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Dokumentenidentifikation DE3239665C2 07.06.1990
Titel Kollektorloser Gleichstrommotor, Verfahren zur Magnetisierung seines Rotormagneten sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Anmelder EBM Elektrobau Mulfingen GmbH & Co, 7119 Mulfingen, DE
Erfinder Wagner, Martin, 7119 Ingelfingen, DE;
Reinhardt, Wilhelm, 7187 Schrozberg, DE;
Rüdele, Friedr. Otto Ulrich, Dipl.-Ing.(FH), 7119 Weißbach, DE
Vertreter Solf, A., Dr.-Ing., 8000 München; Zapf, C., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 5600 Wuppertal
DE-Anmeldedatum 27.10.1982
DE-Aktenzeichen 3239665
Offenlegungstag 15.12.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.06.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.06.1990
IPC-Hauptklasse H02K 29/00
IPC-Nebenklasse H02K 29/08   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor aus einem Stator mit zwei ausgeprägten Polen und einem permanentmagnetischen Innen- oder Außenrotor, wobei die Rotormagnetpole eine Induktionsverteilung mit Pollücken zwischen den Polen aufweisen und im Bereich der Nutöffnungen eine Unsymmetrie des magnetischen Feldes zur Erzielung einer Reluktanzänderung durch einen Luftspalt vorgesehen ist, der sich, in Drehrichtung gesehen, in einem Bereich zwischen den beiden Nutöffnungen - mit seiner größten Breite bei der ersten Nutöffnung beginnend - zunächst verengt, insbesondere über einen Winkelbereich von 30° bis 70° el, und dann in konstanter Breite insbesondere über einen Winkelbereich von 150° bis 110° el bis zu der zweiten Nutöffnung verläuft und nachfolgend an dieser Nutöffnung wieder mit seiner größten Breite beginnt, und wobei eine von einem Drehstellungsdetektor gesteuerte, im Betrieb ein Wechselfeld erzeugende Statorwicklung vorhanden ist.

Ein derartiger Gleichstrommotor ist aus der DE-OS 30 26 797 bekannt, dessen Rotor im Bereich der Pole eine praktisch konstante Induktion sowie schmale Pollücken besitzt, so daß sich insgesamt eine trapezförmige Induktionsverteilung ergibt. Durch die spezielle Luftspalt-Ausgestaltung werden unterschiedliche magnetische Widerstände (Reluktanzen), d. h. eine Unsymmetrie des magnetischen Feldes, erzeugt. Nachteilig bei diesem bekannten Motor ist seine verhältnismäßig starke Polfühligkeit, was bedeutet, daß der Rotor magnetfeldbedingt die Neigung hat, in bestimmten Stellungen stehen zu bleiben, was einen "unrunden" Motorlauf zur Folge hat. Insbesondere für den Motoranlauf ist daher ein zusätzliches Drehmoment (Reluktanzmoment) erforderlich.

Ein aus der DE-PS 23 46 380 bekannter, kollektorloser Gleichstrommotor weist ebenfalls eine etwa trapezförmige Magnetisierung bzw. Induktionsverteilung auf. Der Drehwinkelbereich, in dem der Rotor im Betrieb ein elektromagnetisches Antriebsmoment erhält, fällt etwa mit dem Winkelbereich zusammen, in dem die Pollücken ein Gebiet in Drehrichtung abnehmenden magnetisch wirksamen Luftspaltes durchlaufen; der Drehwinkelbereich, in dem der Rotor im Betrieb kein elektromagnetisches Antriebsmoment erhält, fällt etwa mit einem bestimmten Winkelbereich zusammen, in dem die Pollücken ein Gebiet in Drehrichtung zunehmenden magnetisch wirksamen Luftspaltes durchlaufen. Hier soll erreicht werden, daß auch in denjenigen Winkelbereichen, in denen die Pollücken über die Nutöffnungen hinweglaufen, das Reluktanzmoment diese Momentlücke überwindet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kollektorlosen Gleichstrommotor zu schaffen, der eine geringe Polfühligkeit besitzt, so daß nur ein relativ geringes Reluktanzmoment zum Zeitpunkt des Anlaufens erforderlich ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Pole des Rotors eine Induktionsverteilung mit einer Kurvenform aufweisen, die beschreibbar ist als Überlagerung zweier sinusförmiger Kurven unterschiedlicher Frequenz und Amplitude, wobei die eine Kurve eine Grundwelle und die andere Kurve deren dritte Überwelle ist. Hierdurch verringert sich die Polfühligkeit des erfindungsgemäßen Motors beträchtlich, wobei durch eine diametrale Magnetisierung die Nachteile einer radialen Magnetisierung vermieden werden und trotz relativ breiter Pollücken in Verbindung mit der an sich bekannten Ausgestaltung des Luftspaltes ein relativ kleines Reluktanzmoment beim Anlauf erforderlich ist. Das Amplitudenverhältnis zwischen Grund- und Oberwelle liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1 : 2 und 1 : 10.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn als Drehstellungsdetektor ein digital schaltender Hall-IC Verwendung findet. Derartige Hall-IC's bieten den Vorteil, daß eine Analog-Digital-Umwandlung mittels separater Schaltungselemente nicht erforderlich ist und somit unmittelbar ein logisches Ausgangssignal erzeugt wird. In Verbindung mit der Verwendung derartiger Hall-IC's als Drehstellungsdetektoren ist es weiterhin erfindungsgemäß von Vorteil, wenn die Kurve der magnetischen Induktion sowohl im negativen als auch im positiven Bereich vor bzw. hinter ihren Nulldurchgängen einen etwa linearen Verlauf mit einem Steigungswinkel α von ca. 80° bis 88° aufweist. Durch diese steile Flanke der magnetischen Induktion wird der zur Ein- bzw. Ausschaltung der Hall-IC's erforderliche Wert so früh erreicht, daß die zeitlichen Abstände zwischen den idealen Umschaltzeitpunkten und den tatsächlichen Umschaltzeitpunkten der Hall-IC's erheblich verringert werden, so daß praktisch keine Bremsmomente auftreten können, die aus der Abweichung der idealen Umschaltzeitpunkte von den tatsächlichen Umschaltzeitpunkten hervorgerufen werden. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß diese linearen Steigungsbereiche der Induktionsverteilungskurve relativ kurz sein können, da die Hall-IC's bereits bei relativ geringen magnetischen Induktionswerten ansprechen. Somit ist es gemäß der Erfindung keinesfalls erforderlich, daß der gesamte Anstiegsbereich der magnetischen Induktion eine derartige Steilheit besitzen muß, so daß die Erzeugung der erfindungsgemäßen Magnetisierung bzw. Induktionsverteilung mit relativ einfachen Mitteln erfolgen kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 4 und 5 enthalten.

Die Erfindung erstreckt sich weiterhin auf ein diametrales Magnetisierungsverfahren, wobei die erfindungsgemäße Magnetisierung dadurch erreicht wird, daß im Bereich der Pollücken des Rotormagnets während der Magnetisierung in einer Luftspule die magnetischen Feldlinien konzentriert werden. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist Gegenstand der Ansprüche 8 bis 10.

In der DE-OS 28 40 057 ist zwar ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einer Induktionsverteilung beschrieben, die im weitesten Sinne ebenfalls als Überlagerung zweier sinusförmiger Kurven unterschiedlicher Frequenz und Amplitude beschreibbar sein könnte. Allerdings wird hier die Kurve der Induktionsverteilung als trapezförmig bezeichnet, wobei jede Halbwelle aus zwei Maxima mit einem dazwischenliegenden Einbruch bzw. Minimum besteht. Zudem besitzt hier der Rotor eine polygonale Ausgestaltung, so daß sich zwar die Reluktanz über den Umfang ändert, jedoch keine eigentliche Unsymmetrie des magnetischen Feldes im Bereich der Nutöffnungen gegeben ist.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten DE-OS 31 25 694 ist ein kollektorloser Gleichstrommotor beschrieben, dessen Rotormagnet zwar ebenfalls eine Induktionsverteilung mit einem etwa linearen, steilen Verlauf im Bereich der Nulldurchgänge aufweist, jedoch ist diese Kurvenform nicht durch eine Überlagerung zweier sinusförmiger Kurven unterschiedlicher Frequenz und Amplitude darstellbar, da die hierin dargestellte Kurve jeweils zwischen zwei Maxima, d. h. im Mittelbereich zwischen zwei Nulldurchgängen, ein geradlinig verlaufendes Minimum aufweist. Hierdurch soll insbesondere die auf den Rotor wirkende Axialkraft reduziert werden, um die Rotorlagerung zu entlasten bzw. auch einfache Gleitlager verwenden zu können.

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen zweipoligen Außenläufermotor,

Fig. 2 die zugeordnete Abwicklung des vorgenannten Außenläufermotors, und zwar den Luftspaltverlauf über dem oberen Polbogen, und

Fig. 3 bis 7 Darstellungen zur Erläuterung der Wirkungsweise,

Fig. 8 die Darstellung einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Magnetisierungskurve,

Fig. 9 und 10 eine Anordnung gemäß der Erfindung zur Magnetisierung des Rotormagneten entsprechend der Magnetisierungskurve gemäß Fig. 8,

Fig. 11 und 12 zwei unterschiedliche Ausführungsformen von bei der Vorrichtung gemäß Fig. 9 und 10 verwendeten Flußleitstücken.

In Fig. 1 ist ein Außenläufermotor 1 dargestellt, der einen zweipoligen Rotor 2 aufweist, der als durchgehender Magnetring ausgebildet ist. Die beiden Pollücken 3, 4 sind angedeutet.

Ein Stator 5, ein Doppel-T-Anker, weist einen oberen Pol 6a und einen unteren Pol 7a auf. Erkennbar sind weiter zwei Nuten 8a, 9a. Schematisch dargestellt sind weiter zwei Wicklungen 10, 11, die an einem Pluspol 12 beginnen und mit ihren Enden bis zu Transistoren 16 und 17 verlaufen sowie der Widerstand 21, der als Kollektorwiderstand den Ausgangstransistors des Hall-IC dient. Angedeutet ist noch eine Minusleitung 20 einer Gleichspannungsquelle (beispielsweise 24 V od. dgl.). Alternativ bei PNP-Transistoren wird die Potentialzuordnung gewechselt.

Als Drehstellungsdetektor wird ein digitalschaltender Hall-IC 13 verwendet, der vom Pluspol 12 über einen Vorwiderstand 18 gespeist wird. Der Ausgang dieses Hall-IC's 13 steuert den Transistor 16 direkt, den Transistor 17 über eine Invertierstufe an.

Gemäß Fig. 2 ist die Erfindung darin zu sehen, daß im Prinzip der Luftspalt gleichbleibt (in Umfangsrichtung gesehen also zylindrisch), bis auf einen Teilbereich z. B. 30° bis 70° el. Hier fällt die Breite des Luftspaltes von einem Höchstwert ab bis zu der Breite des zylindrischen Teils 14. Die Kante 26 der Öffnung der Nut 9 und 8 hat den Abstand der zylindrischen gleichbleibenden Luftspaltbreite. Die andere Kante 2 der Öffnung der Nut 9 bzw. 8 hat den größten Abstand vom Magnetmaterial, d. h. hier ist der Luftspalt am größten; im gezeigten Beispiel verringert er sich im Luftspaltbereich 15 kontinuierlich, bis er den konstanten Luftspaltbereich 14 erreicht. In Drehrichtung gesehen (s. den Pfeil in Fig. 2) liegt dieser Luftspaltsprung wieder bei der Nut 8.

In Fig. 3 ist die Magnetisierung des Rotors 2 dargestellt. Die Induktion B läßt sich als Überlagerung zweier sinusförmiger Magnetisierungskurven unterschiedlicher Frequenz und Amplitude beschreiben. Die bei der Magnetisierung entstehenden Pollücken 3, 4 sind erkennbar. Durch die größte Steilheit der Kennlinie wird in Verbindung mit einem digitalschaltenden Hall-IC 13 und dem Verlauf des Luftspaltes eine derartige Momentlücke möglich, daß für den Anlauf des Motors nur ein kleines Reluktanzmoment MH erforderlich wird.

Der Stromverlauf ist in Fig. 4 erkennbar, wobei die Stromkennlinie praktisch nur punktförmige Nullwerte zeigt, woraus auch ein entsprechender Momentverlauf resultiert, wie er in Fig. 5 dargestellt ist.

In Fig. 6 ist das Reluktanzmoment MH zur Erreichung einer pseudostabilen Lage im unerregten Zustand gezeigt, wie diese beispielsweise durch die Anordnung nach der Erfindung erreicht wird. Dieses Reluktanzmoment MH verhindert, daß sich der Rotor 2 in eine stabile Lage einstellen kann, in der beim Einschalten keine Tangentialkraftkomponente entsteht. Der Winkelbereich dieser kritischen Stellung, in der der Rotor 2 beim Anlauf nicht stehen bleiben darf, beträgt ca. 5° el ab Mitte Nutöffnung.

In Verbindung mit digitalschaltenden Hall-IC's 13 ist der Stromverlauf praktisch konstant. Damit ist das Reluktanzmoment MH (bei gleichgeformtem Luftspaltverlauf) sowohl bei annähernd rechteckförmiger bis zu sinusförmiger Rotormagnetisierung ausreichend.

In Fig. 7 ist das an der Welle abgegebene Drehmoment gezeigt. Es setzt sich aus Mel und MH zusammen.

In Fig. 8 ist eine weitere erfindungsgemäße Magnetisierungskurve für die magnetische Induktion B = r (ζ) dargestellt. Diese Magnetisierungskurve stellt wiederum die Überlagerung einer sinusförmigen Grundwelle mit ihrer dritten Oberwelle dar. Sie unterscheidet sich jedoch von der Magnetisierungskurve gemäß Fig. 3 dadurch, daß sowohl im negativen als auch positiven Bereich vor bzw. hinter ihren Nulldurchgängen ein etwas linearer Verlauf mit einem Steigungswinkel α von ca. 80° bis 88° vorhanden ist. Dabei ist der lineare Verlauf zweckmäßigerweise im Bereich von ca. 12° el beidseitig der Nulldurchgänge ausgebildet und sich bis in einen Bereich B&sub1; erstreckt, der sowohl bei negativer als auch positiver Amplitude etwa 40% bis 60% des Maximalwertes der magnetischen Induktion beträgt. Damit werden Pollücken erzeugt, die maßgeblich für die zeitlichen Abstände der Umschaltzeitpunkte der Hall-IC's 13 sind. Dabei kann durch diese erfindungsgemäße Magnetisierung erreicht werden, daß praktisch keine Bremsmomente mehr auftreten. Dabei werden im übrigen aber nicht die Vorteile der Ausbildung der Magnetisierungskurve als Überlagerung der Grundwelle einer Sinusfunktion mit ihrer dritten Oberwelle reduziert.

In Fig. 9 und 10 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung der Magnetisierung gemäß Fig. 8 in einem Rotormagneten dargestellt. Hierzu wird der Rotor 2 mit dem Magnetring auf eine Vorrichtung aufgeschoben und in eine Luftspule 30 eingelegt, wobei der zu magnetisierende Rotor 2 so in die Magnetisierungsspule 30 eingelegt wird, daß die Rotorachse 33 des Rotors 2 senkrecht auf der Spulenachse 34 der Magnetisierungsspule 30 steht. Hierbei kann die Spulenachse 34, wie dargestellt, oberhalb des Rotors 2 verlaufen oder aber der Rotor 2 ist derart angeordnet, daß die Spulenachse 34 durch den Rotor 2 verläuft. Nun ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß durch die quer zur Feldrichtung 35 der Luftspule 30 angeordnete Vorrichtung im Bereich der Pollücken 34 des Rotormagneten eine Konzentration bzw. Bündelung der magnetischen Feldlinien erfolgt. Diese Vorrichtung besteht aus zwei Flußleitstücken 31 aus Eisen, s. auch Fig. 11 und 12, die jeweils am Ende eines Isolierstückes 32 angeordnet sind. Diese Flußleitstücke 31 können in Draufsicht insbesondere die Form eines Trapezes oder die eines gleichschenkligen Dreiecks haben und reichen in radialer Richtung bis dicht an die Innenseite des Rotormagneten heran. In axialer Richtung erstrecken sie sich über die gesamte Breite des Magnetringes.

Die in den Fig. 11 und 12 dargestellten Ausführungsbeispiele der Flußleitstücke 31 unterscheiden sich dadurch, daß die Flußleitstücke 31 gemäß Fig. 11 eine abgeflachte Spitze aufweisen, so daß eine Deckfläche von bestimmter Breite a entsteht, während die Flußleitstücke 31 gemäß Fig. 12 im Querschnitt dreiecksförmig sind und somit eine obere spitze Kante besitzen. Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß durch eine unterschiedliche Ausgestaltung der Breite der Deckfläche die Steilheit der Magnetisierungskurve im Bereich des Nulldurchgangs, wie in Fig. 8 gezeigt, variiert werden kann. Dabei erhöht sich die Steilheit, wenn die Breite der Deckfläche vergrößert wird, und sie verringert sich bei schmaler werdender Deckfläche. Demnach kann die Steilheit der Kurve verändert werden, und zwar von einer relativ breiten Deckfläche bis hin zum Übergang des in Fig. 11 dargestellten trapezförmigen Querschnitts bis zur Ausführungsform gemäß Fig. 12 mit einem Querschnitt der Flußleitstücke in Dreiecksform.

Mit der Ausgestaltung der Magnetisierungskurve gemäß Fig. 8 wird insgesamt der Vorteil erreicht, daß sich aufgrund der Schalthysterese der Hall-IC's 13 praktisch keine Unsymmetrien beim Umschalten von Wicklung zu Wicklung mehr ergeben können.


Anspruch[de]
  1. 1. Kollektorloser Gleichstrommotor aus einem Stator mit zwei ausgeprägten Polen und einem permanentmagnetischen Innen- oder Außenrotor, wobei die Rotormagnetpole eine Induktionsverteilung mit Pollücken zwischen den Polen aufweisen und im Bereich der Nutöffnungen eine Unsymmetrie des magnetischen Feldes zur Erzielung einer Reluktanzänderung durch einen Luftspalt vorgesehen ist, der sich, in Drehrichtung gesehen, in einem Bereich zwischen den beiden Nutöffnungen - mit seiner größten Breite bei der ersten Nutöffnung beginnend - zunächst verengt, insbesondere über einen Winkelbereich von 30° bis 70° el, und dann in konstanter Breite insbesondere über einen Winkelbereich von 150° bis 110° el bis zu der zweiten Nutöffnung verläuft und nachfolgend an dieser Nutöffnung wieder mit seiner größten Breite beginnt, und wobei eine von einem Drehstellungsdetektor gesteuerte, im Betrieb ein Wechselfeld erzeugende Statorwicklung vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsverteilung (B) der Rotormagnetpole (6, 7) eine Kurvenform besitzt, die beschreibbar ist als Überlagerung zweier sinusförmiger Kurven unterschiedlicher Frequenz und Amplitude, wobei die eine Kurve eine Grundwelle und die andere Kurve deren dritte Oberwelle ist.
  2. 2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Amplitudenverhältnis zwischen der Grundwelle und der Oberwelle im Bereich zwischen 1 : 2 und 1 : 10 liegt.
  3. 3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurvenverlauf der Induktionsverteilung B = f (ζ) sowohl im negativen als auch positiven Bereich vor bzw. hinter ihren Nulldurchgängen einen etwa linearen Abschnitt mit einem Steigungswinkel α von ca. 80° bis 88° aufweist.
  4. 4. Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Abschnitt mit dem Steigungswinkel α von ca. 80° bis 88° im Bereich von ca. 12° el beidseitig der Nulldurchgänge ausgebildet ist.
  5. 5. Gleichstrommotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Abschnitt mit dem Steigungswinkel α von ca. 80° bis 88° sich bis in einen Bereich erstreckt, der sowohl bei negativer als auch positiver Amplitude etwa 40% bis 60% des Maximalwertes der magnetischen Induktion beträgt.
  6. 6. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehstellungsdetektor ein digitalschaltender Hall-IC (13) Verwendung findet.
  7. 7. Verfahren zur Magnetisierung des Rotormagneten des Gleichstrommotors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Pollücken (3, 4) des Rotormagneten während der Magnetisierung in einer Luftspule (30) die magnetischen Feldlinien konzentriert werden.
  8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der magnetischen Feldlinien mittels an der Innenfläche des Rotormagneten angeordneter, einander gegenüberliegender und voneinander isolierter Flußleitstücke (31) aus Eisen erfolgt.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußleitstücke (31) im Querschnitt trapezförmig ausgebildet sind und die schmalere Trapezfläche der Innenfläche des Rotormagneten zugekehrt ist und über die Breite der schmaleren Trapezfläche die Steilheit der Magnetisierungskurve im Bereich der Nulldurchgänge gesteuert werden kann, und zwar derart, daß bei Verringerung der Breite der schmaleren Trapezfläche eine Verringerung der Steilheit erreicht wird.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußleitstücke (31) im Inneren des Rotors (2) rechtwinklig zur Feldrichtung (35) angeordnet sind.






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