DE212009000036U1

DE212009000036U1 - Klauenpolmotor

Info

Publication number: DE212009000036U1
Application number: DE212009000036U
Authority: DE
Original assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2008-04-05
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2019-01-27
Also published as: DE112009000421A5; WO2009121444A1; DE202009004395U1

Abstract

Elektronisch kommutierter Klauenpolmotor, welcher aufweist:
Einen permanentmagnetischen Rotor (20), der n Rotorpole hat;
einen Klauenpolstator (30), der zwei durch ein Teil (58, 70) miteinander verbundene Klauenpolelemente (48, 50) und n Klauenpole (60, 62, 76, 78) aufweist,
wobei die Klauenpole (60, 62) eines ersten Klauenpolelements (48) zusammen mit dem permanentmagnetischen Rotor (20) ein erstes magnetisches System bilden, und die Klauenpole (76, 78) des zweiten Klauenpolelements (50) zusammen mit dem permanentmagnetischen Rotor (20) ein zweites magnetisches System bilden, welche magnetischen Systeme im Betrieb zusammenwirken und magnetisch teilweise oder ganz entkoppelt sind, so dass bei stromlosem Motor und in einer stabilen Ruhestellung des Rotors (20) mindestens ein Klauenpol (60, 62, 76, 78) sowohl einem Teil eines benachbarten Rotor-Südpols wie einem Teil eines benachbarten Rotor-Nordpols gegenüber liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Klauenpolmotor mit einem Klauenpolstator und einem permanentmagnetischen Rotor.
Derartige Klauenpolmotoren sind gewöhnlich für eine vorgegebene Drehrichtung ausgelegt, und häufig sind sie für einen Start in einer vorgegebenen Richtung optimiert. Dagegen ist ein direkter Start in der Gegenrichtung meist nicht möglich, sondern man braucht hierzu ein spezielles Startverfahren.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Klauenpolmotor bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1.
Ein solcher Motor startet beim Einschalten gewöhnlich aus einer stabilen Ruhestellung. Durch den Gegenstand des Anspruchs 1 erreicht man eine stabile Ruhestellung, welche den Start in keiner der beiden Drehrichtungen besonders bevorzugt, also sozusagen neutral ist. Vorteil hierbei ist, dass man einen Standardstator verwenden kann (der aber auch für den Start in einer vorgegebenen Drehrichtung optimiert sein könnte), und dass man diesen Stator durch einfache Maßnahmen für den Start in beide Drehrichtungen optimieren kann, so dass man einen bidirektionalen Motor erhält.
Dies ist besonders wichtig für Geräte, die zum Lauf in beiden Drehrichtungen geeignet sein müssen, z. B. für solche Lüfter, bei denen der Lufttransport in beiden Richtungen möglich sein muss, aber auch für andere Motoren.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:
1 eine Explosionsdarstellung eines elektronisch kommutierten Klauenpolmotors,
2 einen Längsschnitt durch einen Lüfter, der von einem Motor gemäß 1 angetrieben wird,
3 eine schematische Darstellung des Zusammenwirkens der Teile des Motors nach den 1 und 2,
4 eine Darstellung zum Erläutern einer Modifikation mit dem Zweck, eine günstigere stabile Startposition für bidirektionalen Betrieb zu erhalten, und
5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der 4.
Die 1 bis 3 zeigen die wesentlichen Teile eines vierpoligen Außenläufer-Klauenpolmotors. Dieser Motor ist als ECM ausgebildet und hat einen permanentmagnetischen Rotor 20. Dieser hat einen glockenförmigen ferromagnetischen Rückschluss (yoke) 22 aus weichferromagnetischem Material. Bei diesem Beispiel ist ein ringförmiger Rotormagnet 24 vierpolig magnetisiert, wie das 3 schematisch zeigt. Dieser Ringmagnet 24 ist auf der Innenseite der Rotorglocke 22 befestigt.
Die Magnetisierung des Magnetrings 24 ist bevorzugt rechteckförmig oder trapezförmig mit vier schmalen Lücken 26A, 26B, 26C, 26D zwischen den Rotorpolen. Bei einem symmetrischen Klauenpolmotor suchen die Pollücken 26 in einem solchen Fall bei stromlosem Motor die Stellen mit größtem Luftspalt, wie das in 3 dargestellt ist, und das sind dann die stabilen Startstellungen, d. h. der Motor nach 3 hat vier stabile Startstellungen, von denen eine dargestellt ist. Aus dieser Stellung kann der Motor jedoch nicht starten. Es ist möglich, durch Modifikationen an den Klauenpolblechen, oder durch Verwendung spezieller Positioniermagnete, diese stabile Stellung zu verändern, um ein Starten des Motors zu ermöglichen.
Außerdem hat der Motor auch vier instabile Startstellungen, bei denen der Rotormagnet 24 gegenüber 3 um etwa 45° mech. weiter gedreht ist, sei es im Uhrzeigersinn, sei es entgegen dem Uhrzeigersinn, so dass sich z. B. die Pollücke 26A entweder in der Neun-Uhr-Stellung oder in der Zwölf-Uhr-Stellung befindet. Wenn der Motor neu ist, kommen diese instabilen Startstellungen praktisch niemals vor, da sich der Rotor dann regelmäßig in eine stabile Startstellung dreht, aber wenn die Lager schlechtgängig geworden sind, kann es geschehen, dass der Rotormagnet 24 in einer dieser instabilen Rotorstellungen stehen bleibt. Der Magnetring 24 kann selbstverständlich auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt werden, sei es aus mehreren Ringen, oder aus mehreren Segmenten.
Die Rotorglocke 22 ist über eine Buchse 26 mit einer Welle 28 verbunden, vgl. 1. Dort ist links der Rotor 20 im zusammengebauten Zustand dargestellt, und rechts in Explosionsdarstellung.
1 zeigt links die Teile des Stators 30. Dieser hat eine Ringspule 32, und diese hat einen Spulenkörper 34 mit oberen Vorsprüngen 36 und unteren Vorsprüngen 38, wobei die Vorsprünge 36 an einem oberen Flansch und die Vorsprünge 38 an einem unteren Flansch 40 des Spulenkörpers 34 angebracht sind. Am unteren Flansch 40 sind auch elektrische Verbindungselemente 42 für die Anschlüsse der Wicklungen 44 der Ringspule 34 vorgesehen. Eine solche Spule 34 hat oft eine Antriebsspule (mit dickem Draht) und eine Sensorspule (mit dünnem Draht). Letztere dient in diesem Fall zur Steuerung der Kommutierung. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Kommutierung durch einen Hallsensor 46 gesteuert, der auch in 2 und 3 dargestellt ist.
Der Motor hat ein oberes Klauenpolelement oder -blech 48 und ein unteres Klauenpolelement oder -blech 50. Diese können identisch aufgebaut sein, doch gibt es auch Motoren, wo das obere Klauenpolblech und das untere Klauenpolblech verschieden sind. Es gibt hier sehr viele unterschiedliche Varianten, und die Darstellung nach 1 stellt nur eine von diesen Varianten dar. Die Klauenpolbleche sind aus ferromagnetischem Material tiefgezogen.
Das obere Klauenpolelement 48 hat ein flaches Mittelteil 52 mit zwei Löchern 54, 56, die zur Aufnahme der Vorsprünge 36 der Ringspule 34 dienen. innen am Mittelteil 52 befindet sich ein Rohr 58, und außen befinden sich die Klauenpole 60, 62.
In gleicher Weise hat das untere Klauenpolelement 50 ein flaches Mittelteil 66, an dem sich zwei Löcher 68 befinden, die zur Aufnahme der Vorsprünge 38 der Ringspule 34 dienen. Innen am Mittelteil 66 befindet sich ein Rohr 70, das bei der Montage in das Rohr 58 geschoben wird und – bei bekannten Motoren – zusammen mit diesem einen Teil des magnetischen Kreises des Stators 30 bildet.
Dabei befinden sich die beiden Rohre 58, 70 im Inneren der Ausnehmung 74 der Ringspule 34. Das untere Polblech 50 hat ebenfalls Klauenpole 76, 78, die mit dem Magnetring 24 zusammen wirken.
3 zeigt, wie die Polbleche 48, 50 klauenartig ineinander greifen. Bei 3 verlaufen die Polbleche 48, 50 rechtwinklig zueinander, doch sind auch andere Winkelabstände möglich.
Wie 2 zeigt, ist beim zusammengebauten Motor die Welle 28 mittels zweier Kugellager 82, 84 in einem Lagerrohr 86 gelagert. Unten ist die Welle 28 durch einen Sprengring 90 gesichert. Das Lagerrohr 86 ist in einem Trageflansch 92 befestigt, an dem über einen Steg 94 ein Lüftergehäuse 96 befestigt ist. Über den Steg 94 verläuft eine Anschlussleitung 98 zur Stromversorgung.
Auf dem Rückschlussteil 22 befindet sich bei diesem Beispiel ein Lüfterrad 100, dessen Lüfterflügel mit 102 bezeichnet sind. In manchen Fällen wird gewünscht, dass dieses Lüfterrad in beiden Drehrichtungen gestartet und gedreht werden kann.
Im Flansch 92 ist mittels einer Schraube 104 eine Leiterplatte 106 befestigt, auf welcher der Hallsensor 46 und andere (nicht dargestellte) elektronische Bauelemente des Motors angeordnet sein können. Zum Verspannen der beiden Kugellager 82, 84 gegen einander ist eine Spannfeder 108 vorgesehen. Die Spule 44 ist über einen Leiter 108 an die Leiterplatte 106 angeschlossen.
Betrachtet man 3, so sieht man, dass die beiden Statorpole 60, 62 des oberen Polblechs 48 zwei gleichnamigen Polen des Magnetrings 24 gegenüber liegen, z. B. bei der Darstellung gemäß 3 zwei Nordpolen. Diese Kopplung der gleichnamigen Pole über das Polblech bewirkt eine abstoßende Kraft. Man kann es auch so ausdrücken, dass der obere Statorpol 62 in dieser Drehstellung wie ein magnetischer Nordpol wirkt, der einem magnetischen Nordpol des Magnetrings 24 gegenüberliegt, wodurch sich diese Pole gegenseitig abstoßen und bestrebt sind, den Magnetring 24 von dieser abstoßenden Stellung weg zu drehen bis zu einer Stellung, wo diese abstoßende Wirkung genügend klein ist.
Gleichzeitig gibt es eine magnetische Kopplung zwischen den Nord- und Südpolen des Magnetrings über das untere Polblech 50, die Rohre 58, 70, und das obere Polblech 48. Diese Kopplung wirkt der beschriebenen abstoßenden Wirkung entgegen.
Macht man das Drehmoment durch diese anziehende Wirkung kleiner als das Drehmoment durch die beschriebene abstoßende Wirkung, so dreht sich der Rotor 20 in Richtung zur Stellung gemäß 4, die für einen Anlauf in beide Drehrichtungen besonders günstig ist.
In der Praxis kann man eine solche unterschiedliche Größe der erzeugten Drehmomente dadurch erreichen, dass man die Rohre 58, 70 aus einem schlecht ferromagnetischen Werkstoff herstellt, oder sogar aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff, z. B. aus Messing, da dann der Magnetfluss vom oberen Klauenpolelement über die Rohre 58, 70 zum unteren Klauenpolelement sehr schwach oder sogar unterbrochen wird, so dass an den unteren Klauenpolen 76, 78 auf diesem Weg kein Magnetpol erzeugt wird, so dass beim oberen Klauenpolelement 48 nur die abstoßende Wirkung zwischen diesem und dem Magnetring 24 erhalten bleibt.
Dieses Drehmoment verdreht dann den Magnetring 24 so lange, bis, wie in 4 dargestellt, die eine Hälfte eines Statorpols, z. B. des Pols 62, einem Nordpol und die andere Hälfte dieses Statorpols 62 einem Südpol des Magnetrings 24 gegenüber liegt. In diesem Fall, der in 4 dargestellt ist, wird der Magnetfluss im oberen Klauenpolelement 48 zu Null. Es handelt sich um eine stabile Ruhestellung, die gegenüber der stabilen Rotorstellung gemäß 3 um 45° mech. versetzt ist. Dasselbe gilt dann – wegen der Symmetrie der Anordnung – für das untere Klauenpolelement 50, d. h. auch in diesem wird der Magnetfluss zu Null.
Indem man also das obere System vom unteren System magnetisch teilweise oder ganz entkoppelt, ergibt sich in überraschender Weise eine andere stabile Ruhestellung des Magnetrings 24 als bei einer Struktur, bei der diese Systeme über weichferromagnetische Rohre 58, 70 magnetisch gekoppelt sind, da in letzterem Fall die Ruhestellung dadurch erzwungen wird, dass ein abstoßendes und ein anziehendes Drehmoment gegeneinander wirksam sind.
5 zeigt eine schematische Darstellung des oberen Klauenpolelements 48 und des unteren Klauenpolelements 50, die durch ein Teil 58, 70 miteinander verbunden sind. Dieses Teil besteht bei 5 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, z. B. aus Messing. Dadurch wird der magnetische Widerstand RM2 zwischen dem oberen Klauenpolelement 48 und dem unteren Klauenpolelement 50 vergrößert, und der magnetische Widerstand RM1 des oberen Klauenpolelements bleibt unverändert.
Der magnetische Widerstand RM2 kann z. B. dadurch verändert werden, dass im Rohr 58, 70 eine magnetische Engstelle 90 vorgesehen wird, an welcher das Eisen dieses Rohres in die magnetische Sättigung geht.
Den Wert von RM1 kann man verändern, indem man das obere Klauenpolelement 48 aus einem besseren Werkstoff herstellt, oder aus einem dickeren Blech, oder indem man auf das obere Klauenpolelement 48 ein zusätzliches Blech auflegt, das die Form des Klauenpolelements 48 hat. Auch eine Erhöhung der Polzahl ist möglich.
Auf diese Weise ergeben sich zahlreiche Varianten, unter denen man auswählen kann. Naturgemäß sind deshalb im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.

Claims

Elektronisch kommutierter Klauenpolmotor, welcher aufweist: Einen permanentmagnetischen Rotor (20), der n Rotorpole hat; einen Klauenpolstator (30), der zwei durch ein Teil (58, 70) miteinander verbundene Klauenpolelemente (48, 50) und n Klauenpole (60, 62, 76, 78) aufweist, wobei die Klauenpole (60, 62) eines ersten Klauenpolelements (48) zusammen mit dem permanentmagnetischen Rotor (20) ein erstes magnetisches System bilden, und die Klauenpole (76, 78) des zweiten Klauenpolelements (50) zusammen mit dem permanentmagnetischen Rotor (20) ein zweites magnetisches System bilden, welche magnetischen Systeme im Betrieb zusammenwirken und magnetisch teilweise oder ganz entkoppelt sind, so dass bei stromlosem Motor und in einer stabilen Ruhestellung des Rotors (20) mindestens ein Klauenpol (60, 62, 76, 78) sowohl einem Teil eines benachbarten Rotor-Südpols wie einem Teil eines benachbarten Rotor-Nordpols gegenüber liegt.
Motor nach Anspruch 1, bei welchem der magnetische Kreis des Klauenpolstators (30) unsymmetrisch ausgebildet ist.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem mindestens eines der Klauenpolelemente (48, 50) im Verhältnis zum anderen Klauenpolelement verstärkt ist, um dessen magnetischen Widerstand (RM1) zu verkleinern.
Motor nach Anspruch 3, bei welchem das Klauenpolelement (48, 50) dadurch verstärkt ist, dass ihm, zumindest bereichsweise, ein Verstärkungselement aus weichferromagnetischem Werkstoff zugeordnet ist.
Motor nach Anspruch 3, bei welchem eines der Klauenpolelemente (48, 50) dadurch verstärkt ist, dass es aus einem höherwertigen ferromagnetischen Werkstoff hergestellt ist.
Motor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei welchem der Materialquerschnitt des mindestens einen Klauenpolelements (48, 50) erhöht ist.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher als bidirektionaler Antriebsmotor ausgebildet ist.