DE8702271U1

DE8702271U1 - Kollektorloser Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor

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Publication number: DE8702271U1
Application number: DE8702271U
Authority: DE
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1987-02-14
Filing date: 1987-02-14
Publication date: 1987-06-04

Description

DE-584 011-HDP/de

Ersetzt AtrohBlttt Kollektorloser Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Solche Motoren Bind bekannt und zwar aus dem deutschen Patent 22 25 &aacgr;&aacgr;&Zgr; oder aus der DE-OS 22 60 069.

Bei diesen Lösungen werden als Drehstellungsdetektoren häufig Hallgeneratoren (oder auch sogenannte HaIl-ICs) verwendet, um die Rotorstellung zu signalisieren und dementsprechend die Wicklung pulsweise zu bestromen. Aus diesem Stande der Technik ist es auch bekannt« nur eine einzige Spule als Statorwicklung vorzusehen.

Für manche Anwendungen, insbesondere bei sehr unterschiedlicher Umgebungstemperatur, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, die sowohl am Nordpol als auch in der Sahara funktionieren müssen, ist es von besonderer Bedeutung, daQ der Motor sicher funktioniert. Der Rotorstellungssensor unterliegt dabei jedoch starken Schwankungen und arbeitet unter Umständen nicht mehr zuverlässig bzw. gibt sehr unterschiedliche Spannungswerte ab. Neben diesem Bedürfnis geht es auch darum, solche sehr einfach gebauten Motoren entsprechend leise im Betrieb zu haben, denn die ständige Forderung nach Geräuscharmut wird insbesondere bei Dauerlauf erhoben und in vielen Anwendungsfällen wird Dauerlauf gefordert. Für Dauerlauf ist die Tatsache eines kollektorlosen Gleichstrommotors ohnehin schon vorteilhaft.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine möglichst unabhängig von der Umgebungstemperatur sicher funktionierende Lösung zu erhalten, die einen geräuscharmen Lauf ermöglicht, (das besonders bei der Schaltungsfigur noch als Vorteil hervorzuheben und so ist dieser Vorteil auch gegeben, wenn man weichmagnetische Mittel für die definierte Startstellung nimmt, weil

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Diese Aufgabe wird bei sehr einfacher Konstruktion mit den
Mitteln des Anspruches 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und den Figuren.

Aus dem DE-GM 84 31 241 ist bereits eine sehr einfache Lösung mit Hall-IC und relativ aufwendiger zugehöriger Schaltung bekannt. Jene Lösung zeigt eine unsymmetrische Spule, wie sie
aus der Fig. 1 der 22 60 069 schon bekannt ist, während Fig. der DE-OS 22 60 069 eine zur Rotationsachse konzentrische,
symmetrische Spule im ebenen Luftspalt wie hier in Fig. 4 aufweist.

Eine einfach Gesamtlösung, d. h. einfachster Motor und möglichst wenig Schaltungselemente für die zugehörige Kommutierungsschaltung, ist deshalb zu erstreben. Obwohl die Schaltung gemäß
Fig. 5 mit ihrer geringen Komponentenzahl für den gattungsgemäOen einfachen Motor insgesamt zu einer hervorragenden technischen Lösung für den Markt der Luftsensortechnik, insbesondere wenn man den Herstellpreis einbezieht, führt, kann diese
Schaltung möglicherweise auch unabhängig von der Art des speziellen Motors oder einer besonderen Anwendung,wie eingangs
erwähnt ,von Bedeutung sein, also z. B. auch in Verbindung mit Hallgeneratoren als Rotorstellungssensoren. Die Schaltung nach Fig. 5 trägt auch zu ruhigem Lauf bei.

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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 (Figuren 1 bis 3 in doppelter natürlicher Größe):

Fig. 1 ein erstes AusfUhrungsbeispiel eines erfindungsgemäGen Motors im Schnitt, angewendet in einem Luftsensorgerät,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den in Fig. 1 dargestellten Motor samt Gerät,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäGen Motors in zu Fig. 1 variierter Konstruktion,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IU in Fig. 1 und 3, Fig. 5 ein Steuerschaltbild des erfindungsgemäßen Motors und Fig. 6 ein Kurvendiagramm des Drehmomentenverlaufs.

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Der in Flg. 1 und 2 dargestellte Ventilator besteht aus einem kleinen Elektromotor 1, einem Gehäuseoberteil 2, einem Gehäuseunterteil 3, einem Radialventilatorrad 4 und einer Steckereinheit 5.

Eine Welle 11 des Motors 1 läuft an einem axialen Ende 13 gegen eine Anlauffläche 12 des Gehäuseunterteiles 3 an. Dieses axiale Welldnende 13 hat vorzugsweise eine halbrunde Kuppe. Eine Doppelgleitlagerbuchse 14 ist im Gehäuseunterteil 3 eingesetzt und weist zwei axial möglichst weit voneinander entfernte Laufflächen auf, in denen die Welle 11 läuft. Am anderen axialen Ende 15 ist das Ventilatorrad 4, eine Weicheisenscheibe 16 und ein permanentmagnetischer Scheibenmagnet 17 konzentrisch und drehfest angebracht. Zwischen dem Gehäuseoberteil 2 und dem Gehäuseunterteil 3 ist eine Leiterplatte 18 angeordnet. Auf der Leiterplatte 18 ist symmetrisch zur Welle 11 eine Statorwicklung 19 angeordnet, die die Arbeitsspule 40 und die Tachospule 41 enthält. Die Arbeitsspule 40 und die Tachospule 41 sind bifilar gewickelt. Für die Tachospule 41 werden nicht so viele Wirdungen benötigt, d. h. die Windungen der Tachospule 41 werden erst nach einer bestimmten Anzahl der Windungen der Arbeitsspule 40 mit dieser gleichphasig mitgewickelt (im Ausführungsbeispiel 1100 bzw. 700 Windungen). Die Luft wird über einen rohrförmigen Domschacht 20 angesaugt. Im Domschacht 20, d. h. im Luftstrom 21, ist ein HeiQleiterwiderstand (PTC) 27, der über Mäanderdrähte 28, 29 und Leitungen 30 mit der Leiterplatte 18 verbunden ist, angeordnet.

Die Mäanderdrähte 28, 29 liegen im Luftstrom 21 und werden laufend von der angesaugten Luft gekühlt und haben dadurch einen vernachlässigbar kleinen Temperatureinfluß auf den PTC 27. Die Leitungen 30 liegen in den Schlitzen 22 und damit im Austrittsbereich des Luftstromes 21, d. h. auch dieser Bereich wird laufend gekühlt und beeinflußt deshalb nicht den für Steuerzwecke eingebauten PTC 27.

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Der PTC 27 steuert beispielsweise Funktionen einer Klimaanlage in einem PKW. Der Luftstrom wird durch das Ventilatorrad 4 erzeugt, wobei er Ober den Domschacht 20 angesaugt wird und über das Ventilatorrad 4 durch einen oder mehrere Schlitze 22, die im Gehäuseoberteil 2 parallel den Außenkanten der radial gerichteten Flügel des Ventilatorrades 4 gegenüberliegend angeordnet sind , herausgeführt wird. Die Leiterplatte 18 ist zwischen dem Gehäuseoberteil 2 und dem Gehäuseunterteil 3 festgeklemmt und ragt seitlich mit einem Überstand 23 heraus. Die Steckereinheit 5 kann einteilig an das Gehäuseoberteil 2 angespritzt oder an diesem befestigt sein. Die Stecker 24 sind an ihrem einen Ende 25 direkt mit den Leiterbahnen bzw. Kontakten auf dem Überstand 23 der Leiterplatte 18 verbunden. Zur Sicherung des Anlaufs des Motors ist ein weichmagnetisches Eisenplättchen 26 neben der Statorwicklung 19 auf der Leiterplatte 18 den Rotormagneten (vorzugsweise 4 Pole) 17 axial gegenüberliegend angeordnet.

( 26, 26 'j

Günstiger ist es, wenn mindestens zwei EisenplättchenYgegenüber-

liegend, d. h. 180 umfangsmäßig versetzt, angeordnet werden, wie Fig. 4 zeigt. Aus Platzqründen wurde in Fig. 1 nur ein Eisenplättchen 26 auf der Leiterplatte 18 angebracht. Wegen größtmöglichen Leichtlaufes wurde auch auf einen magnetischen Rückschluß (z. B. weichmagnetische Scheibe) unter der Statorwicklung 19 verzichtet. Der Wellendurchmesser wurde auch wegen des Leichtlaufes möglichst klein, hier 1 mm, gewählt.

Grundsätzlich werden die weichmagnetischen Elemente 26, 26', 26*' nicht nur für eine bestimmte Startposition sondern auch für guten Lauf angeordnet bzw. gestaltet. Hierzu wird ausdrücklich auf die DE-PS 22 25 442 und ihre Zusatzanmeldungen verwiesen.

Ein permanentmagnetischer Hilfsmagnet statt des weichmagnetiechen Eieenplöttchens 26 würde zwar einerseits eine Verbesserung des Anlaufes des Motors bringen aber eventuell das Laufgerauech (axiales Rattern) erhöhen. Deshalb 1st auf die in Anspruch 5 ehgegebene Anleitung hierfür zu achten.

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In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ventilators gemäß der Erfindung gezeigt. Das Ventilatorrad 4 wird von einem Motor 31, der im wesentlichen dem oben beschriebenen Motor 1 entspricht, ebenfalls direkt angetrieben. Der Motor 31 und das Ventilatorrad 4 werden von einem Gehäuseoberteil 32 und einem Gehäuseunterteil 33 eingeschlossen . Zwischen beiden Teilen 32 und 33 ist eine Leiterplatte 38 befestigt. Stecker ragen durch das Gehäuseunterteil 33 zum Einstecken in entsprechende nicht gezeigte Buchsen. Am anderen Ende sind die Stecker 34 an die Leiterplatte 38 kontaktierend angebracht. Ein PTC 37 ist auf der Leiterplatte 38 verlötet und liegt im ausblasenden Bereich des Luftstromes 21. Die Welle 11 des Motors 31 ist in zwei Gleitlagern 35 gelagert. Ein Wellenende 13 läuft mit einer Kuppe gegen eine Anlauffläche im Gehäuseunterteil 33 axial an, während am anderen Wellenende 15 eine Buchse 36 zentrisch auf der Welle festgemacht ist. An der Buchse 36 ist konzentrisch die Haltescheibe 16 befestigt und auf der einen Stirnseite der weichmagnetischen Rückschlußscheibe 16 das Ventilatorrad 4 und auf der anderen Stirnseite der Scheibenmagnet 17 angeordnet. Als Anlaufhilfe ist hier ein permanentmagnetisches, zur Welle symmetrisches Plättchen 39 konzentrisch zur Welle auf einem lagerrohrartigen Ansatz 50 befestigt. Ein konzentrisches weichmagnetisches Plättchen mit z. B. quadratischer Außenkontur könnte das z. B. 2polige Permanentmagnetplättchen 39 ersetzen.

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Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Statorwicklung 19, die in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 3 zur Anwendung kommt. Die Wicklung 19 ist symmetrisch um die Welle 11 angeordnet und bildet im wesentlichen ein längliches Rechteck. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Motors sind die Längsseiten des Rechtecks in der Mitte nach Art einer liegenden Acht (°°) eingezogen bei einem Motor mit vier Rotorpolen. Die Form einer solchen Wicklung ist mit strichpunktierten Linien 59 eingezeichnet. Dia motorisch wirksamen Abschnitte der Wicklung 19 sollen nämlich gemäß Anspruch 7 möglichst radial verlaufen. In Fig. 4 ist ein weiteres Weicheisenteil 26" eingezeichnet. Zu diesem um 180° diametral versetzt könnte ein nicht gezeichnetes weiteres Teil 26" · für bessere Symmetrie dieses ergänzen. Alle Teile 26 insgesamt sind im Sinne der Lehre der DE-PSe 22 25 442 22 43 923 u.a. optimal gestaltet.

Sie können als we-chmagnetische Teile allein oder mit permanentmagnetischerj Elementen kombiniert verwendet werden, wie z. B. in der DE-OS 22 60 069 angegeben. Fig. 1 zeigt hier nur weichmagnetische, Fig. 4 nur permanentmagnetische statorseitige Teile zur Erzeugung eines Reluktanzhilfsmoments. Aber 28 könnte auch 26, 26' permanentmagnetisch, 26" und 26'" weichmagnetisch sein. Die lappenartigen rechteckförmigen Ansätze können auch abgewinkelte Teile eines Weicheisenblechs sein, das unter der Spule 19 für den magnetischen Rückschluß vorgesehen ist, welches, wie angedeutet, zwar die Reibung erhöht (da es mit dem Rotormagneten nicht rotiert) aber auch das Drehmoment erhöht.

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Die Steuerschaltung (Fig. 5) des erfindungsgemäßen Motors 1, besteht aus wenig Bauteilen, und zwar aus einem Operationsverstärker (OP) 42, einem Startkondensator 43 und einem Rückkopplungskondensator 45. Im Ausführungsbeispiel wurde ein Operationsverstärker mit offenem Kollektor verwendet, der als IC ausgeführt ist.

Zum Anlaufen benötigt der Motor einen Einschaltspannu.tgsimpuls, der durch Schließen einss Schalters 46 (beispielsweise Zündschloß beim PKW) über den Kondensator 43 an den invertierenden Eingang 44 des Operationsverstärkers 42 gelangt. Dadurch wird der OP 42 leitend, die Spule 40 ist eingeschaltet.

Die Impulsbreite ist so ausgelegt, daß der Rotor einen ausreichend großen Drehmomentstoß erfährt. Schon bei geringer Bewegung des Rotors wird in der Tachospule 41 eine Spannung induziert, die die weitere phasenrichtige Steuerung des Motorstroms übernimmt.

Die Arbeitsspule 40 wird dabei jeweils nur eine Halbwelle lang, d. h. über eine Polteilung hinweg, eingeschaltet. Die kinetische Energie des sich drehenden Rotors reicht aus, um sicher über die antriebsJiüsen Wickfeibereiche hinwegzukommen.

Anstelle dee durch Weicheisenteile 26 erzeugten Reluktanzmoments könnte auch ein magnetisch erzeugtes Hilfsmonent verwendet werden. Zum Schalten größerer Leistungen kann dem OP 42 natürlich ein entsprechender Leistungs-Transistor nachgeschaltet werden.

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Durch diese Schaltung wird auch eine Bedämpfung der Kommutierungs-Schaltimpulse dee Motors 1, 31 bewirkt. Die Schaltimpulsspitzen werden vom negativen Ausgang der Arbeitsspule 40 über eine Leitung 47 und den RUckkopplungskondensator 43 wieder an den invertierenden Eingang 44 des OP 42 geführt (Rückkoppelung). Durch diesen negativen Impuls am Eingang 44 wird der Impuls am Ausgang 48 des OP 42 bedampft, d. h. der invertierende Eingang bewirkt eine Umkehrung dieses Impulses am Ausgang 48 und damit eine Bedämpfung des von der Arbeitsspule 40 ausgehenden negativen Impulses. Auch der Kondensator 43 wirkt entsprechend dämpfend. Durch die vorbeschriebene Rückkopplung wird das Laufgeräusch des Motors 1, 31 wesentlich kleiner.

Fig. 6 zeigt die Wirkungsweise des Motors 1, 31 anhand des Drehmomentenverlaufes. Das Reluktanzmoment gibt dem Rotor Ruhelagen vor, aus denen heraus ein Anlauf möglich ist. Bei 4poliger Magnetisierung sind je Rotorumdrehung vier stabile Ruhelagen S. bis S^ und vier labile Ruhelagen L, bis L. vorhanden. Nach dem Einschalten der Wicklung läuft der Rotor aus S₁ZS, nach der einen Richtung, aus S&ldquor;/S. nach der anderen Richtung an. Entsprechendes gilt theoretisch auch für die labilen Ruhelagen. Sie kommen in der Praxis jedoch kaum zum Tragen.

Werden weichmagnetische Teile 26 (Fig. 1) verwendet, erzeugen diese mit dem Rotormagneten zusammen ein Reluktanzmoment doppelter Frequenz mit vier Ruhelagen S. bis S^ . Im Falle permanentmagnetischer statorseitiger Elemente (39 in Fig. 3) ist das dann erzeugte Hilfsmoment von gleicher Frequenz wie das elektrische Moment Mee und im optimalen Fall gegenphasig zu diesem (vgl. DE-OS 22 60 069). Das ergibt ein besseres Anlaufverhalten für den Motor.

Claims

PAPST-HOTOREN GmbH 4 Co" KG 13.02.1987 DE-584 011-HDP/LE/de Ansprüche

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor und mit einer motorisch wirkenden Arbeitswicklung, welche ein- oder zweipulsig zur Erzeugung eines erregenden statorseitigen Wechselfeldes gespeist wird,und mit weichmagirsatischen und/oder permanentmagnetischen statorseitigen Teilen,die definierte Startstellungen des Rotormagneten als auch Reluktanzhilfsmomente erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch die Rotorbewegung erzeugte induzierte Hilfsspannung zur Steuerung der pulsweisen Be-

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strömung der Arbeitswicklunfjyverwendet wird, wobei die

Arbeitswicklung eine einzige Spule aufweist.

2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Spuleysymmetrisch um die Rotationsachse angeordnet ist.

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach ,Anspruch 1 oder 2, da-

Cw durch gekennzeichnet, daß ciie Spulev/bei ebenem Luftspalt im wesentlichen ein längliches Rechteck bildet, welches vorzugsweise in der Mitte der Längsseiten nach Art einer liegenden Acht eingezogen ist und der Rotor 4polig ist.

4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Arbeitswicklung bifilar eine Tachowicklungi/zur Erzeugung der induzierten Hilfsspannung im Lauf von vorzugsweise geringerer Windungszahl als die Arbeitswicklung^mit eingewickelt ist.

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5. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehen- [, den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagne-

tischen (26) und/oder permanentmagnetischen statorseitigen Teile (39) so angeordnet sind, daß eine möglichst geringe Kräfteunsymmetrie im Falle des zylindrischen Luftspaltes bzw. eine minimale axiale Wechselkraft bei ebenem Luftspalt bei Lauf auftritt.

6. Kollektorloser Gleichstrommotor, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tachowindung (41) mit dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers (42) verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Eingang der Arbeitswicklung (40) verbunden ist.

7. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Spule so gestaltet ist, daß ihre motorisch wirkenden, im Bereich des Rotormagneten liegenden Abschnitte bei zylindrischem Luftspalt parallel zur Rotationsachse, bzw. parallel zu den Pollücken des Rotormagneten, und bei ebenem Luftspalt senkrecht zur Rotationsachse möglichst radial, bzw. paiallel zu den Pollücken des Rotormagneten verlaufen .

8. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule bei ungerader Polpaarzahl (2p = 2, 6, 10, ...) eine Durchmesserwicklung bildet*

9. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitdwicklung (Spule 40) und die Tachospule (41), in der die HiIfsspannung induziert wird, zusammen eine einzige Statorspule (19) bilden.