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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor
mit einem Stator, der eine an eine elektrische Stromversorgung anschließbare elektromagnetische
Einrichtung aufweist, und mit einem Rotor, der eine Mehrzahl von
magnetischen Rotorpolen aufweist. Die Erfindung betrifft insbesondere
einen Elektromotor, der als Schritt- und/oder Pendelmotor betreibbar
ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben
des Elektromotors.
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Ein Elektromotor der eingangs genannten Art
ist beispielsweise aus der
DE
199 09 227 A1 bekannt. Dieser Elektromotor ist als Zweiphasen-Motor ausgestaltet.
Der außen
liegende Stator besteht aus zwei weichmagnetischen Statorteilen,
die jeweils zwei magnetische Pole aufweisen. Auf einem zwischen
den Polen liegenden Mittelteil ist jeweils eine Spule gewickelt,
sodass jeweils ein Nord- und ein Südpol gebildet sind. Der innen
liegende Rotor weist einen zylinderringförmigen, mit fünf aneinander
anschließenden
Polpaaren versehenen Magneten auf, sodass abwechselnd Nord- und Südpole gebildet sind.
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Bei zahlreichen in der Praxis vorkommenden Anwendungen
sollen Pendelbewegungen durch einen Elektromotor erzeugt werden,
d. h. ein Gegenstand soll hin- und
herbewegt werden. Ein Beispiel für
eine solche Anwendung ist ein elektrisch angetriebener Ventiltrieb
(EVT) bei einem Kraftfahrzeugverbrennungsmotor. Bei diesen Anwendungen
ist ein möglichst
großes
Verhältnis
der Antriebsleistung des Elektromotors zu dessen Bauvolumen erwünscht oder
erforderlich. Beispielsweise steht bei dem Kraftfahrzeugverbrennungsmotor
insgesamt nur ein geringes Volumen zur Verfügung, in dem der Kraftfahrzeugverbrennungsmotor
mit allen dazugehörigen Teilen
untergebracht werden muss. Eine Möglichkeit besteht darin, einen
Schrittmotor zu verwenden und ihn im Pendelbetrieb zu betreiben.
Jedoch nehmen bekannte Schrittmotoren zu viel Raum ein.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen
Elektromotor anzugeben, der ein großes Verhältnis von Antriebsleistung
zu Bauvolumen ermöglicht.
Insbesondere soll der Elekt romotor auf möglichst einfache Weise als
Schrittmotor und/oder im Pendelbetrieb betreibbar sein.
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Es wird ein Elektromotor mit folgenden
Merkmalen vorgeschlagen: Der Elektromotor hat einen Stator, der
eine an drei Phasen einer elektrischen Stromversorgung anschließbare elektromagnetische Einrichtung
aufweist, und einen Rotor, der eine Mehrzahl von magnetischen Rotorpolen
aufweist,
- – wobei
die elektromagnetische Einrichtung bei Bestromung eine Anzahl von
magnetischen Statorpolen aufweist, die in einer eine Drehachse des Elektromotors
in sich geschlossen umlaufenden Umfangsrichtung des Elektromotors
gleichmäßig über den
Stator verteilt sind,
- – wobei
jeder Statorpol eindeutig einer der drei Phasen zugeordnet ist,
so dass in der Umfangsrichtung eine gleichbleibende und periodisch
wiederkehrende Reihenfolge der drei Phasen gebildet ist,
- – wobei
die magnetischen Rotorpole in der Umfangsrichtung gleichmäßig über den
Rotor verteilt sind,
- – wobei
in der Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgende Rotorpole
jeweils eine bezogen auf die Drehachse entgegengesetzte Magnetfeldrichtung
aufweisen und
- – wobei
das Verhältnis
der Anzahl der Statorpole zu der Anzahl der Rotorpole 3:2 beträgt.
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Die elektromagnetische Einrichtung
kann z. B. eine Vielzahl von Magnetspulen aufweisen, die insbesondere
jeweils um ein sich in radialer Richtung erstreckendes magnetisierbares
Material gewickelt sind. Die magnetischen Pole des Rotors können ebenfalls
einen oder mehrere Elektromagneten aufweisen. Bevorzugt wird jedoch,
dass die magnetischen Pole des Rotors unter Verwendung von Permanentmagneten
gebildet werden. Diese Ausführungsform
ist effektiv und kann auf einfa che Weise hergestellt und betrieben
werden.
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Durch die gleichmäßige Verteilung jeweils der
Statorpole und der Rotorpole in der Umfangsrichtung des Elektromotors
kann eine besonders kompakte Bauform mit hoher Antriebsleistung
erzielt werden. Dabei bilden – steuerungstechnisch
betrachtet – jeweils
drei in Umfangsrichtung aufeinander folgende Statorpole, die wie
beschrieben jeweils einer der drei Phasen zugeordnet sind, eine
Gruppe. Weiterhin befinden sich in dem Winkelsegment um die Drehachse des
Elektromotors, über
das sich eine Gruppe der Statorpole erstreckt, jeweils zwei der
Rotorpole.
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Um eine möglichst große Antriebsleistung zu erzielen
sind insbesondere zumindest zwei, vorzugsweise mehr als zwei der
Gruppen vorhanden. In diesem Fall wiederholt sich daher zumindest
qualitativ die Struktur der zwischen den Statorpolen und den Rotorpolen
wirkenden magnetischen Kräfte
in dem oder den weiteren Winkelsegmenten.
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In jedem Fall kann der für die Erzeugung
der magnetischen Kräfte
in dem Stator zur Verfügung stehende
Platz auf Grund der gleichmäßigen Verteilung
der Statorpole optimal ausgenutzt werden. Sind also weniger Statorpole
vorhanden, können
beispielsweise die Spulen mehr Wicklungen aufweisen.
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Die Anzahl der Gruppen und damit
die Anzahl der Statorpole bestimmt außerdem die Schrittweite, mit
der der Elektromotor im Schrittbetrieb betrieben werden kann, wie
noch anhand der beigefügten
Zeichnung näher
erläutert
wird. Umgekehrt hängt daher
die Anzahl der Gruppen von der gewünschten Schrittweite ab.
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Durch das Verhältnis der Anzahl der Statorpole
zu der Anzahl der Rotorpole von 3:2 und durch die gleichmäßige Verteilung
jeweils der Statorpole und der Rotorpole in der Umfangsrichtung
des Elektromotors ist gewährleistet,
dass der Elektromotor in jeder Drehstellung durch eine geeignete
Bestromung der elektromagnetischen Einrichtung in gewünschter Weise
in Bewegung versetzt oder in Bewegung gehalten werden kann. Darüber hinaus
bietet die für Schrittmotoren
ungewöhnliche
Ausgestaltung des Elektromotors als Dreiphasen-Motor besondere Steuer-
und Betriebsmöglichkeiten,
wie in der später folgenden
Figurenbeschreibung noch beispielhaft näher erläutert wird, wobei ein Betrieb
mit Gleichstrom möglich
ist und lediglich die Richtung des Stromes in geeigneter Weise (d.
h. zum richtigen Zeitpunkt) umgekehrt werden muss. Bei einer bestimmten
Betriebsweise z. B. wird der Strom zumindest einmal dann umgekehrt,
wenn während
einer Drehung des Rotors um die Drehachse des Elektromotors ein Rotorpol
einen Statorpol passiert. Dadurch wird der Einfluss der Wechselwirkung
zwischen dem Statorpol und dem Rotorpol auf das Drehmoment qualitativ in
gleicher Weise beibehalten. Insbesondere bedeutet dies, dass eine
anziehende Kraft nach dem Passieren zu einer abstoßenden Kraft
umgekehrt wird, aber nach wie vor zu einem Drehmoment in der momentanen
Drehrichtung beiträgt.
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Insbesondere sind die Statorpole
und die Rotorpole jeweils radial zu der Drehachse des Elektromotors
ausgerichtet. Diese Ausrichtung ermöglicht einen symmetrischen
Betrieb in beiden Drehrichtungen.
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Vorzugsweise weist jeder Rotorpol
dieselbe Anzahl, insbesondere zumindest zwei, in Umfangsrichtung
hintereinander liegender Magnete auf. Dadurch wird, insbesondere
bei Verwendung von Permanentmagneten, das von dem Rotorpol ausgehende
Magnetfeld verstärkt.
Die Mehrzahl von Magneten pro Pol ermöglicht es außerdem,
das von den Magneten ausgehende Magnetfeld über einen Winkelbereich um
die Drehachse des Elektromotors annähernd homogen bzw. konstant
auszugestalten. Dadurch wird wiederum die Steuerbarkeit des Elektromotors
vereinfacht und es können
spezielle zeitliche bzw. bewegungsabhängige Verläufe des Drehmoments, z. B.
konstante Bereiche, erzielt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung
des Elektromotors sind die Rotorpole so ausgestaltet und/oder betreibbar,
dass sie in einer die Drehachse konzentrisch umhüllenden Hüllfläche jeweils gleich starke Magnetfelder
erzeugen. Ferner sind die Statorpole so ausgestaltet und betreibbar,
dass sie in der Hüllfläche jeweils
gleich starke Magnetfelder erzeugen. Jede der oben genannten Gruppen
von Statorpolen trägt
somit in gleicher Weise und Stärke
zum Drehmoment bei.
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Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben
des Elektromotors vorgeschlagen, wobei während einer ersten Betriebsphase
die Stromrichtung von allen drei Phasen so eingestellt wird, dass
alle Statorpole ein Drehmoment des Rotors in einer ersten Drehrichtung
erzeugen, und wobei während
einer darauf folgenden zweiten Betriebsphase die Stromrichtung der Phasen
so eingestellt bleibt, dass die einer ersten und einer zweiten Phase
zugeordneten Statorpole ein Drehmoment des Rotors in der ersten
Drehrichtung erzeugen und der oder die der dritten Phase zugeordnete(n)
Statorpol(e) ein Drehmoment in der entgegengesetzten, zweiten Drehrichtung
erzeugt bzw. erzeugen. Diese Verfahrensweise ist mit einer Bestromung
durch Gleichstrom sehr einfach durchzuführen und ermöglicht es,
den Elektromotor (z. B. bis zum Stillstand) abzubremsen. Das Entgegenwirken
des Beitrages der dritten Phase zu dem Gesamt-Drehmoment kann insbesondere
dadurch erreicht werden, dass die Stromrichtung der Phase nicht
umgekehrt wird, wenn ein bzw. mehrere Rotorpole den bzw. die Statorpole
der dritten Phase passiert bzw. passieren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
wird auf die beigefügte
schematische Zeichnung Bezug genommen. Die einzelnen Figuren der
Zeichnung zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Elektromotors in einer Querschnittsdarstellung,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Elektromotors in einer Querschnittsdarstellung,
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3 ein
Beispiel für
die Bestromung von Spulen des in 1 dargestellten
Elektromotors,
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4 Diagramme
mit einem Beispiel für elektrische
Ströme
durch Spulen z. B. des in 1 oder 2 dargestellten Elektromotors
jeweils in Abhängigkeit
von dem Drehwinkel eines Rotors und
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5a bis 5c weitere Beispiele für elektrische
Ströme
durch die Spulen des Elektromotors jeweils in Abhängigkeit
von dem Drehwinkel des Rotors.
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Der in 1 dargestellte
Elektromotor 10 weist einen Rotor 41 und einen
Stator 51 auf, wobei der Rotor 41 den Stator 51 ringartig
umfängt.
D. h. der Stator 51 liegt innerhalb des Rotors 41.
Der Rotor 41 ist durch nicht dargestellte Mittel drehbeweglich um
eine den Stator 51 zentral durchstoßende Drehachse 42 ausgestaltet,
die senkrecht zur Bildebene von 1 verläuft. Beispielsweise
ist der Stator 51 von einer zentralen, axialen Aussparung
durchdrungen, durch die sich eine Welle erstreckt.
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Der Stator 51 weist insgesamt
zwölf Pole
auf, von denen beispielhaft einer mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet
ist. Die Pole sind bezogen auf die Drehachse 42 radial
nach außen
gerichtet und sind gleichmäßig über den
Umfang des Stators 51 verteilt. Wie in 1 dargestellt ist, können die Pole jeweils nach
außen
hervorstehende Polzähne
bilden. Es können
jedoch auch jegliche andere an sich bekannte Gestaltungen der Pole
und/oder eines den magnetischen Fluss beeinflussenden Materials
gewählt werden.
Jedem der Pole ist zur Erzeugung des Magnetfeldes eine elektromagnetische
Einrichtung, insbesondere jeweils eine Spule, zugeordnet. Die Spulen
sind mit den Bezugsziffern 1, 2 und 3 (sowie
zur weiteren Unterscheidung mit keinem, einem, zwei oder drei Strichen)
bezeichnet und sind in drei jeweils untereinander elektrisch verbundene
oder verbindbare Gruppen eins, zwei und drei aufgeteilt. Das heißt die mit 1, 1', 1" und 1''' bezeichneten
Spulen gehören zu
derselben Gruppe, nämlich
der Gruppe eins, usw.. Im Ergebnis handelt es sich daher um einen
Dreiphasen-Elektromotor.
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In Umfangsrichtung des Stators 51 wiederholt
sich die Folge der Spulen der einzelnen Gruppen periodisch. Das
heißt
im Uhrzeigersinn von 1 folgt
jeweils auf eine Spule der Gruppe eins eine Spule der Gruppe zwei
und danach eine Spule der Gruppe drei usw.. Die Spulen der einzelnen
Gruppen sind beispielsweise alle parallel zueinander oder alle in Reihe
zueinander geschaltet. In jedem Fall sind die Anschlüsse und
Wicklungsrichtungen der Spulen so verschaltet bzw. ausgestaltet,
dass die durch die Spulen derselben Gruppe erzeugten Magnetfelder
zu einem gegebenen Zeitpunkt entweder alle radial nach außen gerichtet
sind oder alle radial nach innen gerichtet sind.
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Insbesondere sind alle Pole und die
zugeordneten Spulen gleich aufgebaut bzw. dimensioniert. Auf diese
Weise ist das durch den Stator 51 erzeugte Magnetfeld entsprechend
der vier Pole pro Gruppe vierfach periodisch. Anders ausgedrückt kann
das Magnetfeld durch eine imaginäre
90 Grad-Drehung um die Drehachse 42 oder durch ganzzahlige
Vielfache einer solchen Drehung identisch auf sich selbst abgebildet
werden.
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Durch die mehrfache, hier vierfache
Periodizität
oder sogar eine höhere
Periodizität
können
auf engem Raum große
Magnetfelder und damit große Drehmomente
erzeugt werden.
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Der Rotor 41 weist insgesamt
acht magnetische Pole 43 auf, die bezogen auf die Drehachse 42 radial
ausgerichtet sind. Die Magnetfelder der Pole 43 sind ferner
so ausgerichtet, dass die Magnetfeldrichtung zweier nächst benachbarter
Pole 43 immer umgekehrt ist. Die Pole 43 werden
jeweils durch Permanentmagnete gebildet, von denen insgesamt vier beispielhaft
mit den Bezugszeichen 31, 32, 33 und 34 bezeichnet
sind. Im dargestellten Fall weist jeder Pol 43 zwei Permanentmagnete 31, 32 bzw.
33, 34 auf, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Bei alternativen
Ausgestaltungen können
die Pole eine andere Anzahl von Permanentmagnete aufweisen. Je größer die
Anzahl der Permanentmagnete pro Pol ist desto stärker ist bei Verwendung des
gleichen Materials das Magnetfeld. Es können somit stärkere Drehmomente
erzeugt werden. Außerdem
ist, wie aus der weiteren Beschreibung ersichtlich wird, eine Mehrzahl
von Permanentmagneten pro Pol vorteilhaft für den Betrieb des Elektromotors.
Insbesondere ermöglicht
die gleichförmigere
Verteilung des durch die Permanentmagnete eines Poles erzeugten
magnetischen Flusses die Erzeugung eines über größere Drehwinkel-Bereiche in
guter Näherung
konstanten Drehmoments.
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Außenseitig der Permanentmagnete
weist der Rotor 41 einen ringförmigen Rückschluss 4 auf. Die
Permanentmagnete sind derart angeordnet, dass die Pole 43 gleichmäßig über den
Umfang des Rückschlusses 4 bzw.
des Rotors 41 verteilt sind.
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Somit beträgt das Verhältnis der Anzahl der Statorpole
zu der Anzahl der Rotorpole 3:2. Vorzugsweise sind auch alle Pole
des Rotors 41 gleich ausgestaltet, sodass der Elektromotor
insgesamt vierfach magnetisch periodisch ist. Zur Beschreibung seiner
Funktion reicht es daher aus, die magnetische Wechselwirkung für lediglich
ein 90 Grad-Segment zu beschreiben.
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2 zeigt
eine alternative Ausgestaltung eines Elektromotors 20,
bei dem der drehbewegliche Rotor 45 innerhalb des Stators 55 angeordnet
ist. Dementsprechend sind die Permanentmagnete (z. B. 33 und 34)
des Rotors 45 an dessen Außenumfang angeordnet. Sie werden
vom einem Rückschluss 9 getragen,
der im Querschnitt zahnradähnliche
Aussparungen 47 zwischen Polschuhen 46 aufweist.
Die Funktion und weitere Merkmale des Elektromotors 20 entsprechen
denen des Elektromotors 10 gemäß 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente
sind mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet.
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3 zeigt
beispielhaft einen Betriebszustand des Elektromotors 10.
Die Spulen 1 und 2 werden so bestromt, dass das
Magnetfeld des zugehörigen
Poles 11 bzw. 12 radial nach innen gerichtet ist. Die Spule 3 wird
so bestromt, dass das Magnetfeld des zugehörigen Poles 13 radial
nach außen
gerichtet ist. Daher ist das Magnetfeld des Poles 11 entgegengesetzt
zu dem Magnetfeld des gegenüberstehenden
Rotorpoles mit den Permanentmagneten 31 und 32 gerichtet.
Somit entsteht an dieser Stelle eine abstoßende Kraft. Da die abstoßende Kraft
zwischen den Permanentmagneten 31, 32 und dem
Pol 11 in der gezeigten Drehposition exakt in radialer
Richtung wirkt, bewirkt die abstoßende Kraft kein Drehmoment.
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An der Stelle des im Uhrzeigersinn
benachbarten Rotorpoles mit den Permanentmagneten 33 und 34 wirkt
durch die annähernd
gleich gerichteten Magnetfelder des Rotorpoles und des Statorpoles 12 eine
anziehende Kraft und durch die einander entgegengesetzt gerichteten
Magnetfelder des Rotorpoles und des Statorpoles 13 eine
gleich große
abstoßende
Kraft. Da sich der Rotorpol zwischen den Statorpolen 12, 13 befindet,
entsteht an ihm ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn. Weiterhin
wird das Drehmoment noch durch die abstoßende Kraft zwischen dem Statorpol 12 und
den entgegengesetzt gerichteten Permanentmagneten 31, 32 sowie
durch die anziehende Kraft zwischen dem Statorpol 13 und den
gleich gerichteten Permanentmagneten 35, 36 verstärkt.
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Für
die weitere Beschreibung wird der Wert des Drehwinkels a des Rotors 41 in
dieser Drehposition auf null gesetzt, wobei die Drehrichtung entgegen
dem Uhrzeigersinn gerichtet ist. Einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn
entsprechen positive Werte des Drehwinkels a, wie durch einen Pfeil
angedeutet ist.
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4 zeigt
Ansteuerströme I1, I2 und I3 durch
die Spulen der Gruppe eins, zwei bzw. drei jeweils in Abhängigkeit
des Drehwinkels a für
eine Betriebsweise, bei der der Rotor seine Drehrichtung nicht umkehrt.
Dabei und auch in Bezug auf die weiteren Ausführungen anhand von 5 ist anzumerken, dass die
dargestellten Funktionsverläufe
Modellrechnungen zuzuordnen sind, die die Ansteuerung und das Verhalten
des Elektromotors näherungsweise
beschreiben. Bei den entsprechenden Funktionsgrafen, die im praktischen
Betrieb vorkommen, werden insbesondere die Sprungstellen abgerundet
sein. Das Funktionsprinzip lässt
sich jedoch anhand von 4 und 5 gut erklären. Es
gilt für Motoren,
deren Rotorpole wie bei den Motoren 10, 20 gemäß 1 und 2 über
einen Winkelbereich ein etwa homogenes Magnetfeld aufweisen, im
Beispielfall etwa über
einen Winkelbereich von jeweils mindestens 7,5 Grad.
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Ausgehend von der Drehstellung bei
dem Drehwinkel a = 0 wird anhand von 4 folgender Betriebsablauf
beschrieben. Dabei entspricht jeweils einem positiven Ansteuerstrom 11, 12 und 13 ein nach
innen gerichtetes Magnetfeld des zugehörigen Statorpols: Unmittelbar
bei a = 0 und bis zu einem Drehwinkel von a = 3,75 Grad ist der
Ansteuerstrom 11 null, d. h. bei z. B. dem Elektromotor 10 würde in der
in 3 gezeigten Drehstellung
zunächst
keine abstoßende
Kraft zwischen dem Statorpol 11 und den Permanentmagneten 31, 32 wirken.
Die Ansteuerströme 12 und 13 sind
wie beispielhaft in 3 dargestellt
zunächst
positiv bzw. negativ. Wie oben bereits beschrieben, ergibt sich
daher ein Drehmoment in positiver Drehrichtung (Gegenuhrzeigersinn in 3).
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Mit dem Einschalten des Ansteuerstromes der
Phase eins bei a = 3,75 Grad wird das Drehmoment M verstärkt. Nun
tragen auch die Statorpole der Phase eins zum Drehmoment M bei.
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Bei a = 11,25 Grad haben die Statorpole
der zweiten Phase jeweils einen Winkelbereich erreicht, in dem das
zu einem in radialer Richtung gegenüberliegenden Rotorpol (in 3 mit den Permanentmagneten 33, 34)
gehörende
Magnetfeld homogen ist. Diese Statorpole tragen daher allenfalls
noch geringfügig
zu dem Drehmoment M bei. Bei dem Drehwinkel von 11,25 Grad wird
der Strom 12 zunächst
abgeschaltet und bei dem Drehwinkel 18,75 mit
umgekehrter Stromrichtung wieder eingeschaltet. Über einen zu der Drehstellung,
bei dem die Statorpole genau einem Rotorpol radial gegenüberstehen,
symmetrischen Winkelbereich wird also die Stromrichtung der Phase
umgekehrt. Diese Drehstellung ist bei einem Drehwinkel a = 15 Grad
erreicht. Durch die Umkehrung der Stromrichtung wirken nun abstoßende Kräfte zwischen
den Statorpolen der Phase zwei und den Rotorpolen, die während der
Umkehrung passiert wurden. Die Statorpole der Phase zwei tragen
daher wieder zum Drehmoment M im Gegenuhrzeigersinn bei.
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Wird wie in 4 dargestellt jeweils bei einer weiteren
Drehung um 15 Grad die Stromrichtung der in einen homogenen Rotor-Magnetfeldbereich
eintretenden Statorpole umgekehrt, setzt sich dieser Ablauf fort.
Jeweils nach einer weiteren Drehung um 15 Grad wirkt wieder dasselbe
Drehmoment M im Gegenuhrzeigersinn.
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Das beschriebene Verfahren der Umkehrung jeweils
eines der Ansteuerströme,
wenn der oder die entsprechenden Statorpole jeweils einem Rotorpol radial
gegenüberstehen,
kann unabhängig
von der Anzahl der Statorpole bzw. Rotorpole durchgeführt werden.
Allgemein formuliert findet jeweils nach einer Drehung um b = 180
Grad / n eine Stromumkehrung statt, wobei b der zurückgelegte
Drehwinkel und n die Anzahl der Statorpole ist.
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Fest zu halten ist, dass durch die
beschriebene Art der Umkehrung der Stromrichtung ein Elektromotor
der erfindungsgemäßen Art
mit konstanter Drehrichtung betrieben werden kann.
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Weiterhin ist ersichtlich, dass durch
die Mehrzahl von Magneten pro Rotorpol eine einfache Betriebsweise
mit Gleichstrom möglich
ist und dass die Fernwirkung zwischen Statorpolen und entfernt gelegenen
Rotorpolen aufgrund des starken, homogenen Magnetfeldes der nächst gelegenen
Rotorpole zurücktritt,
d.h. in guter Näherung
vernachlässigbar ist.
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Anhand von 5, mit den Teilfiguren 5a, 5b, 5c, wird nun erläutert, wie
der erfindungsgemäße Elektromotor,
z. B. in den anhand der 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsformen,
als Schrittmotor betrieben werden kann. Wie bei dem 4 zu Grunde liegenden Fall handelt es
sich um einen Elektromotor mit zwölf Statorpolen und acht Rotorpolen.
Es kann daher beispielhaft auf 3 Bezug
genommen werden, um die auftretenden Kräfte zu veranschaulichen. Wieder
werden ausschließlich
Gleichströme zur
Bestromung der elektromagnetischen Einrichtung verwendet, wobei
jedoch wiederum die Stromrichtung umgekehrt werden kann.
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Bei a = 15 Grad ist der Strom I1 abgeschaltet.
Die Ströme I2 und I3 sind
negativ, d. h. die Magnetfelder der Statorpole der Phasen zwei und
drei weisen radial nach außen.
Im wesentlichen ausschließlich
durch die Bestromung der Statorpole der Phase drei entsteht ein
Drehmoment M im Gegenuhrzeigersinn. Im Beispiel von 3 wirken in dieser Drehstellung anziehende
Kräfte
zwischen dem Statorpol 13 und den Permanentmagneten 35, 36 sowie abstoßende Kräfte zwischen
dem Statorpol 13 und den Permanentmagneten 33, 34.
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Mit fortschreitender Drehbewegung
verlassen die Statorpole der Gruppe bzw. Phase zwei die Drehstellung,
in der sie sich im homogenen Bereich gegenüberliegender Rotorpole befinden
und tragen ebenfalls zum Drehmoment M im Gegenuhrzeigersinn bei.
Andererseits treten die Statorpole der Phase drei in einen solchen
homogenen Bereich ein. Bei a = 18,75 Grad wird der Strom durch die
Statorpole der Phase eins in positiver Richtung eingeschaltet, d.
h. das Magnetfeld der Statorpole weist radial nach innen. Auch die
Statorpole der Phase eins tragen somit zum Drehmoment M im Gegenuhrzeigersinn
bei. Im Beispiel von 3 wirken
abstoßende
Kräfte
zwischen dem Statorpol 11 und den Permanentmagneten 31, 32 sowie
anziehende Kräfte
zwischen dem Statorpol 11 und den Permanentmagneten 33, 34.
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Mit weiter fortschreitender Bewegung
erreichen die Statorpole der Phase drei einen homogenen Bereich
gegenüberliegender
Rotorpole. Im Beispiel von 3 ist
dies etwa bei a = 26,25 Grad der Fall. Zu diesem Zeitpunkt wird
der Strom 13 abgeschaltet. Gleichzeitig wird der Strom 12 abgeschaltet.
Die Statorpole der Phase zwei sind in dieser Drehstellung gerade
dabei, einen homogenen Bereich gegenüberliegender Rotorpole zu verlassen.
Dagegen befinden sich die Statorpole der Gruppe eins bzw. Phase
eins in einer Drehstellung zwischen zwei Rotorpolen und halten das
Drehmoment M im Gegenuhrzeigersinn aufrecht.
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Im Ergebnis ist das Drehmoment M
ausgehend von a = 15 Grad bis über
a = 30 Grad hinaus in erster Näherung
konstant. Ab einer Drehstellung jenseits von a = 30 Grad jedoch,
im Beispiel bei a = 33,75 Grad, verlassen die Statorpole der Phase
drei den homogenen Bereich gegenüberliegender
Rotorpole (im Beispiel von 3 den
homogenen Bereich der Permanentmagnete 35, 36)
und die Stromrichtung von 13 wird umgekehrt, sodass die Statorpole der
Phase drei weiterhin zum Drehmoment M im Gegenuhrzeigersinn beitragen.
Außerdem
treten die Statorpole der Phase eins in einen homogenen Bereich
gegenüberliegender
Rotorpole ein (im Beispiel von 3 in
den homogenen Bereich der Permanentmagnete 33, 34).
Dagegen bleibt im Falle von 5a der
Strom 12 ausgeschaltet. Dadurch unterscheidet sich die
Bestromung von derjenigen gemäß 4. Folglich nimmt das Drehmoment
M im weiteren Verlauf der Drehbewegung zunehmend ab, da der Beitrag
der Statorpole der Gruppe zwei wegfällt.
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Allgemein formuliert kann lediglich
durch Steuerung des Stromes zumindest einer Phase in anderer Weise
als bei dem oben beschriebenen Prinzip (4) der regelmäßigen Stromumkehrung erreicht werden,
dass das Drehmoment M abnimmt oder auf null zurückgeht. Weiter ist es möglich, wie
anhand von 5b und 5c beschrieben wird, die
Stärke der
Abnahme mit fortschreitender Drehbewegung zu steuern, indem eine
zusätzliche
Stromumkehr der zumindest einen Phase vorgenommen wird.
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Wie aus 5b und 5c erkennbar
ist, wird der Strom I2 eingeschaltet und/oder eingeschaltet
gelassen, wenn die Statorpole einer Phase, hier der Phase zwei,
sich in einer Drehstellung zwischen zwei Rotorpolen befindet, wobei
die Richtung des Stromes I2 so gewählt ist, dass der von den Statorpolen
dieser Phase geleistete Beitrag zum Drehmoment bremsend wirkt, d.
h. der momentanen Drehrichtung entgegengesetzt gerichtet ist. Im
Beispiel von 3 treten
bei der Drehstellung von etwa a = 35 Grad auf Grund des nach innen
gerichteten Magnetfeldes der Statorpole der Gruppe zwei anziehende Kräfte zwischen
dem Statorpol 12 und den Permanentmagneten 33, 34 sowie
abstoßende
Kräfte
zwischen dem Statorpol 12 und den Permanentmagneten, 35, 36 auf.
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In 5c ist
der Drehwinkelbereich, in dem die Statorpole der Phase zwei einen
bremsenden Beitrag zum Drehmoment liefern, länger als in 5b. Dadurch wird die Drehbewegung länger und damit
auf kleinere Geschwindigkeitswerte abgebremst.
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Die beschriebene Verfahrensweise
ermöglicht
einen Schrittbetrieb, beispielsweise indem der Motor zum Stillstand
gebracht wird und später
wieder ein Drehmoment in derselben Drehrichtung erzeugt wird, wobei
wiederum nach Zurücklegen
der selben Drehwinkeldifferenz der Motor zum Stillstand gebracht
wird. Bei dem zuvor beschriebenen Beispiel kann in wiederholt gleicher
Verfahrensweise dadurch eine Schrittweite von 30 Grad erreicht werden.
Es ist jedoch auch auf einfache Weise möglich, eine Schrittweite von
nur 15 Grad, von 45 Grad oder mehr zu erzielen. Da allgemein alle
b = 180 Grad / n (siehe oben) ein Rotorpol in eine Drehstellung
gelangt, in der er einem Statorpol radial genau gegenüberliegt, und
da zu diesem Zeitpunkt jeweils keine Kräfte zwischen diesen Polen wirken,
kann die entsprechende Schrittweite bzw. ein ganzzahliges Vielfaches
davon besonders einfach erzielt werden. Es ist jedoch auch möglich, andere
Schrittweiten zu erzielen.
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Weiterhin ist es nicht nur möglich, durch Steuerung
des Stromes zumindest einer Phase in anderer Weise als bei dem anhand
von 4 beschriebenen
Prinzip eine Drehbewegung des Rotors abzubremsen oder zum Stillstand
zu bringen, sondern die Drehbewegung umzukehren. Beispielsweise
ist dies dadurch möglich,
in dem Betriebszustand gemäß 5c im Drehwinkelbereich
von etwa a = 35 Grad den Strom einer weiteren Phase auszuschalten und/oder
umzukehren, etwa den Strom der Phase drei. Somit kann der Elektromotor
auch im Pendelbetrieb betrieben werden.
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Zusammenfassend ist festzustellen,
dass der erfindungsgemäße Elektromotor
ein besonders hohes Verhältnis
von Drehmoment bzw. Antriebsleistung zu Bauvolumen ermöglicht.
Insbesondere bei den anhand von
1 und
2 dargestellten Ausführungsformen
kann das Verhältnis
gegenüber
dem aus der
DE 199
09 227 A1 bekannten Schrittmotor um mehr als einen Faktor
zwei gesteigert werden. Dies liegt zum einen daran, dass sowohl
in dem Stator als auch in dem Rotor eine Vielzahl von Magnetspulen
vorhanden sind. Bei der Bauart des in
1 dargestellten
Motors mit innenliegendem Stator kommt hinzu, dass der Innenbereich
des Motors für die
Spulenwicklungen und ggf. Spulenkerne genutzt wird und außerhalb
des Rotors kaum Platz benötigt wird.
Da ein hohes Drehmoment auch entsprechende Abmessungen des Rotors
in radialer Richtung erfordert, kann der Motor somit noch Platz
sparender gebaut werden.
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Weiterhin kann der Elektromotor im
Dreiphasen-Gleichstrombetrieb in einfacher Weise lediglich durch
geeignete Stromumkehrung so angesteuert werden, dass der Rotor kontinuierlich
in einer Drehrichtung dreht, dass der Motor im Schrittbetrieb betrieben
wird und/oder dass der Motor im Pendelbetrieb betrieben wird.
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Eine Einsatzmöglichkeit des Elektromotors (in
insbesondere den anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsformen)
besteht darin, ihn als Antriebsmotor eines elektrischen Ventiltriebes
(EVT) eines Kraftfahrzeugmotors zu verwenden.