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Dokumentenidentifikation DE4124425B4 01.02.2007
Titel Kollektorloser Gleichstrommotor mit verbesserter Drehmomentwelligkeit
Anmelder Papst Licensing GmbH & Co. KG, 78112 St. Georgen, DE
Erfinder Burgbacher, Martin, 78112 St. Georgen, DE
DE-Anmeldedatum 23.07.1991
DE-Aktenzeichen 4124425
Offenlegungstag 30.01.1992
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.02.2007
IPC-Hauptklasse H02K 21/02(2006.01)A, F, I, 20060911, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 29/00(2006.01)A, L, I, 20060911, B, H, DE   H02K 29/03(2006.01)A, L, I, 20060911, B, H, DE   G11B 19/20(2006.01)A, L, I, 20060911, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen kollektorlose Gleichstrommotoren insbesonders solche zum Antrieb von Hartplattenspeichern (Hard-Disk-Drives).

Existierende Motoren dieser Art werden bevorzugt als dauermagneterregte Dynamomaschinen mit zylindrischem Luftspalt und genutetem Blechpaket hergestellt. Sie besitzen gewöhnlich einen Außenläufer, können aber auch mit einem innenlaufenden Rotor versehen sein.

Auf den mehrpoligen Stator, der zusätzlich Hilfspole besitzen kann, werden eine oder mehrere Spulen gewickelt. Diese Spulen werden über Halbleiterschalter, gewöhnlich Transistoren, sequentiell bestromt und bewirken über die Interaktion mit den Polen des Permanentmagneten eine Bewegung des Rotors. Zur definierten Umschaltung der Spulen ist eine Positionserfassung des Rotors erforderlich, die zweckmäßigerweise berührungslos erfolgt. Zu diesem Zwecke stehen z.B. magnetogalvanische Sensoren, insbesondere in Form von Hallgeneratoren, zur Verfügung. Es kann aber auch eine Rotorpositionserfassung ohne zusätzliche Sensoren, nur mit vorhandenen Motor-Elementen, erfolgen. Insbesondere kann bei bewegtem Rotor die in den Spulen induzierte Spannung zur Bestimmung der aktuellen Rotorposition benutzt werden. Für diese Art der Motorkommutierung ist allerdings eine zugehörige Auswerteelektronik erforderlich.

Eine Reduktion von periodischen Drehmomentschwankungen, die durch das Wechselspiel zwischen der Gestalt des ferromagnetischen Statormaterials und dem Verlauf der Rotor-Magnetfeldstärke über den Drehwinkel hervorgerufen werden, kann durch die Ausgestaltung des Stators gemäß der deutschen Patentschrift DE 37 23 099 A1 bewirkt werden.

Die dort beschriebene Vorgehensweise ermöglicht die Bereitstellung eines Gesamtdrehmomentes mit geringer Welligkeit. In der Startphase des Motors sind jedoch noch, je nach Winkelposition des Rotors, Abweichungen vom mittleren Anlaufdrehmoment zu verzeichnen.

Eine weitere Methode zur Reduktion von Drehmomentschwankungen der eingangs genannten Motoren wird in EP 0 291 219 A2 beschrieben.

Gemäß der dort genannten Vorgehensweise wird für einen Mehrphasenmotor eine Statorpolzahl von 3(2n + 1) und eine Rotorpolzahl von 3(2n + 1) + –1 vorgesehen, d. h. die Zahl der Statorpole wird angenähert gleich groß gehalten wie die Zahl der Rotorpole. Dies führt ebenfalls zu einer Reduzierung der Drehmomentschwankungen im Anlauf bzw. Leerlauf und wird durch die obere einhüllende Kurve der 7 gezeigt.

Allerdings benötigt diese Methode gewöhnlich mindestens neun bewickelte Spulen pro Motor, während das erstgenannte Verfahren nur z.B. sechs Spulen benötigt und daher in diesem Punkt deutlich kostengünstiger ist. Darüberhinaus entstehen beim letztgenannten Verfahren gewöhnlich periodisch auftretende Radialkräfte, die unterschiedliche Richtung besitzen und störende Motor- oder Maschinengeräusche verursachen können.

Beim letztgenannten Verfahren ist darüber hinaus in der bevorzugten Ausführungsform der Wickelsinn der Spulen nicht einheitlich, was zusätzlichen Aufwand für die Herstellung der Motoren bedeutet.

Eine weitere Anordnung zur Verringerung der elektromagnetisch bedingten Drehmomentwelligkeit ist aus der DE 34 32 372 A1 bekannt, welche eine Statoranordnung mit sechs Hauptpolen und sechs Hilfspolen vorsieht sowie einen Rotor mit acht Magnetpolen. Diesem Momentverhalten wird auch ersichtlich aus der dort gezeigten Form der (verketteten) induzierten Spannung zweier Phasen. Diese Anordnung erzeugt jedoch eine störende Welligkeit des permanentmagnetisch erzeugten Drehmoments.

Zur Verminderung von Drehmomentschwankungen ist aus der JP 63-302752 A ein bürstenloser Motor mit Rotor und Stator bekannt, bei dem ein ferromagnetisches Teil angebracht ist, das mit dem stirnseitigen Feld des Permanentmagneten des Rotors zusammenwirkt. Das ferromagnetische Teil hat dazu in regelmäßigen Abständen Nocken angeformt.

Ein weiterer Ansatz zur Verringerung von permanentmagnetisch oder reluktanzbedingten Schwankungen des Motordrehmoments als Funktion des Drehwinkels des Rotors ist der EP 0 182 702 B1 zu entnehmen. Diese beschreibt einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor, dessen Stator Hauptpole und Hilfspole aufweist, welche in der Kontur so ausgeformt sind, dass permanentmagnetisch oder reluktanzbedingte Schwankungen des Motordrehmoments als Funktion des Drehwinkels des Rotors minimiert werden. Dabei erstreckt sich jeder Hauptpol des Stators winkelmäßig soweit wie ein Rotorpol. Neben dieser Offenbarung einer Modifikation des Stators und der Erhöhung von Statorpolen an ihren Außenflächen, wie sie durch die vorstehend bereits erwähnte DE 37 23 099 A1 offenbart werden, beschreibt die US 4,804,873 einen kollektorlosen Gleichstrommotor, bei dem der Stator im Wesentlichen ebene Endflächen in Form von Zylindergrundflächen besitzt, wobei die untere Endfläche eine größere Endfläche besitzt als die Querschnittsfläche des Stators in dessen mittleren Bereich und wobei die Endfläche von der Stirnseite des Rotormagneten magnetisch beeinflusst wird. Die Merkmale dieser Offenbarung bilden den Oberbegriff, von dem der Patentanspruch 1 ausgeht.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zu Grunde, bei Elektromotoren, insbesondere Motoren der eingangs genannten Art ein möglichst gleichmäßiges, d. h. winkelstellungsunabhängiges Gesamt-Drehmoment zu erzeugen, und zwar sowohl im Anlauf wie auch bei Nenndrehzahl. Dies bedeutet, dass auch das elektromagnetisch erzeugte Drehmoment eine geringe Welligkeit, also wenig Schwankungen um einen Mittelwert in diesen beiden Betriebszuständen aufweisen soll.

Des Weiteren sollen die Motoren möglichst kostengünstig herstellbar sein und außerdem möglichst geräuscharm sein.

Schließlich sollen bei der Bestromung des Stators nur Kräftepaare (Drehmomente) ohne überschüssige Radialkräfte generiert werden.

Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine wirksame Reduzierung der elektromagnetisch hervorgerufenen Drehmomentwelligkeit durch geeignete modifizierte Ausgestaltung des Stators möglich ist. Dazu werden zum einen Stator-Hilfspole vorgesehen. Zum anderen ist das Verhältnis von Statorpolzahl zu Rotorpolzahl so zu wählen, daß sich eine sog. ungesehnte Wicklung des Motors ergibt.

Allerdings wird mit dieser genannten Maßnahme der Stator-Ausgestaltung die unerwünschte Drehmomentwelligkeit, die durch permanentmagnetische Einflüsse hervorgerufen wird, noch nicht reduziert.

Um diese permanentmagnetisch bedingten Anteile der Drehmomentwelligkeit ebenfalls zu beseitigen, wird erfindungsgemäß zusätzlich eine besondere Ausgestaltung der Peripherie des Stators und damit des Luftspaltes vorgesehen, insbesondere eine solche mit nockenförmigen Überhöhungen der Statorpole.

Weiterbildungen der Erfindung bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Zeichnungen sowie den Unteransprüchen.

In den Zeichnungen zeigt

1 die geometrische Ausgestaltung der Statorbleche für einen Stator mit 6 Haupt- und 6 Hilfspolen sowie den zugehörigen Permanentmagnetrotor

2 Einzelheiten zum Konturenverlauf der Statorperipherie

3 das elektrische Ansteuerschema für einen Motor mit 8 Permanentmagnetpolen und einem Stator nach 1

4 die Statorkontur mit geschrägter Statorüberhöhung ("Nocken")

5 die Grenzlinien der Magnetisierung des Rotors bei regulärer und geschrägter Magnetisierung

6 eine Stator-Modifizierung in Form eines Stator-Erweiterungsblechs

7 den elektromagnetisch bedingten Drehmomentverlauf vs. Rotor-Winkelstellung nach dem Stand der Technik

8 den elektromagnetisch bedingten Drehmomentverlauf vs. Rotor-Winkelstellung gemäß der Erfindung

9 das Verbindungsschema für solche Wicklungen, welche aus Spulen der Stator-Hauptpole und Spulen der Stator-Hilfspole zusammengesetzt sind.

Im vorhergehenden wie auch im folgenden wird eine Terminologie bezüglich der Drehmomentanteile eines Elektromotors verwendet, wie sie in der DE 39 41 553 A1 erläutert wird. Diese Drehmomentanteile werden insbesondere als elektromagnetische, permanentmagnetische, reluktante und mechanische Komponenten unterschieden.

Das Zusammenwirken von Statorpolen und Magnetpolen eines erfindungsgemäßen Motors wird in 1 erläutert.

Um den feststehenden Stator 14 von zylindrischer Grundform ist dar mehrpolige Permanentmagnet mit Nordpolen 12 und Südpolen 13 sowie dem zugehörigen, außenliegenden Eisenrückschluß 11 angeordnet.

Zwischen Stator und Permanentmagneten befindet sich der Luftspalt 20. Der Stator selbst besitzt Hauptpole 10, Nebenpole 15 und Nuten 19. Die Hauptpole 10 weisen ferner Erhebungen 17 und Konturkorrekturen 16 auf. Die Hilfspole 15 können ebenfalls solche von der Kreisform abweichenden Konturmodifikationen aufweisen. Die Konturform eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wird in 2 in vergrößerter Darstellung gezeigt.

Zumindest die Hauptpole werden mit einer oder mehreren Spulen, auch in bifilarer Wicklungsweise versehen. Die Hilfspole können ebenfalls mit Spulen versehen werden.

Ein Stator-Hauptpol 10 erstreckt sich im wesentlichen über einen gleich großen Winkel wie ein Magnetpol 12, 13, sodaß eine sogenannte ungesehnte Wicklung vorliegt.

Dies führt zu einem fast linearen Anstieg bzw. Abfall der induzierten Spannung vs. Winkelposition des Rotors.

(8, Bezugszeichen 83).

Diese Spannung ist bereits die verkettete Spannung von zwei Phasen des Stators, von denen insgesamt drei vorhanden sind und welche in Sternschaltung zusammengeschaltet sind.

Andererseits bewirkt die Anwesenheit der Hilfspole 15 den im wesentlichen trapezförmigen Verlauf 84 dieser Kurve der induzierten Spannung, die gleichzeitig ein Maß für das generierte Drehmoment vs. Winkel darstellt.

Wie aus 8 ersichtlich, besitzt das elektromagnetisch generierbare Drehmoment von Kommutierungswinkel 85 zu Kommutierungswinkel 86 nur geringe Welligkeit, der Mittelwert beträgt etwa 98% vom Maximalmoment, während der Minimalwert ebenfalls bereits etwa 93% vom Maximalmoment beträgt.

Das beschriebene, elektromagnetisch generierbare Drehmoment des Motors wird nur bei Bestromung der Spulen erzeugt.

Das wechselnde Moment des Nutruckens, welches permanentmagnetischen Ursprungs ist, wirkt hingegen praktisch ständig.

Bei der geringen Welligkeit des elektromagnetisch erzeugten Drehmoments erwies sich sich das zusätzliche Nutrucken, wie es in diesem Falle von einer üblichen Statorpolform generiert wurde, als unerwünschter Störfaktor.

Das angestrebte Ziel, den Motor aus allen Winkelpositionen mit möglichst gleichem Bewegungsablauf starten zu können, konnte in der gewünschten Weise noch nicht erreicht werden.

Die Lösung dieses Problems wurde darin gefunden, das eine (vom Prinzip her bekannte) Konturveränderung 16, 17 des Stators die verbleibenden, permanentmagnetisch bedingten Drehmomentschwankungen minimierte, ahne den Motorwirkungsgrad des Motors in schädlicher Weise zu beeinflussen. (2)

Durch dieses Zusammenspiel von Stator-Grundform 14 und Stator-Konturgebung gemäß 1, unter Nutzung einer nahezu rechteckförmigen Magnetisierung des Permanentmagneten des Rotors, (d. h. möglichst schnellem Wechsel des Induktionsvorzeichens an den Polgrenzen des Rotors) wird also ein besseres elektromagnetisch generiertes Drehmoment zur Verfügung gestellt als dies bei ähnlichen Motoren vorher möglich war.

Motor samt Last, z.B. eine zugehörige, fest verbundene oder wechselbare Magnetspeicherplatte, werden aus jeder Anfahrstellung heraus annähernd gleich gut beschleunigt. Trotz niedriger Motorströme, insbesondere Anlaufströme, wird die Gefahr eines Anlaufversagens deutlich verringert.

Eine erfindungsmäßige Weiterbildung der Kontur-Formgebung des Stators verbessert die erfindungsmäßige Kombination von Stator-Grundform 14 und Stator-Korrekturform 16, 17 zusätzlich.

Hierzu erfahren ein oder mehrere Statorpole 63 durch ein oder mehrere spezielle Statorbleche gemäß 6 an vorzugsweiser einer, ggf. auch an beiden Seitenflächen (Grundflächen) des Statorblechpaketes eine ausgreifende, hervortretende Ausgestaltung 64, 65.

Diese Ausgestaltung ist insbesondere von solcher Form, daß sie auf den zu bewegenden, insbesondere hohlzylinderförmigen Rotormagneten an dessen unterer axiale weisender Stirnseite 58 einwirkt (5, 6). Auf diese Weise kann die Zylindermantel-Fläche des Statorblechpaketes zu großen Teilen maximalen Durchmesser erhalten, was zu minimalen Luftspalt-Dimensionen und damit zu einem besseren Drehmoment bzw. besserer Leistung des Motors führt.

Zum anderen verbessert sich der Motorwirkungsgrad auch dadurch, daß die Interaktionsfläche zwischen Permanentmagnet 50 und Stator insgesamt durch die herauskragende zusätzliche Statoroberfläche 64 vergößert wird, als dies bei vorherigen Motoren üblich war.

Die Auskragung kann nun mit beliebigen Oberflächenkonturen 65, 66 versehen werden, wie sie zur Reduzierung des Nutruckens erforderlich sind. Insbesondere kann pro Blechschicht der Auskragung eine andere Schnittlinie vorgesehen werden, um den gewünschten Verlauf des permanentmagnetisch bedingten Drehmomentanteils zu erhalten.

Eine weitere Verbesserung des Motorwirkungsgrades gelingt erfindungsmäßig durch die zusätzliche Bewicklung und Beschaltung der Hilfspole 15. Die Beschaltung der Hilfspolwicklungen ergibt sich aus dem Schaltschema gemäß 9, wobei die Hilfspolwicklungen 94, 95 in Serie mit den Wicklungen 92, 93 der Hauptpole gelegt werden. Bei einem Stator mit 6 Haupt- und 6 Hilfspolen stehen die gemeinsam bestromten Hauptpole senkrecht zu den zugeschalteten Hilfspolen.

Diese Maßnahme kann natürlich mit allen vorgenannten erfindungsmäßigen Maßnahmen kombiniert werden, um optimale Eigenschaften des Motors zu erzielen, insbesondere um möglichst geringe Welligkeit des elektromagnetischen Drehmoments als auch des permanentmagnetischen Drehmoments bereitzustellen.

In einer weitergehenden Verbesserung können alle genannten Vorgehensweisen kombiniert werden mit weiteren, an sich bekannten Maßnahmen zur Egalisierung des Motordrehmomentes. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, daß die Bestromung des Motors drehwinkelabhängig und leistungsabhängig vorgenommen wird.

Hierbei wird die Korrekturgröße für den Strom z.B. durch eine Funktion oder durch eine in einem Speicher hinterlegten Tabelle beschrieben.

Diese Verfahren setzen zwar in der Regel zusätzliche elektronische Komponenten voraus, die aber möglicherweise bereits aus anderen Gründen vorhanden sind und dann keinen oder nur geringen Zusatzaufwand beim Einsatz der vorgenannten Betriebsweise hervorrufen.

Ein Verfahren dieser Art ist, z.B. in der DE 3941553 A1 genannt.

Darüberhinaus sind weitere Abänderungen der Erfindung möglich, wie sie dem Fachmann geläufig sind. So kann der Motor auch als Innenläufer oder Linearmotor ausgestaltet werden. Desgleichen kann die Anzahl von Stator- und Rotorpolen erhöht werden. Weiterhin ist die Erfindung nicht auf Motoren mit permanentmagnetischen Läufern beschränkt, sondern kann auch auf weichmagnetische Läufer angewendet werden.

Desgleichen kann ein erfindungsgemäßer Motor natürlich auch als Generator betrieben werden, in einem entfernter liegenden Anwendungsbereich auch als Drehmelder zur Bestimmung von Winkellagen des Rotors, oder aber auch als Schrittmotor mit vergleichsweise kleiner Leistung.


Anspruch[de]
Elektromotor mit einem mehrpoligen, hohlzylinderförmigen und permanentmagnetischen Rotor (12) und mit einem Pole (10, 15) aufweisenden Stator (14), wobei der Stator (14) stirnseitig mindestens ein ferromagnetisches Statorteil (64) aufweist, welches über die im Wesentlichen zylinderförmige Außenkontur des Stators (14) greift, und wobei der Rotor (12) koaxial um die Außenkontur des Stators (14) angeordnet ist unter Bildung eines Luftspaltes zwischen einer seiner Stirnseiten (58) und dem mindestens einem Statorteil (64), dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Statorteil (64) Statorpole (10, 15) aufweist, deren Berandung (65) mit mindestens einer Aussparung (66) oder Erweiterung (65) versehen ist, welche den Radius der Berandung in kontinuierlicher und stetiger Weise oder in mindestens annähernd unstetiger, eckenaufweisender Art verändert. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorteil (64) ein Statorblech ist. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der vorhandenen Wicklungen des Stators (14) weniger als 4 und die Anzahl der vorhandenen Spulen weniger als 7 beträgt. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen des Stators (14) überlappungsfrei und konzentriert sind. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorhandenen Spulen des Stators (14) einheitlichen Wickelsinn aufweisen. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt zwischen Rotor (12) und Stator (14) aus einem oder mehreren Bereichen von im Wesentlichen zylindrischer Gestalt besteht, welche(r) Bereich(e) sich in radialer oder axialer Richtung erstreckt/erstrecken. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nockenförmige Statorüberhöhungen (47) vorhanden sind, die bezüglich der Rotorachse geschrägt sind oder in Bezug zur Rotorachse parallel verlaufen. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pollücken (56, 57) des Rotors (12) geschrägt sind oder in Bezug zur Rotorachse parallel verlaufen. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Minimalwert zu Maximalwert des winkelabhängigen, elektromagnetisch oder reluktanzmäßig erzeugten Drehmoments bei konstanter Motorbestromung einen größeren Wert als 0,85 aufweist. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbereiche des Stators (14) in Form einer durchbrochenen Zylindergrundfläche aus einer oder mehreren ferromagnetischen Blechschichten gebildet werden. Elektromotor nach einem der mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfspole des Stators (14) durch eine oder mehrere, den Hilfspol umgreifenden Wicklungen (94, 95) magnetisierbar sind. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spule des Stators (14) mit zweiadriger Bifilarwicklung gewickelt ist. Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die induzierte Spannung (80, 83) von zwei miteinander verketteten Phasen über den Drehwinkel nahezu trapezförmig ist. Dauermagneterregte Dynamomaschine mit zylindrischem Luftspalt und genutetem Blechpaket nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynamomaschine als Generator oder Drehmelder betrieben wird.






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