DE19839785A1 - Elektromotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Elektromotoren, insbesondere Billig­ motoren, und Verbesserungen an Elektromotoren, die als Uni­ versalmotoren in der Industrie anwendbar sind, und ferner betrifft sie Elektromotoren, die mit hoher Drehzahl nutzbar sind und bei denen die Zentrifugalkraft ein Problem hin­ sichtlich der Rotorfestigkeit darstellt.

Statt von Elektromotoren wird nachfolgend der Kürze halber nur von Motoren gesprochen.

Wenn es erforderlich ist, einen Motor mit hoher Drehzahl zu betreiben, wie zum Antreiben der Hochgeschwindigkeits-Haupt­ spindel in einer Werkzeugmaschine in einem Bearbeitungszen­ trum, muß der Rotor des Motors mit einem Durchmesser von ungefähr 100 mm Drehzahlen von mindestens 30.000 U/Min. er­ reichen. Für diese Art von Anwendung werden auch Induktions­ motoren verwendet, jedoch sind die Rotorschlitze nicht offen sondern in der Regel geschlossen, um der Zentrifugalkraft standzuhalten, und die Enden der Rotorwicklung sind häufig verstärkt. In jedem Fall sind die Kosten erhöht, und häufig wird eine Verstärkungskonstruktion verwendet, die etwas die Motoreigenschaften beeinträchtigt.

Es wurde nach Motoren mit geschaltetem magnetischem Wider­ stand geforscht, die über hohe Rotorfestigkeit verfügen, und einige derselben wurden dem praktischen Gebrauch zugeführt. Ein typisches Beispiel eines aktuellen Motors ist in Fig. 10 dargestellt. Ein Rotor 2 besteht aus einer einfachen Sili­ ziumstahlplatte, die extrem fest ist, um für hohe Drehzahlen geeignet zu sein.

Ein Stator 1 verfügt über sechs vorstehende Pole 20, deren Winkelbreite jeweils ungefähr 30°, umgesetzt in den Rotor­ drehwinkel, beträgt. Jeder vorstehende Pol 20 ist mit Wick­ lungen TA1, TA2, TB1, TB2, TC1, TC2, TD1, TD2, TE1, TE2, TF1 und TF2 bewickelt. Der Rotor 2 verfügt über vier vorstehende Pole 21, deren Breite jeweils ungefähr 30°, umgesetzt in den Rotordrehwinkel, beträgt.

Als nächstes wird die Funktion des Motors mit geschaltetem magnetischem Widerstand beschrieben. Wenn z. B. im Zustand von Fig. 10 ein Drehmoment in Gegenuhrzeigerrichtung erzeugt wird, wird Strom durch die mit TC1 und TC2 sowie TF1 und TF2 bezeichneten Wicklungen hindurchgeführt, so daß die vorste­ henden Pole 21 des Rotors 2 angezogen werden, um ein Dreh­ moment zu erzeugen. Dabei hat der durch die Wicklungen TC1 und TC2 fließende Strom entgegengesetzte Richtung zum durch die Wicklungen TF1 und TF2 fließenden Strom, wobei die Strö­ me so fließen, daß der erzeugte Magnetfluß durch den Rotor 2 verläuft. Ferner wird, während sich der Rotor 2 in der Ge­ genuhrzeigerrichtung dreht, kein Drehmoment erzeugt, wenn die vorstehenden Pole 21 des Rotors 2 die Position des Sta­ torpols erreichen, der mit den Wicklungen TC1 und TC2 bewi­ ckelt ist. Dabei wird, da sich der benachbarte vorstehende Rotorpol in der Gegenuhrzeigerrichtung dem vorstehenden Sta­ torpol nähert, der mit den Wicklungen TE1 und TE2 bewickelt ist, der Strom in den Wicklungen TC1 und TC2 auf Null einge­ stellt, und gleichzeitig bewirkt der durch die Wicklungen TE1 und TE2 sowie die Wicklungen TB1 und TB2 laufende Strom die Erzeugung eines Drehmoments in Gegenuhrzeigerrichtung.

Auf diese Weise, nämlich durch Hindurchleiten eines geeigne­ ten intermittierenden Stroms aufeinanderfolgend durch jede Statorwicklung, ist es möglich, ein kontinuierliches Drehmo­ ment zu erzeugen. In ähnlicher Weise wird, beim Erzeugen eines Drehmoments in Uhrzeigerrichtung im Zustand von Fig. 10, Strom durch die Wicklungen TB1 und TB2 geleitet, so daß die vorstehenden Pole des Rotors 2 angezogen werden, um ein Drehmoment zu erzeugen.

Das erzeugte Drehmoment steht mit dem Strom in den Wicklun­ gen und den Relativpositionen des Stators 1 und des Rotors 2 in Zusammenhang, steht theoretisch jedoch nicht in Zusammen­ hang mit der Drehzahl des Rotors.

Zu Eigenschaften dieses Motors mit geschaltetem magnetischem Widerstand gehören niedrige Herstellungskosten durch einfa­ che Motorkonstruktion und eine einfache Wicklungsstruktur der Statorwicklungen, eine relativ kleine Motorlänge, da die Spulenenden der Statorwicklungen verkürzt werden können, ein beständiger Rotor, der hohe Drehzahlen ermöglicht, und eine Treiberschaltung, die vereinfacht sein kann, da der Ansteue­ rungsalgorithmus einfach ist und nur eine Stromrichtung aus­ reicht.

Andererseits besteht bei einem Motor mit geschaltetem magne­ tischem Widerstand auch eine Anzahl von Mängeln. Wenn der Steuerungsalgorithmus für eine gleichmäßige Beziehung zwi­ schen der zugeführten elektrischen Energie, der im Motor ge­ speicherten magnetischen Energie und der mechanischen Aus­ gangsenergie nicht korrekt errichtet ist, ist das Ergebnis eine große Welligkeit des Drehmoments. Zum Überwinden dieses Problems wurde ein Verfahren vorgeschlagen, gemäß dem der Strom so kompensiert wird, daß Welligkeiten des Drehmoments kompensiert werden, um diese Welligkeiten zu verringern. Je­ doch entstehen durch dieses Verfahren andere Probleme, wie das Erfordernis eines komplizierten Steuerungsverfahrens. Zusätzlich zur Welligkeit des Drehmoments beeinträchtigt das intermittierende Drehmoment, wie es durch jeden vorstehenden Pol erzeugt wird, hinsichtlich der Motorfestigkeit auch die Statorverformung, und Schwingungen und Geräusche sind hoch, wenn der Motor betrieben wird. Ferner gehören zu anderen Problemen das Erfordernis einer Hochgeschwindigkeits-Strom­ steuerung und das Erfordernis eines extrem schnellen Schal­ tens von Strömen für die schnelle Drehzahl eines vierpoligen Motors im Vergleich mit einem zweipoligen Motor. Ferner existiert ein Problem hinsichtlich des Leistungsfaktors, da es erforderlich ist, im Motor häufig die Zuführung und Wie­ dergewinnung magnetischer Energie auszuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zweipoligen Motor zu schaffen, bei dem das an jedem vorstehenden Rotor­ pol erzeugte Drehmoment kontinuierlich ist und gemäß dem Grundalgorithmus keine Welligkeit des Drehmoments erzeugt wird, wobei von der Ansteuerungsvorrichtung aus gesehen kei­ ne Eingabe oder Ausgabe magnetischer Energie bezüglich des Motors vorliegt. Der Motor soll auch wenig Schwingungen und wenig Geräusche entwickeln.

Diese Aufgabe ist durch die Motoren gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen 1 und 3 gelöst.

Ein erfindungsgemäßer Motor enthält sechs Statorpole mit Winkelbreiten von tatsächlich ungefähr 60°, was bei Umset­ zung in den Rotordrehwinkel weniger als 60° ausmacht.

Die um jeden Statorpol gewickelten Erregerwicklungen sind so verbunden, daß benachbarte Erregerwicklungen umgekehrt in Reihe geschaltet sind. D. h., daß die Erregerwicklungen in zueinander entgegengesetzten Wicklungen gewickelt und dann miteinander in Reihe geschaltet sind. Die um jeden Statorpol gewickelten Drehmomentwicklungen weisen drei Phasen auf, wo­ bei jede Phasenwicklung ein Paar entgegengesetzter Seiten bezüglich des Zentrums der Rotordrehung aufweist, die um 180° voneinander getrennt sind, wobei die Wicklungen umge­ kehrt in Reihe geschaltet sind. Außerdem sind zwei Rotorpole mit Breiten von 60° bis 120°, umgesetzt in den Rotordrehwin­ kel, vorhanden.

Gemäß Anspruch 3 sind gemeinsame Statorwicklungen auf jeden Statorpol gewickelt.

Ein mit Löchern oder Nuten zum Begrenzen des magnetischen Gesamtflusses der Rotorpole am Außenumfang des Rotors, oder eine Rotorkonstruktion, bei der Luftspalte oder unmagneti­ sche Materialien wie rostfreier Stahl vorhanden sind, dienen dazu, den magnetischen Gesamtfluß der Rotorpole zwischen elektromagnetischen Stahlplatten des Rotors, die entlang der Richtung der Rotorwelle aufeinanderlaminiert sind, zu be­ grenzen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Rotor aus einer elektromagnetischen Stahlplatte mit einer Sättigungs­ magnetflußdichte unter derjenigen der elektromagnetischen Stahlplatte des Stators hergestellt.

Der zweipolige Rotor, dessen Polarität sich abhängig von seiner Position ändert, ist so aufgebaut, daß immer ein konstanter Magnetfluß vorhanden ist. Daher kann die magne­ tische Energie im Motor dem Grunde nach unabhängig von der Rotordrehposition konstant gemacht werden. Wenn die Erreger­ wicklungen alle in Reihe geschaltet sind und einen Erreger­ strom durchlassen, nimmt der Magnetfluß einer der Wicklun­ gen während der Drehung ab, um eine negative Spannung zu er­ zeugen, während gleichzeitig der Magnetfluß einer der ande­ ren Wicklungen zunimmt, um eine positive Spannung zu erzeu­ gen. Daher ist die Gesamtspannung aller in Reihe geschalte­ ter Erregerwicklungen nur ein Spannungsabfall entsprechend dem Widerstand der Wicklungen, und dem Grunde nach wird kei­ ne Spannung aus Schwankungen des Magnetflusses erzeugt. Da­ her ist eine extrem einfache Erregersteuerung für die Trei­ bervorrichtung ausreichend. Hinsichtlich des Spalts zwischen benachbarten Statorpolen minimiert ein kleiner Spalt jeden nachteiligen Effekt, und selbst dann, wenn er relativ groß ist, können die nachteiligen Effekte dadurch verringert wer­ den, daß entweder der Rotor oder der Stator versetzt wer­ den.

Da die Drehmomenterzeugung durch elektromagnetische Anzie­ hung erzielt wird, ermöglicht das Hindurchleiten eines Dreh­ momentstroms durch die Drehmomentwicklungen des Statorpols in der Richtung des zu erzeugenden Drehmoments die Erzeugung eben dieses gewünschten Drehmoments. Wenn dieser Vorgang zu­ sammen mit der Drehung der Statorwicklung jedes Statorpols aufeinanderfolgend ausgeführt wird, ist es möglich, ein kon­ tinuierliches Drehmoment zu erzeugen. Es existieren Dreh­ stellungen, in denen die Statorpole und die vorstehenden Ro­ torpole einander entweder vollständig oder überhaupt nicht gegenüberstehen. Die Ausnutzung dieser Drehstellungen zum Ändern des Stroms in den Drehmomentwicklungen ermöglicht es, die Steuerung so auszuführen, daß kein welliges Drehmoment erzeugt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren ver­ anschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Rotors und eines Stators, und es zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung.

Fig. 2 zeigt eine Erregerwicklung und eine Erregerstrom-An­ steuerschaltung beim Motor von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Drehmomentwicklung und eine Drehmoment­ strom-Ansteuerschaltung beim Motor von Fig. 1.

Fig. 4 und 5 zeigen Eigenschaften des Drehmomentstroms und des Rotordrehwinkels für Fig. 1.

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm eines Rotors und eines Stators, und es zeigt ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen einer Statorpolform und einem vorstehenden Rotorpol.

Fig. 8 und 9 veranschaulichen Beispiele von Rotorformen.

Fig. 10 veranschaulicht ein Beispiel eines herkömmlichen Motors mit geschaltetem magnetischem Widerstand.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist ein Stator 1H mit sechs Statorpolen mit Weiten von ungefähr 60° versehen, was weniger als 60° bei Umsetzung in den Rotordrehwinkel aus­ macht. Jeder Statorpol ist mit Erregerwicklungen versehen, die mit HA1 und HA4, HB3 und HB4, HC3 und HC4, HD3 und HD4, HE3 und HE4 sowie HF3 und HF4 bezeichnet sind, wie auch mit Drehmomentwicklungen, die mit HA1 und HA2, HB1 und HB2, HC1 und HC2, HD1 und HD2, HE1 und HE2 sowie HF1 und HF2 bezeich­ net sind. Bei dienen Symbolen bezeichnen "A", "B", "C2, "D", "E" und "F" jeden Statorpol. Der Stator 1H verfügt über Si­ liziumstahlplatten der in Fig. 1 dargestellten Form, die entlang der Richtung der Welle aufeinander laminiert sind.

Ein Rotor 3 verfügt über eine Welle 2 und vorstehende Pole mit Breiten von ungefähr 80°, bezogen auf den Rotordrehwin­ kel. Wenn die Breite PA des vorstehenden Rotorpols 60° bis 120° beträgt, kann bei verschiedenen Drehstellungen ein bi­ direktionales Drehmoment mit Vorzeichen erzeugt werden. Wie es später beschrieben wird, sorgt ein Versetzen entweder des Rotors oder Stators für eine Änderung eines Grenzwerts der Statorpolbreite oder der Rotorpolbreite.

Fig. 2 zeigt eine Verbindungsbeziehung zwischen den Erreger­ wicklungen sowie ein Steuerungsbeispiel für den Erreger­ strom. Benachbarte Erregerwicklungen 7 sind in entgegenge­ setzten Richtungen gewickelt, und die sechs Wicklungen sind in Reihe geschaltet. D. h., daß die Erregerwicklungen umge­ kehrt in Reihe geschaltet sind. Die Figur zeigt ein Erreger­ strom-Anweisungssignal FC, eine Erregerstrom-Ansteuerschal­ tung 4, einen Stromregler 5, einen Treibertransistor 6, ei­ nen Erregerstrom ID und eine Versorgungsspannung VS. Einzel­ heiten wie eine Schwungraddiode sind weggelassen. Die Erre­ gerwicklungen 7 und der Erregerstrom ID sorgen dafür, daß die Statorpole in Fig. 1 durch Pole N und S in Fig. 1 erregt werden.

Auf diese Weise wird der Außenumfang des Rotors 3 an jeder beliebigen Drehposition durch Pole N oder S erregt. Obwohl sich die Polarität des Magnetflusses mit der Rotorstellung ändert, bewirkt die Struktur, daß immer ein konstanter Ab­ solutwert des Magnetflusses vorhanden ist. Daher kann die magnetische Energie des Motors dem Grunde nach unabhängig von der Rotorstellung konstant gemacht werden. Wenn die Er­ regerwicklungen alle in Reihe geschaltet sind und den Erre­ gerstrom leiten, nimmt in einer der Erregerwicklungen der Magnetfluß ab, und durch die Drehung wird eine negative Spannung erzeugt, während gleichzeitig in einer der anderen Erregerwicklungen der Magnetfluß zunimmt und eine positive Spannung erzeugt wird. Daher ist die Gesamtspannung aller in Reihe geschalteter Erregerwicklungen nur ein Spannungsabfall entsprechend dem Widerstand der Wicklungen, und aus Schwan­ kungen des Magnetflusses wird dem Grunde nach keine Spannung erzeugt. Daher reicht eine extrem einfache Erregersteuerung für die Treibervorrichtung aus. Das einfachste Beispiel be­ steht darin, eine Gleichspannungsversorgung mit beiden Enden jeder in Reihe geschalteten Erregerwicklungen zu verbinden.

Dieselbe Wirkung kann auch dadurch erzielt werden, daß jede dreiphasige Erregerwicklung in zwei Sätze unterteilt wird und mit jedem Satz eine Erregerstrom-Ansteuerschaltung ver­ bunden wird.

Allgemein gesagt, wird, wenn bei hoher Drehzahl eine Steue­ rung ausgeführt wird, die Belastung hinsichtlich dem Erre­ gerstromansteuerung in der Steuerungsvorrichtung groß. Je­ doch besteht beim System von Fig. 2 der Vorteil, daß die Belastung der Steuervorrichtung verringert ist, da magneti­ sche Energie frei zwischen Erregerwicklungen übertragen wird.

Bei der oben genannten Konfiguration wird kein Drehmoment bei magnetischer Energie auf konstantem Niveau erzeugt. Aus einem anderen Gesichtspunkt werden jedoch bei diesem Effekt an den beiden Enden des Rotors ein positives und ein negati­ ves Drehmoment erzeugt und heben einander auf.

Hinsichtlich des Spalts zwischen benachbarten Statorpolen minimiert ein kleiner Spalt jegliche nachteilige Effekte, und selbst wenn der Spalt relativ groß ist, können die nach­ teiligen Effekte dadurch verringert werden, daß entweder der Rotor oder der Stator versetzt wird.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Ansteuerschaltung zum An­ steuern der Drehmomentwicklungen des Stators. WA ist die durch HA1 und HA2 gekennzeichnete Drehmomentwicklung, und WD ist die durch HD1 und HD2 gekennzeichnete Drehmomentwick­ lung. Es sind auch Treibertransistoren 8 und 9 sowie regene­ rative Schwungraddioden 10 und 11 dargestellt. WA und WD sind in zueinander entgegengesetzten Richtungen gewickelt und in Reihe geschaltet. Es wird darauf hingewiesen, daß die Stromrichtung in den Erregerwicklungen der Statorpole mit derjenigen in den Drehmomentwicklungen übereinstimmt. Wenn ein Drehmomentstrom IAD zu führen ist, werden die Tran­ sistoren 8 und 9 eingeschaltet. Wenn die Transistoren 8 und 9 ausgeschaltet sind, wird der Strom IAD bei Zufuhr von VS und VL mittels der Schwungraddioden 10 und 11 erzeugt. VL ist eine gemeinsame Leitung der Spannungsversorgungsschal­ tung. Die Betriebsabläufe sind für die Wicklungen der ande­ ren zwei Phasen WB und WE sowie WC und WF identisch.

In den Fig. 4 und 5 sind Beziehungen zwischen der Drehmo­ menterzeugung und jeder Wicklung abhängig von verschiedenen Strömen und Drehwinkeln RA dargestellt. Bezogen auf Fig. 1 ist der Winkel der Kante des vorstehenden Rotorpols in der Gegenuhrzeigerrichtung bezogen auf die horizontal gezeichne­ te Mittellinie des Rotors als RA definiert. Es wird ein Fall beschrieben, in dem entsprechend einem Strom IP1 kontinuier­ lich ein Drehmoment in der Gegenuhrzeigerrichtung erzeugt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Richtung des er­ zeugten Drehmoments und die Drehrichtung des Rotors 3 nicht notwendigerweise identisch sind. D. h., daß die Richtung des erzeugten Drehmoments, da sie durch den Strom in den Wicklungen und die Drehstellung des Rotors bestimmt ist, nicht in Beziehung mit der Drehrichtung oder der Drehzahl des Rotors 3 steht. So ist ist es z. B. möglich, daß ein Drehmoment in der Gegenuhrzeigerrichtung erzeugt wird, wenn sich der Rotor 3 in der Uhrzeigerrichtung dreht, oder ein Drehmoment in der Uhrzeigerrichtung erzeugt wird, wenn sich der Rotor 3 in der Gegenuhrzeigerrichtung dreht.

Zunächst hat, wie es in Fig. 4 (d) dargestellt ist, der Er­ regerstrom ID einen konstanten Wert ID1 unabhängig vom Dreh­ winkel RA. Wenn angenommen wird, daß der Drehwinkel RA all­ mählich von null aus ansteigt, wird der Strom IAD in den Wicklungen WA und WD, während RA null ist, auf IP1 einge­ stellt, und die anderen Ströme IBE und ICF werden auf null eingestellt. Wenn RA zwischen null und 30° liegt, erzeugen die Wicklungen WA und WD ein Drehmoment. Wenn RA 20° er­ reicht, beginnt der Strom IBE in den Wicklungen WB und WE anzusteigen, und wenn RA 30° erreicht, steigt die Stromstär­ ke auf IP1. Es wird noch kein Drehmoment erzeugt, da der vorstehende Rotorpol noch nicht den Statorpol für die Wick­ lung WB und WE erreicht hat, sondern hierbei handelt es sich um einen Vorbereitungsvorgang für anschließende Drehmoment­ erzeugung. Wenn RA von 30° auf 90° ansteigt, erzeugen die Wicklungen WB und WE Drehmoment. Gleichzeitig nimmt, wenn RA zwischen 30° und 40° liegt, der Strom IAD von IP1 auf null ab. Während dieser Zeit steht der mit den Wicklungen WA und WD bewickelte Statorpol vollständig dem vorstehenden Rotor­ pol gegenüber, so daß er dem Grunde nach nicht zur Erzeu­ gung eines Drehmoments beiträgt. Wenn RA zwischen 80° und 90° beträgt, steigt der durch die Wicklungen WC und WF flie­ ßende Strom ICF von null auf IP1 an, um die Erzeugung eines Drehmoments vorzubereiten, und wenn RA zwischen 90° und 150° beträgt, wird durch den Strom ICF ein Drehmoment erzeugt. Gleichzeitig nimmt, wenn RA zwischen 90° und 100° liegt, der Strom IBE von IP1 auf null ab. Ein anschließendes Leiten verschiedener Ströme auf dieselbe Weise ermöglicht es, ein konstantes Drehmoment in Gegenuhrzeigerrichtung bei kleiner Welligkeit des Drehmoments zu erzeugen.

Was den Strom IBE in den Wicklungen WB und WE betrifft, wäh­ rend RA zwischen 20° und 30° liegt, fließt Strom dann durch diese Wicklungen, während kein Drehmoment erzeugt wird, son­ dern es wird magnetische Energie eingespeichert, so daß un­ mittelbar anschließend ein Teil der gespeicherten magneti­ schen Energie in Rotationsenergie umgesetzt wird. So besteht die Wirkung, daß der Ansteuerungswirkungsgrad der Treiber­ vorrichtung erhöht werden kann.

Die oben genannte Zunahme des Stroms IBE existiert in der Vorbereitungsperiode Genauer gesagt, beeinflußt, wenn sich z. B. RA ausgehend von 20° an 30° annähert, das Drehmoment deutlich die Magnetflußverteilung im Luftspalt auf der Sei­ te des vorstehenden Rotorpols und am Spalt des Statorpols, so daß der Strom IBE in der Nähe von 30° die Drehmomenter­ zeugung beeinflußt. Daher ist es bevorzugt, diese Vorberei­ tungsperiode vorzuziehen, z. B. um 15° auf 25°.

Als nächstes wird der Fall beschrieben, daß ein Drehmoment in Uhrzeigerrichtung entsprechend dem Strom IP1 kontinuier­ lich erzeugt wird. Zunächst hat der Erregerstrom ID konstant den Wert ID1, und er hat keine Beziehung zum Drehwinkel RA, wie in Fig. 5 (d) dargestellt. Wenn angenommen wird, daß der Drehwinkel allmählich von null aus ansteigt, wird der Strom ICF durch die Wicklungen WC und WF an der Position, an der RA null ist, auf IP1 eingestellt, und die anderen Ströme IAD und IBE werden auf null eingestellt. Wenn RA zwischen null und 50° liegt, erzeugen die Wicklungen WC und WF ein Drehmoment. Wenn RA 30° erreicht, beginnt der Strom IAD durch die Wicklungen WA und WD anzusteigen, und wenn RA 40° erreicht, ist die Stromstärke auf IP1 erhöht. Wenn RA zwi­ schen 30° und 50° beträgt, steht der mit den Wicklungen WA und WD bewickelt- Statorpol vollständig dem vorstehenden Ro­ torpol gegenüber, so daß die Erzeugung des Drehmoments nicht wesentlich beeinflußt wird. Dies ist ein Vorberei­ tungsvorgang für anschließende Drehmomenterzeugung. Wenn RA zwischen 50° und 110° beträgt, erzeugen die Wicklungen WA und WD ein Drehmoment. Gleichzeitig fällt der Strom ICF, wenn RA zwischen 50° und 60° beträgt, von IP1 auf null. Da der mit den Wicklungen WC und WF bewickelte Statorpol wäh­ rend dieser Zeit dem vorstehenden Rotorpol nicht vollständig gegenübersteht, besteht grundsätzlich kein Einfluß auf die Erzeugung des Drehmoments. Wenn RA zwischen 90° und 100° be­ trägt, nimmt der in den Wicklungen WB und WE fließende Strom ICF von null auf IP1 zu, um die Drehmomenterzeugung vorzube­ reiten, und wenn RA zwischen 110° und 170° beträgt, wird mittels des Stroms IBE ein Drehmoment erzeugt. Gleichzeitig fällt der Strom IAD, wenn RA zwischen 110° und 120° beträgt, von IP1 auf null. Anschließend ermöglicht ein Führen der verschiedenen Ströme auf dieselbe Weise die Erzeugung eines konstanten Drehmoments in Uhrzeigerrichtung mit wenig Wel­ ligkeit des Drehmoments.

Die Erzeugung eines Drehmoments ist durch die Beziehung zwi­ schen den verschiedenen Strömen und der Drehstellung be­ stimmt, jedoch steht sie nicht in Zusammenhang mit der Dreh­ richtung und der Drehzahl, wie oben beschrieben.

Es existieren Drehstellungen, in denen die Statorpole und vorstehenden Rotorpole einander entweder vollständig oder gar nicht gegenüberstehen. Die Nutzung dieser Drehstellungen zum Ändern des Stroms in den Drehmomentwicklungen ermöglicht die Ausführung einer Steuerung in solcher Weise, daß keine Welligkeit des Drehmoments erzeugt wird.

In Fig. 6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dieses Beispiel ist ein Motor mit gemeinsamen Statorerregerwicklungen und Drehmomentwicklungen. Hinsicht­ lich der Steuerung reicht es aus, einen Wert einzustellen, der den Erregerstrom ID und jedes Drehmoment für jeden Pha­ senstrom addiert, was theoretisch keine Schwierigkeit bie­ tet.

Vorteile des Motors gemäß Fig. 6 im Vergleich zum in Fig. 1 dargestellten Motor besteht darin, daß die Wicklungen ver­ einfacht sind und die Schaltung vereinfacht ist, da der in Fig. 2 dargestellte Erregerstrom in der Steuerschaltung überflüssig ist. Andererseits existieren Nachteile dahinge­ hend, daß die Motoranschlußspannung bei hoher Drehzahl größer als beim in Fig. 1 dargestellten Motor ist, was die Belastung der Ansteuerschaltung erhöht, und daß der Motor­ strom entsprechend dem Wert des Erregerstroms zunimmt, so daß es erforderlich ist, das Stromführungsvermögen der An­ steuerschaltung zu erhöhen. Daher ist, da die Relativvortei­ le der Motoren von Fig. 1 und von Fig. 6 von der Drehzahl und der Ausgangsleistung abhängen, der Motor von Fig. 1 all­ gemein für hohe Drehzahl und hohe Ausgangsleistung von Vor­ teil.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 die Beziehung zwischen dem Magnetismus des Pols N und des Pols S des Rotors, dem Spalt PG zwischen den Statorpolen, der Pol­ breite PA des vorstehenden Rotorpols und dem Versatzwinkel SA des Rotors beschrieben.

Der Magnetismus der vorstehenden Pole des Rotors 3 von Fig. 6 ist durch den Magnetismus der Statorpole bestimmt. Der Ro­ tor dreht sich, während die vorstehenden Pole des Rotors bei der Drehung auf den Pol N und den Pol S wechseln. Dieser Vorgang ist derselbe wie beim Motor von Fig. 1.

Der Innenumfang des Stators und der Außenumfang des Rotors des Motors im in Fig. 6 dargestellten Zustand sind in Fig. 7 als ebene Abwicklung dargestellt. Die Richtung in der Figur von unten nach oben ist die Richtung der Rotorwelle, und die Richtung von rechts nach links ist die Gegenuhrzeigerrich­ tung des Rotors, wobei das rechte Ende zum linken Ende einen Winkel von 360° bezogen auf den Rotordrehwinkel bildet. Der vorstehende Rotorpol 3 ist durch gestrichelte Linien und Schraffur gekennzeichnet, während die Statorpole durch durchgezogene Linien gekennzeichnete Rechtecke sind. PA ist ein Winkel von 80°, der der Breite des vorstehenden Rotor­ pols entspricht, und SA ist ein Winkel, der dem Versatz ent­ spricht. PB ist der Rotordrehwinkel des Statorpols, und PG ist der Rotordrehwinkel, der dem Spalt zwischen Statorpolen entspricht. Die Summe aus PB und PG beträgt 90°. Als erstes wird ein Fall betrachtet, bei dem der Versatz SA null ist. Da die Erzeugung eines Drehmoments aus magnetischer Anzie­ hung herrührt, ermöglicht es das Hindurchleiten eines Dreh­ momentstroms durch die Drehmomentwicklung des Statorpols in der gewünschten Drehmomentrichtung hinsichtlich der dem Ro­ tor gegenüberstehenden Statorpole, das gewünschte Drehmoment zu erzeugen. Wenn dieser Vorgang zusammen mit der Drehung für die Statorwicklung jedes Statorpols aufeinanderfolgend ausgeführt wird, ist es möglich, ein kontinuierlich rotie­ rendes Drehmoment zu erzeugen. Wenn sich jedoch das linke Ende des Rotors dem Spalt des Statorpols annähert, wenn es erwünscht ist, den Rotor z. B. nach links in Fig. 6 anzu­ treiben, wird selbst dann, wenn Strom durch die Wicklung des Statorpols auf der linken Seite des Rotors geleitet wird, kein Magnetfluß mit dem Rotor erzeugt, so daß einfach kein Drehmoment erzeugt wird. Wenn der Rotor auf diese Weise ver­ setzt ist, stehen selbst im Spalt zwischen den Statorpolen beide Seiten der Statorpole jeweils etwas einander gegen­ über, wenn sich der Rotor dreht, und zwar um das Ausmaß des Versatzes der Rotorpole, so daß beide Statorpole gleichzei­ tig ein Drehmoment in derselben Richtung erzeugen können. Aus diesem Grund sind gleichmäßige Übergänge des Drehmoments möglich. Plötzliche Änderungen des Drehmoments verringern sich für jeden Statorpol, so daß Schwingungen der Statorpo­ le abnehmen und Schwingungen und Geräusche verringert sind. Genau gesagt, wird selbst dann, wenn der Versatz null ist und das linke Ende des Rotorpols sich dem Statorpolspalt an­ nähert, im Raum zwischen dem Rotor und dem Statorpol auf der linken Seite des Rotors ein Magnetfluß erzeugt, so daß ein Drehmoment erzeugt wird.

Es wird ein bestimmtes Ausmaß an Welligkeit des Drehmoments erzeugt, wenn sich ein Ende des Rotors dem Spalt zwischen Statorpolen annähert. Um dies zu meistern, ist es bevorzugt, daß die Positionen der zwei Rotorpole so angeordnet werden, daß sie nicht an Positionen betreffend 180° des Rotordreh­ winkels liegen, sondern daß sie um ein Ausmaß verschoben sind, das dem Spalt zwischen den Statorpolen entspricht. Dies verringert die Änderung des magnetischen Widerstands während der Drehung und verringert die Welligkeit des Dreh­ moments.

Hinsichtlich des Raums für die verschiedenen Wicklungen des Stators kann z. B. ein vorstehender Pol mit einer Breite, die mit dem Innenumfang des Statorpols identisch ist, an das Joch des Statoraußendurchmessers angepaßt werden, so daß der leere Raum für die Statorwicklungen verwendet werden kann. Da jedoch der Wicklungsraum in diesem Fall klein ist, wird die Motorgröße groß, um für ausreichenden Wicklungsraum zu sorgen. Ein anderes Verfahren zum Bereitstellen von Wick­ lungsraum besteht darin, die Dicke der Basis der Statorpole zu verringern, wie es in den Fig. 1 und 6 dargestellt ist. Obwohl die Seiten der Wicklungsräume in den Fig. 1 und 6, wie HA1 und HA2, als typisch dargestellt sind, können Wick­ lungen selbstverständlich in die leeren Räume gewickelt wer­ den. Da die Magentflußdichte der schmalen Teile in Fig. 1 in Sättigung geht, ist es hinsichtlich des Motorbetriebs be­ vorzugt, das Ausmaß des Magnetflusses des vorstehenden Pols auf der Rotorseite zu begrenzen, um Sättigung zu verhindern. Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, besteht ein Verfahren zum Begrenzen der Größe des Magnetflusses am Rotor darin, Schlitze 13 im Raum an den vorstehenden Polen eines Rotors 12 so zu verteilen, daß der maximale Gesamtwert des Magnet­ flusses an den vorstehenden Rotorpolen begrenzt ist. Ein an­ deres Verfahren, wie es in Fig. 9 veranschaulicht ist, be­ steht darin, mit ausreichenden Intervallen Luftspalte 15 oder unmagnetische Materialien, wie Platten aus rostfreiem Stahl, zwischen den Siliziumstahlplatten 14 des Rotors, die entlang der Richtung der Welle aufeinander laminiert sind, anzubringen, um den maximalen Gesamtwert des Magnetflusses am Rotor zu begrenzen.

Der Motor gemäß der Erfindung kann verschiedene Anwendungen und Modifizierungen erfahren, die ebenfalls in der Erfindung enthalten sind. Z. B. ist es möglich, die Anzahl der Pole der Motoren in Fig. 1 und 6 zu verdoppeln oder einige Pole oder Wicklungen wegzulassen. Bei den Motoren in den Fig. 1 und 6 ist es auch möglich, einen Zwischenabgriff an jeder Wicklung bereitzustellen, so daß dann, wenn der Motor mit einer Drehzahl über einer Grunddrehzahl betrieben wird, die Motortreibervorrichtung mit dem Zwischenabgriff verbunden wird. Anders gesagt, kann hohle Drehzahl durch ein Wicklungs­ umschaltsystem realisiert werden.

Der erfindungsgemäße Motor kann auch als Linearmotor modifi­ ziert werden, wenn er linear konstruiert wird. Ferner ist es wirkungsvoll, um Wicklungsverluste und Geräusche zu verrin­ gern, die Form des Innenumfangs des Stators und des Außen­ umfangs des Rotors dadurch abzurunden, daß z. B. ein unma­ gnetisches Material oder ein Teil einer Siliziumstahlplatte verwendet wird.

Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der Erfindung ein Mo­ tor mit extrem starkem zweipoligem Rotor, der nur aus einer elektromagnetischen Stahlplatte besteht, realisiert werden, so daß schnellere Drehung erzielbar ist. Ferner ist die Welligkeit des Drehmoments klein, da das Drehmoment an jedem vorstehenden Pol des Rotors bei der Drehung desselben konti­ nuierlich erzeugt werden kann, und es kann ein Motor mit we­ nig Schwingungen und Geräuschen realisiert werden. Auch kann eine Versorgung und Speicherung magnetischer Energie im Mo­ tor durch Erregerwicklungen und eine einfache Erregerschal­ tung realisiert werden, so daß der Ansteuerungsvorgang für hohe Drehzahl einfach ist und die erforderliche Leistungs­ fähigkeit des Treibertransistors zum Ansteuern der Drehmo­ mentwicklungen herabgesetzt werden kann. Darüber hinaus ist die Motorkonstruktion im Vergleich mit einem Universalinduk­ tionsmotor einfach, so daß ein billiger Motor realisiert werden kann.

Claims (7)

1. Motor gekennzeichnet durch

• - sechs Statorpole mit Breiten von ungefähr 60°, was bei Um­ setzung in einen Rotordrehwinkel weniger als 60° entspricht;
• - Erregerwicklungen (HA3 und HA4, HB3 und HB4, . . .), die um jeden Statorpol gewickelt sind;
• - Drehmomentwicklungen (HA1 und HA2, HB1 und HB2, . . .), die um jeden Statorpol gewickelt sind; und
• - zwei Rotorpole mit Breiten von 60° bis 120°, wenn als Ro­ tordrehwinkel ausgedrückt.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Erregerwicklungen benachbarter Statorpole umgekehrt in Reihe geschaltet sind und
• - die Drehmomentwicklungen dreiphasig sind, wobei die Wick­ lungen jeder Phase ein Paar auf entgegengesetzten Seiten be­ züglich des Zentrums der Rotordrehung umfassen, die gegen­ einander um 180° versetzt und umgekehrt in Reihe geschaltet sind.

3. Motor gekennzeichnet durch

• - sechs Statorpole mit Breiten von ungefähr 60°, was bei Um­ setzung in einen Rotordrehwinkel weniger als 60° entspricht;
• - gemeinsame Statorwicklungen, die um jeden Statorpol gewi­ ckelt sind; und
• - zwei Rotorpole mit Breiten von 60° bis 120°, wenn als Ro­ tordrehwinkel ausgedrückt (Fig. 6).

4. Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionen der zwei Rotorpole ge­ ringfügig gegenüber Positionen von 180° gegeneinander ver­ schoben sind, wenn als Rotordrehwinkel ausgedrückt.

5. Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang des Rotors Löcher oder Nuten vorhanden sind, um den Gesamtmagnetfluß der Rotorpole zu begrenzen.

6. Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Luftspalte oder unmagnetische Materia­ lien, wie rostfreier Stahl, zwischen Rotorstahlplatten ange­ ordnet sind, die entlang der Richtung der Rotorwelle aufein­ ander laminiert sind, um den Gesamtmagnetfluß der Rotorpole zu begrenzen.

7. Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch einen Rotor aus mindestens einer magnetischen Stahlplatte mit einer Sättigungsmagnetflußdichte, die nied­ riger als diejenige der mindestens einen magnetischen Stahl­ platte des Stators ist.