oder auch als Diametralmagnetisierung sinusförmig oder insbesondere
als Magnetisierung ausgebildet sein kann, deren positive und negative Amplitude
je zwei Maxima mit dazwischenliegendem Mi'nimum enthält, wobei die entstehende Kurvenform
beschreibbar ist als Überlagerung zweier sinusförmiger Magnetisierungskurven verschiedener
Frequenz und Amplitude, insbesondere einer sinusförmigen Grundwelle mit der dazugehörigen
dritten Oberwelle. Der Erregermagnet 3,
bei dem es sich insbesondere
um einen sogenannten Gummimagneten, um einen kunststoffgebundenen Magneten oder
um einzelne Magnetsegmente handeln kann, ist in der als magnetischer Rückschluß
dienenden Rotorglocke 6 befestigt und kann z.B. in diese eingeklebt sein. Dieser
Erregermagnet ist in Umfangsrichtung gemäß der Erfindung unsymmetrisch ausgebildet.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einem vierpoligen Rotormagneten
ist ein Rotorpolpaar derart unsymmetrisch ausgeführt, daß der eine Pol 7 des Rotormagneten
in Umfangsrichtung verkürzt und der andere Pol 8 um diesen verkürzten Winkelbereich
entsprechend verlängert ist, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Das andere Rotorpolpaar
9, 10 ist symmetrisch aufgebaut, wobei die Gesamtlänge der beiden Polpaare 7, 8
und 9, 10 gleich groß ist.
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Weiterhin sind zwei Drehstellungsdetektoren 13, 14 vorgesehen, die
in oder in der Nähe der Nutöffnungen 11, 12 des Statorblechpaketes angebracht sind,
und zwar in einem Winkel von 1800 gegeneinander versetzt. Bei den vorzugsweise verwendeten
Drehstellungsdetektoren handelt es sich um Hall-IC's. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der verlängerte Pol des Polpaares 7, 8 als Nordpol ausgebildet, und der verkürzte
Pol ist als Südpol ausgebildet. Jedoch ist die Erfindung auf diese Art der Magnetisierung
der beiden unsymmetrischen Pole nicht beschränkt, vielmehr kann auch die umgekehrte
Magnetisierung gegeben sein. Dies hängt im wesentlichen von der Wahl der verwendeten
Drehstellungsdetektoren ab. Bei den verwendeten digital schaltenden Hall-IC's ist
jedoch die beschriebene Magnetisierung vorteilhaft.
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Anhand der Fig. 2 bis 4 wird nun die Gewinnung eines Drehzahl abhängigen
Steuersignals näher erläutert.
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Durch die Versetzung der beiden Drehstellungsdetektoren 13, 14 um
1800 tritt eine Phasenverschiebung der Ausgangssignale , d.h. der Ausgangsspannungen
U13 und U14 der entsprechenden Drehstellungsdetektoren 13, 14 um diesen Winkel,
wie dies aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, auf, in denen der Spannungsverlauf
der Ausgangsspannungen als Funktion des Drehwinkels bzw. der Zeit dargestellt ist.
Aufgrund der unsymmetrischen Ausbildung des Rotorpolpaares 7, 8 ergibt sich ein
unsymmetrischer Spannungsverlauf, d.h. der Spannungsverlauf in der ersten Halbperiode
bis 1800 weicht von dem Spannungs.v.erlauf in der zweiten Halbperiode bis 3600 ab.
Somit ist das Ein-und Ausschaltsignal des jeweiligen Drehstellungsdetektors über
den Drehwinkelbereich nicht gleich lang. Wie im bevorzugten Ausführungsbeispiel
gezeigt, ist die Unsymmetrie auf eine Verlängerung des Nordpols eines Rotorpolpaares
zurückzuführen, so wird bei Verwendung eines Hall-IC's, das am Nordpol das logische
Signal "1" abgibt, das entsprechende, durch den Nordpol des Rotormagneten entstehende
Signal verlängert. Steht ein Südpol des Rotormagnuten dem Hall-IC gegenüber, so
erscheint das logische Signal "0", das im Falle des verkürzten Südpols auch nur
verkürzt zur Verfügung steht. Werden die Ausgangssignale U13, U14 beider Hall-IC"s
gemeinsam betrachtet, so zeigt sich aufgrund der vorstehenden erwähnten Phasenverschiebung,
daß zwar die Anstiegsflanken beider Signalfolgen übereinstimmen, aber die abfallenden
Flanken um einen gewissen Drehwinkelbereich verschoben sind. Dieser
Drehwinkelbereich
entspricht dem Drehwinkel, um den die unsymmetrische Magnetisierung eines Rotormagnetpoles
eines Rotormagnetpolpaares vorliegt.
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Erfindungsgemäß wird mittels der Auswertschaltung nun eine Differenzbildung
der beiden Ausgangssignale U13, U14 durchgeführt, wobei die Verschiebung der abfallenden
Signalflanken ausgewählt wird und zu einem einzigen Ausgangssignal entsprechend
Fig. 4 verarbeitet wird.
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Dabei entspricht die Impulsbreite dieses Ausgangssignals UD dem Differenzdrehwinkel
(d 1 - ffi 2) der beiden Ausgangssignale der Hall-IC's.
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Wird eine zeitliche Bewertung der Ausgangssignale U U14 der Hall-IC's
vorgenommen, wobei von einer festen Bezugsdrehzahl des Motors ausgegangen wird,
so verringert sich bei einer Drehzahlerhöhung die Zeitdauer für eine Rotordrehung.
Bei einer Verminderung der Drehzahl tritt dagegen eine Erhöhung der Zeitdauer pro
Rotordrehung auf. Proportional dazu verringern sich oder wachsen die Überlappungsphasen
t2 - t zwischen den Ausgangssignalen U13 und U14 der Hall-IC's. Die mit Hilfe der
Auswertschaltung gebildete Differenz t2 - tl der Über lappungsphasen ist deshalb
als Drehzahl abhängiges Signal zu betrachten, und kann somit zur Drehzahlregelung
herangezogen werden.
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Die Kommutierungszeitpunkte lassen sich in bekannter Weise aus den
Ausgangssignalen der Hall-IC's erzeugen.
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Weiterhin ist in Fig. 5 eine geeignete Auswertschaltung dargestellt.
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Bei dem in Fig. 5 dargestellten Prinzipschaltbild einer Auswerteschaltung
sind die über je einen Widerstand 16 mit der Plusleitung verbundenen Ausgänge der
Hall-IC mit den Eingängen eines Flip-Flop 15 verbunden. Der Ausgang des einen Hall-IC
13 ist dabei mit dessen Takteingang T und der Ausgang des anderen Hall-IC 14 mit
dem Rücksetzeingang verbunden. Zur Auskopplung der Steuersignale für die Kommutierungselektronik
des Motors dienen die Dioden 17, die ausgehend vom ¼all-IC 13 bzw. 14 in Richtung
Koppelpunkt 18 in Sperrichtung geschaltet sind.
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Die Funktionsweise des Flip-Flop 15 ist nun derart, daß an dessen
Ausgang Q der Impuls UD zu einem Zeitpunkt t 1 nur dann beginnt, wenn das Signal
U 13 am Takteingang T von "1" auf "0" wechselt, wobei gleichzeitig am Rücksetzeingang
R das Signal "1" anliegen muß.
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Die Signaldauer UD wird durch den Zeitpunkt t 2 bestimmt, an dem am
Rücksetzeingang R das vom Hall-IC 14 gelieferte Signal U14 von "1" auf "0" wechselt.
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Zu allen übrigen Zeitpunkten liegt das am Ausgang Q am Flip-Flop 15
auftretende Signal UD auf "0", Die zeitliche Dauer dieses durch die unterschiedliche
Rotorpollänge auftretenden Ausgangssignals UD wird also durch die Drehgeschwindigkeit
des Rotors bestimmt und kann somit als Maß für sie dienen.
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