DE19919684A1

DE19919684A1 - Antrieb mit bürstenlosem elektrischen Motor und bürstenloser elektrischer Motor

Info

Publication number: DE19919684A1
Application number: DE19919684A
Authority: DE
Inventors: Peter Nadig; Oliver Zirn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2000-11-16
Also published as: WO2000067362A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Antrieb mit bürstenlosem elektrischen Motor, insbesondere für Werkzeuge, der mit ausgeprägten Zähnen (1-3', 22) im Stator (10) und im Rotor (20) versehen ist. Ankerwicklungen (11, 12, 13) sind in Nuten des Stators vorgesehen und umgreifen zugeordnete Zähne. Eine Erregerwicklung (30) für die Felderregung ist diametral in Nuten im Stator (10) vorgesehen. Die Führung des Feldes erfolgt über die Zähne des Rotors, die Zähne des Stators und dessen Ringfluß (14). Die Ankerwicklungen sind im Sinne einer Drehstromwicklung angebracht und in Sternschaltung miteinander verbunden und werden zur Erzeugung des Drehmomentes durch gleichzeitiges Ein- und Ausschalten blockweise bestromt. Zum Schalten der Ankerwicklungen sind elektronische Schalter, insbesondere in Form einer Drehstrom-Brückenschaltung, als elektronischer Kommutator vorgesehen. Die Erregerwicklung ist in Reihe mit den elektronischen Schaltern angeordnet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Antrieb mit bürstenlosem elektrischen Motor, insbesondere für Werkzeuge, mit ausgeprägten Zähnen im Stator und im Rotor des Motors gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung und betrifft darüber hinaus einen bürstenlosen elektrischen Motor gemäß dem Anspruch 11.

Der sogenannte Universalmotor mit aus Kohlebürsten bestehendem mechanischem Kommutator ist heute der bei Elektrowerkzeugen mit Netzspeisung bevorzugt eingesetzte Motor. Als verschleißfreie bzw. bürstenlose Antriebe werden heute elektronisch kommutierte Gleichstrommaschinen, sogenannte EC-Synchronmotoren, oder Umrichter gespeiste Asynchronmaschinen oder auch geschaltete bzw. synchrone Reluktanzmotoren eingesetzt.

In dem Artikel "Two new Competitors" von P. J. McCleer, Juli 1998, in der Zeitschrift Appliance Manufacturer, Seite 39 bis 41, ist ein Permanentmagnetmotor beschrieben, der sowohl im Stator als auch im Rotor des Motors ausgeprägte Zähne bzw. Pole aufweist. In den Nuten des Stators sind Ankerwicklungen vorgesehen, welche die zugeordneten Zähne umgreifen. Zur Erregung des elektrischen Feldes sind Permanentmagnete vorgesehen, die zwischen einem inneren und einem äußeren Eisenpaket im Ständer angebracht sind. Darüber hinaus ist eine elektrische Feldwicklung im Stator vorgesehen, welche zur Feldschwächung des permanentmagnetisch erregten konstanten Feldes dient. Dadurch kann die Drehzahl des Motors in größerer Breite durch Feldschwächung bestimmt werden.

Ziel und Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, gegenüber dem vorstehend bekannten Motor eine einfachere Version eines elektronisch kommutierten Antriebs mit erhöhten Lebensdauer- Anforderungen zur Verfügung zu stellen, die darüber hinaus kostengünstig ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Antrieb mit bürstenlosem elektrischen Motor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, ohne permanentmagnetische Erregung auszukommen, wesentlich einfacher im Aufbau und kostengünstiger zu sein und bietet darüber hinaus für den rauhen Einsatz bei Elektrowerkzeugen mit erhöhter Leistung, die insbesondere vom Netz gespeist werden, eine hohe Wartungsfreiheit mit hoher Dauerleistung und geringen Kosten für Motor und Elektronik.

Gemäß der Erfindung wird dies prinzipiell dadurch erreicht, daß eine Erregerwicklung für die Felderregung im Stator vorgesehen und diametral im Stator angeordnet ist, die Feldführung über die Zähne des Rotors, die Zähne des Stators und dessen Ringschluß erfolgt, die Ankerwicklungen im Sinne einer Drehstromwicklung angebracht und in Sternschaltung geschaltet sind, die Ankerwicklungen zur Erzeugung des Drehmoments durch gleichzeitiges Ein- und Ausschalten blockweise bestromt werden, zum Schalten der Ankerwicklungen elektronische Schalter, insbesondere in Form einer Drehstrom-Brückenschaltung, als elektronischer Kommutator vorgesehen sind und die Erregerwicklung in Reihe mit den elektronischen Schaltern angeordnet ist.

Durch die in den weiteren Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Antriebs mit bürstenlosem elektrischem Motor möglich.

Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Erregerwicklung in besonderen diametral angeordneten Nuten des Stators eingelegt.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Erregerwicklung zweigeteilt und jeweils ein Teil in einer Nut, die im wesentlichen hinter jeweils einem Statorpol angebracht ist, angeordnet, wobei die jeweiligen Statorpole benachbart sind. Dies ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform und erhöht den Erregerfluß allein durch die Geometrie der Anordnung.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Zahl der Zähne des Stators zur Zahl der Zähne des Rotors im ganzzahligen Verhältnis von 6 : 4 steht. Es sei jedoch angemerkt, daß prinzipiell auch Anordnungen mit vier Stator- und zwei Rotorzähnen denkbar sind.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebs werden die elektronischen Schalter mit Gleichstrom versorgt, der insbesondere über einen Gleichrichter zuführbar ist, welcher von einem Wechselstrom-Versorgungsnetz gespeist wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Erregerwicklung mit aus einem Wechselstrom- Versorgungsnetz erzeugten Gleichstrom gespeist wird. In zweckmäßiger Ausgestaltung ist gemäß einer besonderen Ausführungsform die Erregerwicklung zweigeteilt und je ein Teil davon ist in der wechselstrommäßigen Zuleitung der Gleichrichterbrücke angeordnet.

In alternativer Ausführungsform ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Erregerwicklung zwischen Gleichrichter und Wechselrichter geschaltet. Auf diese Weise dient die Erregerwicklung dem Abpuffern des Netzes und vermeidet das Einstreuen von Kommutierungsstromspitzen in das Netz.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, daß die Erregerwicklung als Transformator aufgebaut ist, dessen Primärwicklung an das Netz und dessen Sekundärwicklung an den Gleichrichter gelegt ist.

Vorteilhaft ist es für den gesamten Antrieb, daß die Steuerung der Kommutierungsschaltung mittels eines Mikrokontrollers erfolgt.

Die Erfindung betrifft auch im Rahmen eines einheitlichen Konzeptes einen bürstenlosen elektrischen Motor, der insbesondere für Werkzeuge verwendet werden kann, und mit ausgeprägten Zähnen im Stator und im Rotor des Motors, mit in Nuten des Stators vorgesehenen Ankerwicklungen, welche die zugeordneten Zähne umgreifen, mit einer Erregerwicklung für die Felderregung im Stator, die diametral in besonderen Nuten im Stator angeordnet ist, und mit Ankerwicklungen, die in Sternschaltung miteinander verbunden sind. Diese Gestaltung des bürstenlosen elektrischen Motors allein, unabhängig davon, wie die Kommutierungsschaltung im einzelnen gestaltet ist, schafft in vorteilhafter Weise einen neuen Motortyp, mit dem insbesondere Werkzeuge auf günstige Weise angetrieben werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Motors sind in den abhängigen Ansprüchen 12 bis 16 niedergelegt.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des Motors ist vorgesehen, daß die sich in Ausrichtung über einen Luftspalt gegenüberstehenden Flächen von Stator- und Rotorzahn im wesentlichen gleich groß sind und konzentrisch zur Rotorachse ausgerichtet sind.

Entsprechend einer besonders vorteilhaften und zweckmäßigen Ausgestaltung des Motors ist die Nut, in welcher die Erregerwicklung eingelegt ist, im wesentlichen hinter einem der Statorpole vorgesehen, wobei der Magnetfluß über diesen Statorpol möglichst ungeschmälert ist.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen bürstenlosen Motors ist vorgesehen, daß bei zweigeteilter Erregerwicklung jeweils ein Teil in einer Nut, die im wesentlichen in radialer Richtung von der Rotorachse aus gesehen hinter der Polfläche des entsprechenden Statorzahns, die dem Rotorpol in dessen Ausrichtung gegenübersteht, angeordnet ist, wobei die jeweiligen Statorpole unmittelbar benachbart sind und der Magnetfluß über jeden Statorpol möglichst ungeschmälert ist.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß gestalteten Motors ist vorgesehen, daß die Zahl der Zähne des Stators zur Zahl der Zähne des Rotors im ganzzahligen Verhältnis von 6 : 4 steht.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung besteht der Rotor allein aus magnetischem Material.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 in axialer Draufsicht ein Schnittbild von Stator und Rotor des erfindungsgemäß gestalteten Motors bzw. Antriebs mit Winkeleinteilung zur Erläuterung der Momenterzeugung;

Fig. 2 schematisch in axialer Draufsicht im Schnittbild eine besondere Ausführungsform des Motors mit besonderer Anordnung einer zweigeteilten Erregerwicklung in Nuten hinter Statorpolen;

Fig. 3-5 schematisch in Draufsicht die Führung des Erregerfeld- Magnetflusses bei verschiedener Winkelposition des Rotors gegenüber dem Stator;

Fig. 6 ein Zeitdiagramm bzw. ein Diagramm in Abhängigkeit des Phasenwinkels ϕ für die drei Ströme I₁, I₂, I₃ in den zugehörigen Ankerwicklungen und die zugehörige Schaltfolge für die den jeweiligen Strom schaltenden Transistoren;

Fig. 7 schematisch die Sternschaltung der Ankerwicklungen und die zugehörige sogenannte B6-Drehstrombrücke mit den Transistoren T1 bis T6 und jeweils diesen parallel geschalteten Freilaufdioden, wobei diese Drehstrom- Brückenschaltung die aus elektronischen Schaltern gebildete Kommutierungsschaltung darstellt;

Fig. 8 die lineare Darstellung des erfindungsgemäß gestalteten Motors zur Darstellung der Durchflutungen und wirkenden Kräfte;

Fig. 9 eine erste Schaltung zur Versorgung der Drehstrombrücke mit zweigeteilter Feldwicklung, die in der Netzzuleitung des Gleichrichters angeordnet ist;

Fig. 10 eine weitere Schaltung zur Versorgung der Drehstrombrücke, bei der die Erregerwicklung zwischen Gleichrichter und Kommutator angeordnet ist, in Art eines Tiefsetzstellers;

Fig. 11 eine weitere Schaltung zur Versorgung der Drehstrombrücke, bei der die Erregerwicklung zwischen Gleichrichter und Kommutator angeordnet ist, in Art eines Hochsetzstellers, und

Fig. 12 schematisch die Versorgung der Drehstrombrücke und der Erregerwicklung in der Form, daß diese als Transformator ausgebildet ist, bei dem die Sekundärwicklung in der Zuleitung des Gleichrichters des Kommutators und die Primärwicklung am Wechselstromnetz liegt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist in axialer Draufsicht ein Schnittbild von Stator und Rotor des erfindungsgemäß gestalteten Motors bzw. Antriebs dargestellt. Der Stator 10 ist mit sechs vorspringenden Zähnen bzw. Polen 1, 2, 3, 1', 2' und 3' versehen. Diese Zähne 1 bis 3' springen nach innen auf die Achse 21 eines Rotors 20 vor. Der Rotor 20 ist mit vier Polen bzw. Zähnen 22 ausgestattet, die von der Achse 21 nach außen hin zeigen, und zwar auf die nach innen auf die Achse 21 hin vom Stator 10 vorspringenden Zähne 1 bis 3'. Der Rotor 20 besteht vollständig aus magnetischem Material und beim Stator 10 sind die Pole bzw. Zähne durch einen magnetischen Ring 14, der alle Zähne ringförmig umschließt, magnetisch miteinander verbunden, so daß dort ein magnetischer Ringschluß hergestellt ist und der Magnetfluß entsprechend fließen kann. Zwischen den nach innen weisenden Flächen der Zähne 1 bis 3' und den nach außen weisenden Zähnen 22 des Rotors 20 ist ein Luftspalt 15 vorhanden, über den der magnetische Schluß von Statorpol zu Rotorpol stattfindet. Dieser Magnetspalt sollte so klein wie möglich sein. Um die einzelnen Pole sind Ankerwicklungen angeordnet, so ist beispielsweise um den Pol 1 und den diametral gegenüberliegenden Pol 1' des Stators 10 die Ankerwicklung 11 angeordnet, um den Statorpol 2 und seinen diametral gegenüberliegenden Pol 2' die Ankerwicklung 12 und um den Pol 3 mit seinem diametral gegenüberliegenden Gegenpol 3' die Ankerwicklung 13. Die Ankerwicklungen 11, 12 und 13 sind in Sternschaltung miteinander verbunden. Zwischen den Polen 3' und 1 und 1' und 3 ist diametral über die Achse 21 hinweg eine Erregerwicklung 30 angebracht, die für die Felderregung im Stator 10 vorgesehen ist.

In Fig. 2 ist schematisch in axialer Draufsicht eine besondere Ausführungsform des Motors mit einer besonderen Anordnung einer zweigeteilten Erregerwicklung dargestellt. Die aus zwei Teilen 31 und 32 bestehende Erregerwicklung ist in besonderen Nuten 34 und 35 untergebracht. Dabei liegt die Nut 34 diametral gegenüber jeweils im wesentlichen in radialer Richtung gesehen hinter dem Statorpol 1 bzw. 1' und die Nut 35 liegt im wesentlichen in radialer Richtung gesehen hinter dem Statorpol 3 und 3'. Zwischen den Polen 1, 1' bzw. 3, 3' und den Nuten 34 bzw. 35 ist noch genügend magnetischer Querschnitt offengelassen zum Ringschluß 14. Die Erregerwicklung 30 ist dabei in zwei Teile 31 und 32 aufgeteilt, was, wie später noch dargestellt wird, bei einer bestimmten Schaltungsanwendung, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist, von besonderem Vorteil ist.

In Fig. 3 ist in derselben axialen Draufsicht auf Stator 10 und Rotor 20 der Rotor 20 in der Position 0° entsprechend der Einteilung in Fig. 1 dargestellt. Bei einem Strom durch die Erregerwicklung 30, der zwischen den Polen 3' und 1 aus der Ebene herauskommt und zwischen den Polen 1' und 3 in die Ebene hineinfließt, ergibt sich ein Feld um die Erregerwicklung herum, wie es durch die Pfeile 36 bei den Polen 3' und 1 und die Pfeile 37 bei den Polen 1' und 3 im Feldverlauf dargestellt ist. Bei der dargestellten Ausrichtung von 0°, bei der zwei Pole 22 des Rotors 20 mit den Polen 2 und 2' des Stators 10 genau ausgerichtet sind, fließt der Hauptteil des Erregerfeldes über den Ringschluß 14 und die sich gegenüberstehenden Statorpole 2' und 2 sowie die damit ausgerichteten Pole 22 des Rotors 20. Zur Momenterzeugung in Richtung des Drehpfeiles 38 werden die entsprechenden Ankerwicklungen bestromt bzw. ohne Strom gelassen.

In Fig. 4 ist der Rotor 20 in einer Position von etwa ϕ = 20° dargestellt und zeigt, daß das Erregerfeld über die Pole 1 und 2' und die entsprechend teilweise ausgerichteten Pole 22 in der oberen Hälfte des Rotors 20 fließt sowie über die Pole 1' und 2 und die entsprechend ausgerichteten beiden Pole 22 in der unteren Hälfte des Rotors 20 fließt.

In der Fig. 5 ist der Flußverlauf dargestellt, wenn zwei sich gegenüberstehende Pole 22 des Rotors 20 mit den Polen 1 und 1' des Stators 10 ausgerichtet sind. Es fließt dann jeweils nur ein geringer Streufluß über die nicht ausgerichteten Pole des Rotors und die diesem benachbarten Pole 2 und 2' bzw. 3 und 3' des Stators 10. Die Erregerwicklung 30, sei sie nun nur eine Wicklung wie in den Fig. 1 und 3 bis 5 vorausgesetzt oder die aus zwei Teilen 31 und 32 bestehende Erregerwicklung entsprechend der Fig. 2, erzeugt den in den Fig. 3 bis 5 bei verschiedenen Rotorstellungen dargestellten Verlauf des Erregerfeldes. Die Induktivität der Erregerwicklung ist idealerweise nicht, praktisch jedoch nur unwesentlich von der Rotorlage abhängig. Dadurch ist die Erregung nahezu unveränderlich mit der Rotorlage und erzeugt somit auch kein Rastmoment.

Anhand der Fig. 6 und der Fig. 7 soll anschließend die Erzeugung des Drehmomentes bei dem erfindungsgemäßen Antrieb und dem erfindungsgemäß gestalteten Motor dargestellt werden. In Fig. 6 ist über dem Winkel 9, der in Fig. 1 gradmäßig und richtungsmäßig dargestellt ist, der Strom I₁ für die Wicklung 11, der Strom I₂ für die Wicklung 12 und der Strom I₃ für die Wicklung 13 aufgetragen. In Fig. 7 ist eine sogenannte B6-Drehstrom-Brückenschaltung mit den Transistoren T1 bis T6, denen jeweils eine Freilaufdiode D parallel geschaltet ist, dargestellt. Diese Drehstrom- Brückenschaltung wird an den Eingängen 71 und 72 mit einer Gleichspannung U versorgt. Die Verbindung der Transistoren T1 und T4 ist an den Anfang der Wicklung 11 gelegt. Die Verbindung der Transistoren T2 und T5 ist an den Anfang der Wicklung 12 gelegt und die Verbindung T3 und T6 ist an den Anfang der Wicklung 13 gelegt. Die Enden der Wicklungen 11, 12 und 13 sind derart miteinander verbunden, daß diese drei Wicklungen in Sternschaltung verbunden sind.

Die Erzeugung eines Drehmomentes erfolgt in der entsprechend Fig. 1 dargestellten Rotorstellung durch Flußverstärkung an der Wicklung 11 und Flußschwächung an der Wicklung 12. Dazu wird, wie in Fig. 6 am Impuls-Schaubild und in Fig. 7 am Schaltbild dargestellt, der Transistor T1 und der Transistor T5 leitend geschaltet, so daß zwischen ϕ = 0° und 30° ein positiver Strom I₁ und ein negativer Strom I₂ fließt. Durch diese Flußverstärkung und Flußschwächung wird die Anziehung des Rotorzahns an die Wicklung 12 und den Zahn 2 vermindert und an die Wicklung 11 und den Zahn 1 und 1' verstärkt, so daß ein Moment im Uhrzeigersinn entsprechend dem Pfeil 38 in Fig. 3 daraus entsteht. Nachdem der Rotorzahn 22 die ausgerichtete Position von Wicklung 11 und Statorzahn 1 bzw. 1' erreicht hat, was bei dem Wert von ϕ = 30° erreicht ist, wird mit der Wicklung 11 und dem Zahn 1 der Erregerfluß geschwächt und mit der Wicklung 13 und über den Zahn 3 der Erregerfluß verstärkt, so daß wiederum ein Moment im Uhrzeigersinn entsteht. Dazu werden die beiden Transistoren T3 und T4 im Block leitend geschaltet, so daß der Strom I₁ durch die Wicklung 11 den negativen Wert annimmt und der Strom I₃ in Wicklung 13 positiv wird. In Wicklung 12 fließt kein Strom, d. h. der Strom I₂ ist gleich Null. Bei Erreichen des Wertes ϕ = 60° wird durch blockweises Einschalten der Transistoren T2 und T6 dafür gesorgt, daß ein positiver Strom 12 durch die Wicklung 12 zur Feldverstärkung fließt und ein negativer Strom I₃ durch die Wicklung 13 zur Feldschwächung fließt. Bei Erreichen des Wertes ϕ = 90° fängt der Zyklus von vorne an, so daß die Momentenbildung jeweils wie eben beschrieben weitergeht durch das blockweise Einschalten der entsprechenden Transistoren und die damit verbundene blockweise Bestromung der Ankerwicklungen. Die Drehstrombrücke, welche in Fig. 7 gezeigt ist, funktioniert also als elektronischer Kommutator für den Motor und bestromt die Wicklungen 11, 12 und 13 aus der am Eingang 71 und 72 anstehenden Gleichspannung U. Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn zwei paarweise einander zugeordnete Transistoren leitend sind, die anderen vier Transistoren jeweils sperren.

Die vorstehend beschriebene Momentenbildung ist anhand der Fig. 8 analytisch anhand eines linearen Modells des erfindungsgemäß gestalteten Motors und Antriebs hergeleitet. Der Stator 10 ist mit zwei Zähnen 1 und 2 dargestellt, die von den Ankerwicklungen 11 und 12 jeweils umgeben sind und eine Durchflutung Θ₁ bzw. Θ₂ erzeugen. Weiterhin ist der Stator 10 mit der Erregerwicklung 30 versehen, der die Durchflutung Θ_F erzeugt. Der Rotor 20 ist mit zwei seiner Zähne 22 dargestellt. Zwischen den Zähnen 22 des Rotors 20 und den Zähnen 1 bzw. 2 des Stators 10 besteht der Abstand des Luftspaltes δ. Am linken Zahn 22 des Rotors 20 greift eine Kraft F₁ und am rechten Zahn 22 greift eine Kraft F₂ an. Eine Verschiebung erfolgt in Richtung und um den eingezeichneten Weg x. Die Breite der Zähne 1 und 2 beträgt b und die Länge des gesamten Statorpaketes 1. Daraus ergibt sich ein Luftspalt-Volumen von

V₁ = δ.l.(b-x)

für den Zahn 1 und ein weiteres Luftspalt-Volumen V₂ von Zahn 2 gilt

V₂ = δ.l.x.

Für die Kraft gilt allgemein die Gleichung:

bzw. bei homogenem Magnetfeld im Luftspalt:

Für die Induktion gilt bei µ_r → ∞

für die Induktion im Zahn 1 gilt

und für die Induktion im Zahn 2 gilt

Für die Kraft F₁, die auf den Zahn 1, bei Schwächung des Erregerflusses wirkt, gilt nach dem Überlagerungsprinzip:

Für die Kraft F₂, die auf den Zahn 2, bei Stärkung des Erregerflusses wirkt, gilt nach dem Überlagerungsprinzip:

Daraus resultiert die Gesamtkraft

wobei für Θ₁ = Θ₂ = Θ_A, Θ_A ist die Ankerdurchflutung, bei der Drehstromtopologie folgt:

Dieses Ergebnis zeigt, daß bei gleichem Strom und gleicher Durchflutung im Vergleich zu einem geschalteten Reluktanzmotor bei gleichem Ankerstrom ein vierfaches Moment erzielt wird. Dies ist ein ganz erheblicher Vorteil vorliegenden Motors und vorliegenden Antriebs.

In Fig. 7 ist die aus sechs Transistoren T1 bis T6 bestehende Kommutierungsschaltung des erfindungsgemäßen Motors anhand einer sechspulsigen Brückenschaltung dargestellt. Diese Brückenschaltung hat an ihrem Eingang 71 und 72 eine Gleichspannung U anstehen. In den Fig. 9 bis 12 wird nachfolgend jeweils eine Speiseschaltung beschrieben, die die Gleichspannung an den jeweiligen Ausgängen 71 und 72 zur Verfügung stellt. Dabei enthalten diese Schaltungen auch jeweils die Integration der Erregung durch die Feldwicklung in verschiedener Weise.

Bei dem Beispiel, das in Fig. 9 dargestellt ist, ist eine Netzwechselspannung U_N~ an Eingänge 90 und 91 der Schaltung gelegt. Über einen Triac 92, der über einen variablen Schalter 93 angesteuert werden kann, wird mittels einer Phasenanschnittsteuerung unterschiedlich hohe Eingangswechselspannung an eine aus vier Dioden D1 bis D4 bestehende Gleichrichterbrücke gelegt. In den Wechselstromzuleitungen der Brücke ist jeweils ein Teil 31 bzw. 32 der zweigeteilten Feldwicklung, wie sie beispielsweise in der Fig. 2 dargestellt ist, eingefügt. Die Gleichrichterbrücke arbeitet auf einen Kondensator 95, der als Zwischenkreiskondensator bezeichnet werden kann. Parallel zu ihm ist mit einem Widerstand 94 und in Reihe dazu einem Transistor T_B eine Bremsschaltung eingeführt. Wird der Bremstransistor T_B leitend, dann wird über den Widerstand 94 die Ausgangsspannung kurzgeschlossen, so daß keine Spannung mehr auf den Kommutator gegeben werden kann. Zur Strombegrenzung ist ein Widerstand 96 vor dem Ausgangspol 72 eingefügt, um den durch die Transistoren T1 bis T6 bzw. allgemein durch die elektronischen Schalter fließenden Kommutierungsstrom zu begrenzen, damit diese elektronischen Schaltelemente keinen Schaden nehmen. Bei der Schaltung entsprechend Fig. 9 ist zu beachten, da die zweigeteilte Erregerwicklung 31 und 32 jeweils einen Teil in den Wechselspannungszuleitungen der Gleichrichterbrücke zu liegen haben, daß die Erregung des Motors mit der Netzfrequenz wechselt. In Anpassung daran, ist die Ansteuerung der Schaltelemente im Kommutator entsprechend zeitlich und von der Rotorlage abhängig anzupassen. Zur Steuerung des Kommutators bzw. der elektronischen Schaltelemente ist vorzugsweise ein entsprechend programmierter Mikroprozessor vorgesehen.

Auch die Versorgungsschaltung, die in Fig. 10 dargestellt ist, enthält einen aus den Dioden D1 bis D4 gebildeten Vollweggleichrichter, der an den Eingangsklemmen 90 und 91 mit der Netzwechselspannung U_N~ gespeist wird. Der arithmetische Mittelwert der Zwischenkreisspannung wird mittels Tiefsetzsteller mit Hilfe eines Transistors T gesteuert. Die Erregerwicklung 30 liegt in Reihe mit den Ankerwicklungen und wird vom Gesamtkommutierungsstrom durchflossen. Auch hier ist wieder ein Kondensator 95 und ein Strombegrenzungswiderstand 96 wie in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 9 vorgesehen sowie ein Bremstransistor T_B, zu dessen Schaltstrecke eine Diode D5 als Freilaufdiode parallel geschaltet ist. Bei dieser Schaltung wechselt die Erregung nicht in ihrer Polarität.

Die in Fig. 11 dargestellte Versorgungsschaltung ist in vielen Teilen gleich aufgebaut wie die Schaltung gemäß Fig. 10. Der wesentliche Unterschied besteht jedoch darin, daß sie als Hochsetzsteller aufgebaut ist. Dazu ist der Transistor T im Querzweig zwischen der Erregerwicklung 30 und dem einen Pol des Gleichrichters D1-D4 angeordnet. Die Diode D5 ist zwischen den Anschluß des Transistors T und dem Gleichspannungsausgang 71 mit ihrer Dioden-Kathoden-Strecke eingebaut. Diese Schaltung schafft die Möglichkeit, die Erregung zu beeinflussen. Der Erregerstrom kann über den Transistor T geführt werden, auch dann, wenn kein Ankerstrom abgefordert wird. Durch die ermöglichte hohe Spannung am Ausgang 71, 72 können hohe Drehzahlen erreicht werden.

In der Schaltungsanordnung, die in Fig. 12 dargestellt ist, wird die Eingangsnetzspannung U_N~ an den Eingängen 90 und 91 wiederum über einen Triac 92 mittels eines Schalters 93 in Phasenanschnittsteuerung in der Höhe variiert. Diese Eingangsspannung wird auf die Primärseite 131 eines Transformators 130 gegeben, dessen Sekundärseite 132 mit den beiden Wicklungsenden den Eingang zu dem aus den Dioden D1 bis D4 bestehenden Vollweggleichrichter bilden. Der eine Pol des Gleichrichters ist direkt auf den Ausgang 71 und der andere Pol des Gleichrichters über den Strombegrenzungswiderstand 96 auf den anderen Ausgang 72 der Spannungsversorgungsschaltung gelegt. Auch hier ist wiederum die Reihenschaltung aus einem Widerstand 94 und aus einem Bremstransistor T_B parallel zum Ausgang des Gleichrichters gelegt. Parallel dazu wiederum ein Kondensator 95 zur Stabilisierung der Ausgangsspannung U. Der Transformator 130 bildet die Erregerwicklung und dient sowohl zu galvanischen Trennung als auch zur Spannungstransformation zwischen Netz und Kommutator. Durch diese Schaltung ist es möglich, preisgünstige Leistungshalbleiter für kleine Spannungen einzusetzen. Allerdings eignet sich diese Schaltung prinzipbedingt aufgrund des Transformatorvolumens nur für verhältnismäßig kleine Motorleistungen. Anstelle des Transformators in Fig. 12 ist es auch möglich, eine Nebenschluß-Erregerwicklung vorzusehen. Die Erregung ist dann nicht mehr vom Belastungszustand des Antriebes bzw. von den Ankerströmen abhängig und es ergibt sich ein Nebenschlußverhalten des Antriebs. Dies kann auch, bei entsprechender Schaltung des Transistors T im Querzweig, für Hochsetzsteller gemäß Fig. 11 gelten.

Die Erfindung schafft einen elektronisch kommutierten Reihenschlußmotor mit einer oder zwei Feldwicklungen in einem genuteten Stator. Diese Feldwicklung ist in Reihe mit einer Kommutierungselektronik gestaltet. Das Erregerfeld weist somit einen periodischen Zeitverlauf auf. Die Kommutierungselektronik sorgt für das Bestromen der jeweils Moment bildenden Ankerwicklungen des Stators in blockweiser Art einzelner Phasen.

Bei diesem so gestalteten bürstenlosen Motor und Antrieb entfällt in vorteilhafter Weise der mechanische Kommutator, der durch eine Kommutierungselektronik ersetzt wird. Die Ankerwicklung wird gegenüber einem Universalmotor durch eine Drehfeldwicklung ersetzt. Die Vorteile liegen in verschiedenen Aspekten. So ist die Verschleißfreiheit durch Wegfall der Bürsten gegeben, wobei die Lebensdauer des Motors nur noch durch die Lebensdauer der Lager begrenzt wird. Mit kleinem Aufwand sind Zusatzfunktionen einfach zu realisieren, wie beispielsweise die Strombegrenzung, die Drehzahlregelung, das Bremsen und das Installieren eines Betriebsstundenzählers. Die Kommutierung erfolgt wie beim geschalteten Reluktanzmotor durch gleichzeitiges Schalten und blockweises Bestromen einzelner Phasen. Gegenüber diesem Motortyp weist der erfindungsgemäß geschaffene elektronisch kommutierte Reihenschlußmotor verschiedene Vorteile auf. So werden die Ankerwicklungen besser ausgenutzt. Bei gleichem Maximalstrom, der ein Bemessungskriterium für die Leistungshalbleiter darstellt, sowohl in Erregerwicklung als auch in den Ankerwicklungen kann gegenüber dem geschalteten Reluktanzmotor das vierfache Moment erreicht werden. Durch die Erregung des Motors werden vergleichsweise kleine Magnetisierungsenergien beim Umkommutieren der Ankerwicklungen mit dem Netz getauscht. Dadurch fällt die Notwendigkeit eines Zwischenkreises mit großen Speicherkapazitäten weg. Die Feldwicklungen dienen als passive oder aktive Eingangsfilter und vermindern damit Rückwirkungen der schaltenden Leistungshalbleiter in das Netz, wodurch das EMV-Verhalten wesentlich nachhaltig verbessert wird. Die Bestromung der in Sternschaltung ausgeführten Ankerwicklung kann durch preisgünstige marktgängige, in großen Stückzahlen für Asynchronmotoren produzierte Umrichterschaltungen, insbesondere bei Drehstromkommutierung mit B6-Brücken, realisiert werden.

Der erfindungsgemäß gestaltete Antrieb mit bürstenlosem elektrischem Motor und der bürstenlose elektrische Motor selbst sind insbesondere für den Einsatz bei Elektrowerkzeugen besonders geeignet. Hierbei kommt es auf der einen Seite auf erhebliche Robustheit des ganzen Aufbaus und hohe Dauerlastfähigkeit an, andererseits sind die Anforderungen an Regelgüte, pulsierendes Moment und pulsierende Leistung nicht so wesentlich. Entscheidend ist eine hohe Dauerleistung bei größtmöglicher Zuverlässigkeit und geringen Kosten. Dies wird mit der Erfindung erreicht.

Claims

1. Antrieb mit bürstenlosem elektrischen Motor, insbesondere für Werkzeuge, mit ausgeprägten Zähnen (1-3'; 22) im Stator (10) und im Rotor (20) des Motors, in Nuten des Stators vorgesehenen Ankerwicklungen (11, 12, 13), welche die zugeordneten Zähne umgreifen, und mit einer Felderregung, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Erregerwicklung (30; 31, 32) für die Felderregung im Stator (10) vorgesehen und diametral im Stator angeordnet ist,
die Feldführung über die Zähne (22) des Rotors (20), die Zähne (1-3') des Stators (10) und dessen Ringschluß (14) erfolgt,
die Ankerwicklungen (11, 12, 13) im Sinne einer Drehstromwicklung angebracht und in Sternschaltung geschaltet sind,
die Ankerwicklungen (11, 12, 13) zur Erzeugung des Drehmoments durch gleichzeitiges Ein- und Ausschalten blockweise bestromt werden,
zum Schalten der Ankerwicklungen elektronische Schalter (T1-T6), insbesondere in Form einer Drehstrom-Brückenschaltung, als elektronischer Kommutator vorgesehen sind und
die Erregerwicklung (30; 31, 32, 130) in Reihe mit den elektronischen Schaltern angeordnet ist.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (30, 31, 32) in besonderen diametral angeordneten Nuten des Stators (10) eingelegt ist.

3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (31, 32) zweigeteilt ist und jeweils ein Teil in einer Nut (34, 35), die im wesentlichen hinter jeweils einem Statorpol (1, 1'; 3, 3') angebracht ist, angeordnet ist, wobei die jeweiligen Statorpole (1, 1'; 3, 3') benachbart sind.

4. Antrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Zähne (1-3') des Stators (10) zur Zahl der Zähne (22) des Rotors (20) im ganzzahligen Verhältnis von 6 zu 4 steht.

5. Antrieb nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (T1-T6) mit Gleichstrom versorgt werden, der insbesondere über einen Gleichrichter (D1-D4) zuführbar ist, welcher von einem Wechselstrom-Versorgungsnetz gespeist wird.

6. Antrieb nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (30) mit aus einem Wechselstrom-Versorgungsnetz erzeugten Gleichstrom gespeist wird.

7. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (31, 32) zweigeteilt ist und je ein Teil in der wechselstrommäßigen Zuleitung der Gleichrichterbrücke (D1-D4) angeordnet ist (Fig. 9).

8. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (30) zwischen Gleichrichter (D1-D4) und Wechselrichter (T1-T6) geschaltet ist (Fig. 10, 11).

9. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung als Transformator (230) aufgebaut ist, dessen Primärwicklung (131) an das Netz (90, 91) und dessen Sekundärwicklung (132) an den Gleichrichter (D1-D4) gelegt ist (Fig. 12).

10. Antrieb nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Kommutierungsschaltung mittels eines Mikrokontrollers erfolgt.

11. Bürstenloser elektrischer Motor, insbesondere für Werkzeuge, mit ausgeprägten Zähnen (1-3'; 22) im Stator (10) und im Rotor (20) des Motors,
mit in Nuten des Stators (10) vorgesehenen Ankerwicklungen (11, 12, 13), welche die zugeordneten Zähne (1-3') umgreifen,
mit einer Erregerwicklung (30; 31, 32, 130) für die Felderregung im Stator (10), die diametral in besonderen Nuten im Stator angeordnet ist, und
mit Ankerwicklungen (11, 12, 13), die in Sternschaltung miteinander verbunden sind.

12. Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in Ausrichtung über einen Luftspalt (15) gegenüberstehenden Flächen von Stator (1-3') und Rotorzahn (22) im wesentlichen gleich groß sind und konzentrisch zur Rotorachse (21) ausgerichtet sind.

13. Motor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (34, 35), in welcher die Erregerwicklung (30, 31, 32) eingelegt ist, im wesentlichen hinter einem der Statorpole (1-3') vorgesehen ist, wobei der Magnetfluß über diesen Statorpol möglichst ungeschmälert ist.

14. Motor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei zweigeteilter Erregerwicklung (31, 32) jeweils ein Teil in einer Nut (34, 35), die im wesentlichen in radialer Richtung von der Rotorachse (21) aus gesehen hinter der Polfläche des entsprechenden Statorzahns (1, 1'; 3, 3'), die dem Rotorpol (22) in dessen Ausrichtung gegenübersteht, angeordnet ist, wobei die jeweiligen Statorpole (1, 1'; 3, 3') unmittelbar benachbart sind und der Magnetfluß über jeden Statorpol möglichst ungeschmälert ist.

15. Motor nach einem der Ansprüche 11-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Zähne (1-3') des Stators (10) zur Zahl der Zähne (22) des Rotors (20) im ganzzahligen Verhältnis von 6 zu 4 steht.

16. Motor nach einem der Ansprüche 11-15, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (20) allein aus magnetischem Material besteht.