DE3215541C3

DE3215541C3 - Kollektorloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE3215541C3
Application number: DE19823215541
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Lipp (FH), 7119 Hohebach
Original assignee: Elektrobau Mulfingen and Co EBM GmbH
Current assignee: Elektrobau Mulfingen and Co EBM GmbH
Priority date: 1982-04-26
Filing date: 1982-04-26
Publication date: 1988-12-22
Also published as: DE3215541C2; DE3215541A1

Abstract

Ein kollektorloser Gleichstrommotor ist gemäß der Erfindung zur Schaffung einer preisgünstigen Kommutierungseinrichtung mit je einem magnetfeldempfindlichen Steuerelement je Statorwicklung versehen, und sein als Außenläufer ausgebildeter Rotor weist einen Rotormagneten auf, der zwischen seinen Polen im Bereich der Steuerelemente wenigstens an einer Stelle durch eine Aussparung über einen Drehwinkelbereich von ca. 60 ° in seinem magnetischen Wirkungsfeld unterbrochen ist.

Description

55

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrom-Außenlüufermotor mit einem zylindrischen Luftspalt, mit einem zweipoligen, radial magnetisierten, ringförmigen Rotormagneten und einem Stator mit drei jeweils um 120° gegeneinander versetzt angeordneten Statorwicklungen, die pro Rotorumdrehung über ca. 120° stromdurchflossen sind, und wobei Tür jede Statorwicklung ein eigenes magnetfeldempfindliches Steuerelement vorhanden ist, welches nur auf magnetische Süd- und Nordpole des Rotormagneten anspricht,

In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 31 22 049 ist ein derartiger Gleichstrommotor vorgeschlagen, der zur Erzeugung überlappungsfreier Wicklungsströme für die Statorwicklungen eine elektronische Kommutierungseinrichtung besitzt. Dabei werden die Statorwicklungen aus einer Dreiphasen-Endstufe gespeist, die mit Endstufensignalen von einer Dekodierlogik beaufschlagt wird, die die Statorwicklungen alternierend über einen Drehwinkel des Rotors von jeweils 120°! einschaltet und anschließeiid für einen Drehwinkel von 60°! wieder ausschaltet Die Ansteuerung der Dekodierlogik erfolgt über drei mit dem Stator verbundene Magnetfeldsensoren. Durch die Verwendung von 180°i breiten Rotorpolen kann der Hauptmagnet unmittelbar als Steuermagnet für die Magnetfeldsensoren verwendet werden. Es ist deshalb zwar kein gesonderter Steuermagnet erforde-lich, dafür aber die Dekodierlogik, wodurch der vorgeschlagene Motor konstruktiv relativ aufwendig und folglich teuer ist.

Aus der US-PS 40 92 572 ist eine Treiberschaltung für die Statorwicklungen eines kollektorlosen Gleichstrom-Außenläufermotors bekannt, wobei magneto-elektrische Umformereiemente, ein A.dditionsnetzwerk sowie eine Schaltsteuerung verwendet werden, um aufeinander folgende Ströme mit vorbestimmten, sich nicht überlappenden Stromflußwinkeln in Abhängigkeit von der Erfassung der Drehstellung des Rotors an die Statorwicklungen zu geben. Zur Erzeugung dieser sich nicht überlappenden Ströme werden sich überlappende Hall-Signale durch bestimmte Addition mit entsprechenden invertierten Signalen mittels des Additionsnetzwerkes umgeformt. Die sich nicht überlappenden Ströme für die Statorwicklungen werden also durch in verschiedenen Kombinationen durchgerührte Additionen von sechs Ausgangssignalen der Drehstellungsdetektoren erzeugt. Auch diese Ausbildung ist aufgrund der schaltungstechnischen Maßnahmen konstruktiv aufwendig.

Aus der US-PS 34 56 174 ist ein Gleichstrom-Innenläufermotor bekannt, der zur Kommutierung der Statorwicklungen einen zusätzlichen, axial lußerhalb des Stators angeordneten Steuermagnetkreis aufweist. Diese Ausbildung ist ebenfalls konstruktiv aufwendig und aufgrund der großen axialen Baulänge des Motors nachteilig.

Aus der US-PS 39 88 654 ist ein innenläufermotor bekannt, dessen permanentmagnetischer Innenläufer zwei in axialer Richtung hintereinander angeordnete Teile mit unterschiedlichen Magnetisierungswinkeln aufweist, die durch eine dazwischenliegende, magnetisch isolierende Trennschicht voneinander beabstandet sind. Ein Innenläuferteil ist im Bereich der Statorwicklungen angeordnet und weist eine Magnetisierung mit großem Magnetisierungswinkel auf. Der zweite Innenläuferteil ist zur Kommutierungssteuerung im Bereich der magnetfeldempfindlichen Steuerelemente mit einem kleinen Magnetisierungswinkel angeordnet. Aufgrund der jeweiligen Winkelstellung des Läufers, d. h. durch die Magnetfeldrichtung des Steuerteiles des Innenläufers, erfolgt über die Steuerelemente die Schaltung der Statorwickiungen, also die Kommutierung. Dabei tritt jedoch eine Überlappung der Einschaltbereichc der Wicklungen auf, wodurch ein schlechter Wirkungsgrad des Motors gegeben ist.

Ein weiterer Gleichstrommotor ist aus der DE-OS 16 13 442 bekannt. Auch dieser Motor ist vom Innenläufertyp und weist überlappende Einschaltbereiche der Statorwicklungen, und somit einen hierdurch bedingten schlechten Wirkungsgrad auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem kollektorlosen Gleichstrom-Außen-

läufermotor der gattungsgemäßen Art, diesen bei gleichzeitiger Vermeidung von Überlappungen der Einschaltbereiche der Statorwicklungen und bei einem hierdurch erzielten guten Wirkungsgrad konstruktiv weiter zu vereinfachen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Rotormagnet von seinen beiden Pollücken her in Umfangsrichtung jeweils eine Aussparung aufweist., deren axiale Höhe den Abmessungen der magnetfeldempfindlichen Steuerelemente entspricht, und die einander diametral gegenüberliegen und sich ausgehend von der jeweiligen Pollücke über einen Winkelbereich von ca. 60° erstrecken. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung enthalten.

Aus der DE-PS 12 77 993 ist ein weiterer Innenläufermotor bekannt, dessen Rotor zwar ebenfalls eine Art von Aussparungen zur Steuerung der magnetfeldempfindlichen Steuerelemente aufweist, und zwar ist der Rotor einseitig, den Steuerelementen gegenüberliegend abgeschrägt, wobei eine weitere Abschirmung auf der in axialer sowie diametraler Richtung gegenüberliegenden Rotorseite lediglich zur Vermeidung von Unwuchten vorgesehen ist. Jedoch weist auch dieser bekannte Motor aufgrund der zur Steuerung nur einseitigen Abschrägung große Überlappungen der Einschaltbereiche der Statorwicklungen auf.

Die drei um 120° gegeneinander versetzt angeordneten Statorwicklungen des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors werden über die drei magnetfeldempfindliehen Steuerelemente mittels einer Steuerschaltung nacheinander an eine Gleichspannungsquelle geschaltet, so daß auf diese Weise ein umlaufendes Drehfeld entsteht, wodurch ein Anlaufen des Motors aus jeder beliebigen Lage möglich ist.

Dabei werden als Steuerelemente für die jeweils um 120° versetzten Statorwicklungen bevorzugt drei HaIl-ICs verwendet, denen die Aufgabe zukommt, den magnetischen ¹⁷IuB des radial magnetisierten Rotormagneten und damit die relative Stellung des Rotors zu den Statorwicklungen abzufragen. Diese drei HaIl-ICs sind ebenfalls in einem Winkel von 120° gegeneinander versetzt am Umfang des Stators angeordnet und werden durch das Magnetfeld des speziell ausgebildeten und innerhalb der Rotorglocke befestigten permanentmagnetischen Rotormagneten angesteuert. Der Rotormagnet, der beispielsweise als Kunststoffmagnet ausgeführt sein kann, ist als geschlossener Ring mit einem als magnetischen Rückschluß dienenden Rotortopf verbunden und weist eine zweipolige radiale Magnetisierung auf.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles veranschaulicht, das ihre Merkmale und Vorteil klar erkennbar werden laßt; dabei zeigen in der Zeichnung

Fig. 1 einen Querschnitt durch Läufer und Stator eines erfindungsgemäß ausgebildeten Gleichstrommotors auf der Höhe der Aussparungen im Kotormagneten,

Fig. 2 den als Magnetband ausgebildeten Rotormagneten des Gleichstrommotors von Fig. 1 in einer Abwicklung zusammen mit den magnetfeldempfindlichen Steuerelementen für die Stromversorgung der Statorwicklungen,

Fig. 3 an den magnetfeldempfindlichen Steuerelementen auftretende Sparnungsverläufe in Abhängigkeit vom Drehwinkel &phgr;,

Fig. 4 eine Fig. 2 entsprechende Abwicklung für einen Gleichstrommotor mit umgekehrter Drehrichtung,

Fig. 5 und 6 einen Querschnitt bzw. eine Detailansicht des Stators des Gleichstrommotors vol' Fig. 1.

Ein als Rotormagnet dienendes Magnetband, wie es in Fig. 2 in einer Abwicklung gezeigt ist, weist, ausgehend von den Pollücken jeweils zwischen dem Nordpol &Ngr; und dem Südpol S an der Unterseite zwei Aussparungen L₁ und L₂ und der Höhe b auf, die sich jeweils über einen Drehwinkelbereich von ca. 60° erstrecken.

Die Höhe b der Aussparungen L₁ und L₂ des Magnetbandes in axialer Richtung ist so bemessen, daß bei montiertem Rotortopf mit eingebautem Magnetband ein auf der Schaltplatine nebst Elektronikteilen als magnetfeldempfindliches Steuerelement montierter Hall-IC H₁, H₂, H₃ in Höhe dieser Aussparungen L, und L₂ arbeitet.

Es ergeben sich somit für die Hall-IC's &EEgr;_&lgr;,&EEgr;₂, H₃ drei verschieden magnetisierte Bereiche rfes Rotormagneten, aus denen sie ihre Ausgangssigndle ableiten. Die unmagnetischen Bereiche /_: und /₄ der Hohe b erstrekken sich, wie bereits ausgeführt, jeweils über einen Winkel von 60°, während sich der wirksame Südpolbereich und Nordpolbereich des Steuerteils des Roiormagneten über einen Drehwinkelbereich von je 120° ausdehnt.

Hier muß noch bemerkt werden, daß die Aussparung L₂ bei linksdrehenden Motoren entsprechend Fig. 2 bzw. L&igr; bei rechtsdrehenden Motoren nach Fig. 4 am Nordpol N des Rotormagneten keinen Einfluß auf das Schaltverhalten der HaIl-ICs H₁, H₂, H_y hat, sondern lediglich dazu dient, die durch die Aussparung L, nach Fig. 2 bzw. L₂ nach Fig. 4 am Südpol S entstehende Unwucht wieder auszugleichen.

Durch die Aufteilung des Rotormagneten in einen Steuerbereich der Höhe b und einen Arbeitsbereich der Höhe &agr; bleibt der drehmomenterzeugende Teil des wirksamen Feldes zweipolig bestehen, wobei der Südpol S und der Nordpol N jeweils einen Drehwinkelbereich von 180° bilden.

Um ein optimales Arbeiten der Kommutierungseinrichtung zu gewährleisten, sind die Hall-IC's H₁, H₂, H_} nicht wie theoretisch erforderlich in der Mitte jeder Nutöffnung untergebracht, sondern je nach gev/ünschter Drehrichtung links bzw. rechts jeder Nutöffnung positioniert. Der Drehwinkelbereich, um den die Hall-IC's #,, H₂, H] versetzt angeordnet sind, ist abhängig vom Einschaltverhalten der HaIi-ICs H_u H₂, H_}. Aufgrund seiner Schalthysterese schaltet ein Hall-IC nicht im Nulldurchgang der magnetischen Induktion, sondern erst nach ErreicAen eines gewissen von Typ zu Typ leicht schwankenden Wertes der magnetischen Induktion B.

Durcri die versetzte Anordnung der Hall-IC's //,, H₂, H_} wird sichergestellt, daß die dem jeweiligen Hall-IC H₁, H₇, H_} zugeordnete Statorwicklung W₁. W₂ bzw. W₁ eingeschaltet wird, sobald der entsprechende Magnetpol des Rotormagneten den Polschenkel dieser Statorwicklung erreicht ha*.

Zur Positionierung der Hall-IC's befinden sich nach Fi g. 5 und 6 an der Endscheibe des Stators Aussparungen 1, 2, in denen die einzelnen Hall-IC's Aufnahmen finden können. Diese Aussparungen 1,2 sind links und rechts einer jeden Nutöffnung so angebracht, daß man Befestigung des Hall ICs H_u H₂, H₃ ein minimaler Luftspalt zwischen Stator und Läufer möglich wird und der Stator für links- und rechtsdrehende Motoren verwendet werden kann.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Kommu-

tierungseinrichtung sei von der in Fig. 1 dargestellten Abbildung ausgegangen, bei derz. B. Hall-IC's H₁, H₂, H₃ verwendet werden, die nur vom Südpol eines Magneten durchgeschaltet werden können. Im quasi feldfreien Raum der Aussparungen L_u L₂ und im Feld des Nordpols N des permanentmagnetischen Steuerteils jedoch nicht durchgeschaltet werden. Dadurch ergibt sich, daß jeder der drei Hall-IC's //,, H₂, H₁ pro Umdrehung des Läufers nur über 120° durchgeschaltet ist und sich über 240° in Ruhestellung befindet.

Geht man bei der Darstellung der Wirkungsweise z. B. von einem linksdrehenden Motor aus, so sind die Hall-IC's H&ldquor; H₂, H₁ entsprechend der in Fig. 5 gezeigten Darstellung in den Aussparungen 1 der Endscheibe untergebracht. Außerdem weist der Läufer als Rotormagneten einen Permanentmagneten auf, der auf die in Fig. 2 dargestellte Weise magnetisiert und mit Ausspantnopn / . T . uprcphpn ici

Wird die Betriebsspannung eingeschaltet, wird nach Fig. 1 aufgrund des dem Hall-IC H₁ gegenüberliegenden Südpols S des Rotormagneten der Hall-IC H₁ leitend. Dieser bewirkt über nachgeschaltete Verstärkerstufen, daß die Statorwicklung W, eingeschaltet wird. Der HaII-IC H₂, der sich zu diesem Zeitpunkt gegenüber dem Nordpol N befindet, und der Hall-IC H₃, der der Aussparung Z., des Südpols S gegenüberliegt, sind nicht durchgesteuert. Es ergeben sich Einschaltsignale, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind. Durch die Einschaltung der Statorwicklung W₁ dreht sich der Rotor in Richtung des Polschenkels mit der Wicklung W₁. Erreicht der Bereich des Rotormagneten zwischen A und C in F i g. 1 die Position des HaII-ICs H₂, erfolgt die Abschaltung der Statorwicklung W₁, weil durch die im Steuerteil beginnende Aussparung L₁ des Südpols S der Hall-IC H, abgeschaltet wird. Gleichzeitig erfolgt nun durch den Südpol S des Rotormagneten eine Einschaltung des Hall-IC's /Z₂, der nun wiederum die Statorwicklung W₂ unter Strom setzt, so daß durch das sich aufbauende Magnetfeld eine Weiterdrehung des Läufers erfolgt.

In gleicher Weise wird nun bei Erreichen des Hall-ICs H, die Statorwicklung W₂ abgeschaltet und die Statorwicklung W₁ eingeschaltet. Durch diese Ansteuerung ist ein kontinuierlicher Lauf und ein sicheres Anlaufen des Motors aus jeder Läuferstellung heraus gewährleistet.

Bei Änderung der Drehrichtung sind die HaIl-ICs an der Endscheibe des Stators in Fig. 5 in den Aussparungen 2 unterzubringen. Außerdem bedarf es einer Verschiebung der Aussparungen L₁, L₂ am Magnetband des Rotormagneter um 120° oder als Alternative dazu einer Änderung der Magnetisierung entsprechend Fig. 4, sowie einer geänderten Verschaltung der Statorwicklungen. Die Polteilung des Rotormagneten in Fig. 1 ergibt sich dann bei Berücksichtigung der geänderten Drehrichtung entlang der Linie D-E, während sie bei Linksdrehung entlang der Linie A-B verläuft

Mit dieser Kommutierungseinrichtung ist es selbstverständlich auch möglich, Hall-IC's zu verwenden, die vom Nordpol des Rotormagneten durchgeschaltet werden. Es ist dann lediglich, verglichen mit der jeweils gleichen Drehrichtung, eine Verschiebung der Aussparungen des Rotormagneten durchzuführen oder alternativ die Magnetisierung zu ändern.
_ In einer etwas veränderten Ausführungsform der trtindung ist es auch möglich, den Arbeitsteil mit der Höhe &agr; und den Steuerteil mit der Höhe b des Rotormagneten in Fig. 2 bzw. 4 getrennt auszuführen. Der Arbeitsteil besteht dann lediglich aus einem zweipolig radial magnetisierten Magnetband, das innerhalb der Rotorglocke befestigt wird. Die beiden Steir.erteile der Höhe b sind dann ebenfalls entsprechend zu magnetisieren und je nach Drehrichtung an gewünschter Stelle des Läufers zu befestigen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kollektorloser Gleichstrorn-AuGenläufermotor mit einem zylindrischen Luftspalt, mit einem zweipoligen, radial magnetisierten, ringförmigen Rotormagneten und einem Stator mit drei jeweils um 120° gegeneinander versetzt angeordneten Statorwicklungen, die pio Rotorumdrehung über ca. 120° stromdurchflossen sind und wobei für jede Statorwicklung ein eigenes magnetfeldempGndlicb.es Steuerelement vorhanden ist, welches nur auf magnetische Süd- oder Nordpole des Rotormagneten anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotormagnet von seinen beiden Pollücken her in Umfangsrichtung jeweils eine Aussparung (L₁, L₂) aufweist, deren axiale Höhe (b) den Abmessungen der magnetfeldempfindlichen Steuerelemente (H₁, H₂, H₃) einspricht, die einander diametral gegenüberliegen und sich ausgehend «on der jeweiligen Pollücke über einen Winkelbereich von ca. 60° erstrecken.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotormagnet in Form eines innerhalb eines Rotortopfes befestigten, einteiligen Magnetbandes auf Kunststoffbasis mit einem die Aussparungen (Z.,, L₂) enthaltenden Steuerteil der axialen Höhe (b'f und einem Afbeitsteil der axialen Höhe (&agr;) ausgeführt ist.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotormagnet in Form eines innerhalb des Rotortopies befestigten, zweiteiligen Magnetbandes auf Kunststoiibasis mit Unterteilung in einen Arbeitsteil der Höhe (a\ und einen Steuerteil der Höhe (b) ausgeführt ist.

4. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Endstheibe des Stators Aussparungen (1,2) für magnetfeldempfindliche Steuerelemente (H₁, H₂, H₁) angeordnet sind.

5. Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (1,2) an der Endscheibe des Stators, jeweils ausgehend von der Nutmitte, innerhalb eines Winkelbereiches von -30° < a < 30° angebracht sind.

6. Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfeldempfindlichen Steuerelemente (//,, H_:, Hy) bei Linkslauf des Motors in den linken Aussparungen (1) und bei Rechtslauf des Motors in den rechten Aussparungen (2) der Endscheibe des Stators angeordnet sind.