DE2321022C2 - Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem axialen Luftspalt - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem axialen Luftspalt gemäß Patent 25 442.

Im Hauptpatent ist bereits geschützt, daß ein Teil aus magnetisch leitendem Werkstoff im Bereich des Luftspalts vorgesehen ist, das sich entgegen der Drehrichtung des Rotors verjüngt. Während in der DE-OS 22 43 923 die vorteilhafte Aufteilung eines solchen magnetisch leitenden Teils für eine bessere Funktion vorgeschlagen wird und auch schon wo solche ferromagnetischen Elemente im Luftspaltbereich zu positionieren sind, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Funktion noch weiter zu verbessern im Sinne von besserem Anlauf, von Betriebsverhalten, insbesondere zur Erzielung eines möglichst gleichmäßigen Gesamtmoments. Es geht also bei dieser Weiterbildung des Hauptpatents um eine optimalere Form des Eisenvolumens des magnetisch leitenden Werkstoffes im Luftspaltbereich.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Es hat sich gezeigt, daß eine gute Funktion eines erfindungsgemäßen Motors vor allem bei etwa trapezförmiger Magnetisierung der Rotorpole erzielt wird.

Verwendet man bei solchen Motoren eine Drehzahlregelung, so ist es wichtig, daß der Strom den Wicklungen möglichst genau dann zugeführt wird, wenn die in den Wicklungen durch den permanentmagnetischen Rotor induzierten Spannungen jeweils etwa ihr Maximum haben, das heißt, wenn Stator- und Rotorpole etwa um 90' elektrisch gegeneinandei versetzt sind. Im Interesse eines guten Wirkungsgrades und eines gleichmäßigen Laufes sollte der Strom in den Wicklungen möglichst nur in den Zeitbereichen um diese Punkte herumfließen, das heißt, der Strom fließt in einem solchen Fall jeweils nur während eines relativ kleinen Prozentsatzes einer Rotorumdrehung und man erhält deshalb große Momentenlücken, die nach der Lehre des Hauptpatents durch das Reluktanzmoment gefüllt werden müssen, damit man an der Motorwelle ein etwa gleichmäßiges Moment zum Antrieb eines anzutreibenden Gerätes erhält.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrommotor, gesehen längs der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Motor nach Fig. 1. gesehen längs der Linie H-II der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt, gesehen längs der Linie III-III der Fig. 1, in vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf einen Teil des Permanentmagnet-Rotors nach den Fig. 1 und 2, gesehen längs der Linie IV-IV der Fig. 2, wobei die Achse und die Tragteile des Permanentmagneten der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt sind; Fig. 4 ist gegenüber den Fig. 1 und 2 in einem etwas verkleinerten Maßstab dargestellt,

Fig. 5 eine Regelschaltung für den drehzahlgeregelten Betrieb des in den Fig. 1-4 dargestellten Motors,

Fig. 6 Schaubilder zum Erläutern der vorhergehenden Figuren,

Fig. 7 und 8 zwei schematische Darstellungen zur Erläuterung einer stabilen und einer labilen Ruhestellung des Rotors,

Fig. 9 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors.

Fig. 10 einen Schnitt, gesehen längs der Linie X-X der Fig. 9,

Fie. 11 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors,

Fig. 12 einen Schnitt, gesehen längs der Linie XII-XII der Fig. 11.

Fig. 13 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfin-

dungsgemäßen Gleichstrommotors,

Fig. 14 einen Schnitt, gesehen längs der Linie XIV-XIV der Fig. 13,

Fig. 15 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors,

Fig. 16 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors, und

Fig. 17 einen Schnitt, gesehen längs der Linie XVII-XVII der Fig. 16.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine aus einem isolierenden Werkstoff bestehende Platte 10, welche Ausnehmungen aufweist, in denen zwei eisenlose Flachspulen 11 und 12 befestigt sind, welche sich diametral gegenüberliegen. Die Platte 10, die auch die (nicht dargestellten) Schaltungselemente des Motors 9, sowie des zugehörigen Reglers trägt, weist 4 Befestigungsiöcher 13 auf. In ihrer Mitte hat sie eine Ausnehmung 14, durch welche eine Welle 15 ragt, die an ihrem unteren Ende in (nicht dargestellten) Lagern gelagert ist. Wie Fig. 2 zeigt, sind auf dieser Welle 15 durch eine Distanzhülse 20 in einem genau vorgegebenen Abstand voneinander gehalten, zwei Weicheisenscheiben 16 und

17 befestigt, auf denen axial polarisierte Ringmagnete

18 bzw. 19 befestigt sind. Die genaue Form der Polarisierung des Ringmagnets 18. welche zu derjenigen des Ringmagnets 19 spiegelbildlich ist. geht aus Fig. 4 hervor. Danach verlaufen die Pollücken 22 hier nicht genau radial nach auswärts, sondern unter einem Winkel-delta zu einem gedachten Radiusvektor 23, welcher durch die jeweilige Pollücke 22 verläuft.

Die Ringmagnete 18 und 19 weisen, wie aus der untersten Zeile von Fig. 6 hervorgeht, eine etwa trapezförmige Magnetisierung auf.

In Fig. 4 ist die ungefähre Richtung der Längsachse einer Pollücke 22 mit 24 bezeichnet. Da sich der Rotor 26. der im wesentlichen aus den Teilen 16-20 sowie der zugeordneten Welle 15 besteht, in Richtung des Pfeiles 25 (Fig. 1 und 4) dreht, erkennt man. daß die Pollücken 22 entgegen der Drehrichtung gegenüber dem Radiusvektor 23 verdreht sind. Bei der in Fig. 4 dargestellten bevorzugten Ausfuhrungsform sind die Pollücken 22 außerdem noch entgegen der Drehrichtung gekrümmt, wie das aus der zeichnerischen Darstellung klar hervorgeht.

Die Flachspulen 11 und 12 haben Anschlüsse 27-30, die direkt nach außen geführt sind. Zweckmäßig wickelt man beide Spulen bifilar, wobei dann ihre Mittelanschlüsse direkt durchverbunden werden können und nicht gesondert herausgeführt werden müssen. Dies ist in der DE-OS 22 39 167 beschrieben. Die Spulen sind gesehnt, also jeweils kürzer als der zugehörige Polbogen und ihre magnetisch aktiven Abschnitte 33 und 34 bzw. 35 und 36 verlaufen jeweils etwa parallel zueinander. Wie sich aus den Fig. 1 und 4 ohne weiteres ergibt, ist der Motor 9 4polig ausgebildet, so daß einem mechanischen Winkel von 180' ein elektrischer Winkel von 360° entspricht.

Neben der Spule 12 ist ein Hallgenerator 42 auf der Platte 10 befestigt, und zwar liegt er auf einem Radiusvektor 37, weicher einen Winkel von 45" (90" elektrisch) mit der gemeinsamen Achse der Spulen 11 und 12 einschließt. Seine Anschlüsse sind mit 43 bezeichnet.

Ferner sind auf der der Drehrichtung entgegengesetzten Seite der Spule 11 und an sie anschließend ferromagnetische Elemente 45 angeordnet, welche, wie dargestellt, nebeneinanderliegen, aber einen Abstand voneinander aufweisen, der von ferromagnetischen Teilen frei ist. Die Form der (identischen) Elemente 45 geht klar aus Fig. 3 hervor.

Die Elemente 45 sind als zylindrische Stifte aus Weicheisen ausgebildet. Wie Fig. 1 zeigt, nimmt ihr mit den Rotorpolen in Wechselwirkung tretendes aktives Eisenvolumen in Drehrichtung gesehen in einem ersten Winkelbereich α etwa monoton zu und dann in einem zweiten Winkelbereich β etwa monoton ab, wobei β bei einem geregelten Antrieb, wie er im folgenden dargestellt und beschrieben wird, größer ist als a. Das Maximum des aktiven Eisenvolumens ist in Drehrichtung um einen Winkel γ gegenüber der Längsachse 46 versetzt, welche senkrecht zu der die Mitten der beiden Spulen 11 und 12 verbindenden Achse verläuft. Wie man erkennt, befindet sich der in Drehrichtung gesehen vorderste Eisenstift 45' direkt neben dem Spulenabschnitt 33 und am Außenumfang des von den Rotormagneten 18 und 19 überstrichenen Gebiets. Längs dieses Außenumfangs ist auch die größte Zahl von Stiften 45 angeordnet, während in den dazu parallelen Bahnen immer weniger Stifte angeordnet sind, wie das aus Fig. 1 hervorgeht.

Wegen der Symmetrie des Motors bezüglich seiner Drehachse können mit Vorteil auch einige oder mehrere der Stifte 45 auf der diametral gegenüberliegenden Seite des Stators 10 angeordnet werden. Si) könnte man bei Fig. 1 zum Beispiel die 5 mit 45" bezeichneten Stifte weglassen und dafür die 5 mit 48 bezeichneten, diametral gegenüberliegenden Stifte vorsehen, wodurch die auf den Rotor 26 wirkenden axialen Kräfte gleiehmäßiger würden und sich im übrigen an der Wirkungsweise des Motors nichts ändern würde.

Die Eisenstifte 45 dienen dazu, im Betrieb des Motors ein zusätzliches Moment von ganz bestimmter Form zu erzeugen, welches das von den Spulen ίί und 12 erzeugte, elektromagnetische Antriehsmoment ergänzt. Dieses Antriebsmoment weist bei einem Motor der dargestellten Art Lücken auf, da der Hallgeneralor 42 zyklisch die Spulen 11 und 12 nacheinandereinschaltet und mindestens während der Komutierung in keiner der beiden Spulen ein Strom fließt. Hierbei entsteht eine Momentlücke, die gemäß dem Hauptpatenl 22 25 442 durch ein magnetisch erzeugtes Moment ausgefüllt wird, das als Reluktanzmoment bezeichnet wird. Bei einem Motor, dessen Drehzahl auf einen konstanten Wert geregelt wird, hat es sich als zweckmäßig und vorteilhaft erwiesen, die Zeit, während der in den Spulen 11 oder 12m> ein Strom fließt, noch kürzer zu machen, das heißt, die für die Kommutierung an sich erforderliche Pause stark zu verlängern.

Man erhält in diesem Fall nur kurze, impulsartig antreibende elektromagnetische Momente und relativ große Momentenlücken. Das Reluktanzmoment muß also in einem großen Winkelbereich wirksam werden, um die Momentenlücken des elektromagnetischen Moments voll auszufüllen und an der Welle 15 ein von Pendelmomenten im wesentlichen freies Abtriebsmoment zur Verfügung stellen zu können.

Fig. 5 zeigt eine Regelschaltung der erwähnten Art. An die Anschlüsse 27 und 29 der beiden Flachspulen 11 und 12 sind 2 Dioden 68 bzw. 69 angeschlossen, deren Kathoden mit einer Leitung 70 verbunden sind, an welcher man im Betrieb eine wellige Spannung U_1n erhält, deren Amplitude der Drehzahl des Rotors 26 proportional ist.

Der Hallgenerator 42, dessen einer Anschluß an eine Minusleitung 61 angeschlossen ist, ist über einen Widerstand 83 in Serie mit der Emitter-Kolleklor-Strccke eines Transistors 84 an eine Plusleitung 60 geführt. Die

Ausgangsspannungen des Hallgenerators 42 werden den Basen zweier npn-Transistoren 38 und 39 zugeführt, deren Emitter mit der Minusleitung 61 und deren Kollektoren mil den Spulenanschlüssen 27 bzw. 29 verbunden sind.

Die Spannung M₇₀ wird einer phasenschiebenden Siebkette 85 zugeführt, und zwar über einen Spannungsteiler mit einem Potentiometer 86 und einem damit in Reihe liegenden NTC-Widerstand 87. welcher zur Kompensation der temperaturabhängigen remanenten Induktion des Rotors 26 dient, welche Induktion mit steigender Temperatur abnimmt.

Die phasenschiebende Siebkette 85 besteht beim vorliegenden Ausführungsbeispiel aus drei in Reihe geschalteten R-C-Gliedern, von denen das erste gebildet wird von den Widerständen 86. 87 und einem Kondensator 88, das zweite von einem Widerstand 89 und einem Kondensator 90 und das dritte von einem Widersland 93 und einem Kondensator 94. Zwischen dem Kondensator 88 und dem Kondensator 90 liegt eine Zener-Diode 95, deren Anode über einen Widerstand 96 mit der Minusleitung 61 verbunden ist. Diese Zener-Diode bewirkt, daß das Potential am Punkt 70, welches im Betrieb positiver ist als das Potential an der Plusleitung 60, um einen konstanten Betrag in negativer Richtung verschoben wird, so daß das Potential an der Anode der Zener-Diode 95 kleiner ist als das Potential tier Leitung 60. Eine solche Siebkette bewirkt einmal eine Phasenverschiebung der Phase der Spannung U₇,, (I-ig. 5 und 6), um etwa 180", wobei es sich gezeigt hat, daß die Kondensatoren ziemlich große Toleranzen haben können. Ferner bewirkt diese Siebkette 85 eine Glüttung der stark welligen Spannung U_1n, so daß man an dem in Fig. 5 mit 97 bezeichneten Ausgang der Siebketle 85 eine Spannung U₉₇ erhält, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Größe und Phasenlage dieser Spannung f/,,7 sind durch die Dimensionierung der Siebkette 85 festlegbar.

Diese Spannung «₉₇ wird der Basis eines pnp-Transistors 100 zugeführt, dessen Emitter an der Plusleitung 60 liegt, während sein Kollektor über einen Widerstand ΙΟΙ, einen Knotenpunkt 102 und einen Widerstand 103 mit der Minusleitung 61 verbunden ist. Der Punkt 102 ist mit der Basis des Transistors 84 verbunden.

Wie man ohne weiteres erkennt, bewirkt ein Negativwerden des Punktes 97 gegenüber der Plusleitung 60, daß der Transistor 100 und mit ihm auch der npn-Transistor 84 leitend werden. Da die Spannung M₉₇ eine relativ geringe Welligkeit haben kann, kann man den Hin- und Ausschaltvorgang sehr »weich« machen, wodurch sich in Fig. 6 in der 3. Reihe von oben dargestellte Form des Stromes in den Spulen 11 und 12 ergibt. Man erhält hierdurch einen ruhigen Lauf des Motors, sehr geringe Funkstörungen und niedrige Spannungsspit/en beim Abschalten. Der Wirkungsgrad ist sehr gut, da die Spulen 11, 12 wie dargestellt gerade im Spannungsmaximum Strom erhalten. Falls der Ein- und Ausschaltvorgang schnell verlaufen soll, um Verluste in den Transistoren 38 und 39 zu vermeiden, kann dies ebenfalls durch entsprechende Bemessung der Siebkette 85 erreicht werden.

Die Ströme /_w und J₃₉ in den beiden Spulen 11 und 12 erzeugen am Rotor 26 ein elektromagnetisches Antriebsmoment M_eh dessen Verlauf in Fig. 6 in der 4. Reihe von oben mit strichpunktierten Linien dargestellt ist. Dieses Moment weist ersichtlich sehr große Lücken auf, welche größer als 90° elektrisch sein können und in diesen Lücken wird das durch die eingangs beschriebenen ferromagnetischen Elemente 45 erzeugte Reluktanzmoment M_rct wirksam, dessen Verlauf in Fig. 4 ebenfalls in der 4. Reihe von oben dargestellt ist. Hierbei wird erfindungsgemäß erreicht, daß M_e, und M_reb wie dargestellt, etwa spiegelbildlich zueinander verlaufen und daß das Reluktanzmoment in den Lücken des elektromagnetischen Moments M₁,,, also zum Beispiel zwischen den Zeitpunkten I₁ und Z₂ in Fig. 6 einen im wesentlichen konstanten Verlauf hat. Dies ist desto halb wichtig, weil man nur so ein praktisch konstantes Abtriebsmoment über dem gesamten Drehwinkel erreichen kann, wie es in manchen Anwendungsfällen, zum Beispiel beim Antrieb von Tonbandgeräten oder Plattenspielern, erforderlich ist.

Addiert man die beiden Momente M_e, und M_reh so erhält man ein praktisch konstantes Gesamtmoment. Dieses Gesamtmoment ist sozusagen in den Motor einprogrammiert, das heißt, ein solcher Motor kann zum Antrieb eines Geräts dienen, das ein Antriebsmoment in dieser Größenordnung benötigt, also zum Beispiel zum Antrieb eines Lüfters, eines Druckwerks, eines Tonbandgeräts, eines Plattenspielers oder dergleichen. Wie man aus Fig. 5 erkennt, ist der Aufwand für die Drehzahlregelung eines Motors dieser Art außerordentlieh gering.

In Fig. 6 ist in der untersten Reihe auch ein Teil des Verlaufs der Induktion B über dem (abgewickelten) Rotor 26 dargestellt. Wie man erkennt, hat diese Induktion einen etwa trapezförmigen Verlauf mit schmalen Pollücken und breiten Polen.

Die Fig. 7 und 8 dienen zur Erläuterung der Form des Reluktanzmoments.

Bei Fig. 7 befindet sich der Rotor 26, dessen Pollükken 22 bis 22'" (vgl. Fig. 4) mit strichpunktierten Linien angedeutet sind, in einer stabilen Ruhelage, welche dem Punkt 110 der Fig. 6 entspricht. In dieser Lage befinden sich alle Eisenstifte 45 zwischen zwei gegenüberliegenden Polen des Rotors 26, das heißt, beide Pollücken 22 und 22' dieser Pole liegen außerhalb der Stifte 45. Erhält der Motor 9 keinen Strom, so bleibt der Rotor 26 in dieser Ruhelage, das heißt, das Reluktanzmoment hat hier die Größe 0.

Wird der Rotor 26 aus dieser Lage in Drehrichtung 25 weitergedreht, so ist dazu ein antreibendes Moment erforderlich, da der Rotor 26 immer das Bestreben hat, sich in eine Lage zu drehen, in der sich das Maximum des aktiven Eisenvolumens der Stifte 45 im Bereich eines seiner Pole befindet.

Dieses antreibende Moment wird im Betrieb von den stromdurchflossenen Spulen 11 bis 12 erzeugt, wobei die Kurve des antreibenden Momentes in Fig. 6 mit 111 bezeichnet ist, während das bremsende Moment - durch die Stifte 45 - mit 112 bezeichnet ist. Die gezeigte Anordnung der Stifte 45 bewirkt dabei den spiegelbildlichen Verlauf der Kurven IU und 112, bezogen auf das mittlere Abtriebsmoment des Motors 9.

Etwa nach 65° elektrisch gelangt der Rotor 26 in die Stellung nach Fig. 8, in der sich besonders viele Stifte 45 im Bereich der Pollücke 22 befinden und die im Bereich der Pole befindliche Zahl von Stiften minimal ist. Wie man in Fig. 8 deutlich erkennt, sind die Stifte 45 in Reihen angeordnet, die zur Pollücke 22 etwa parallel verlaufen. Der gesamte magnetische Widerstand des magnetischen Kreises, und damit die im Luftspalt gespeicherte magnetische Energie, wird in dieser Stellung am größten. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, zieht ein Teil der Stifte 45 den Pol P des Rotors 26 an, ein anderer Teil dagegen den Pol P' des Rotors 26, so daß

diese Stellung eine labile Ruhelage des Rotors 26 ist, welche dem Punkt 113 in Fig. 6, also einem O-Durchgang des Reluktanzmoments entspricht.

Wie man ferner aus Fig. 6 erkennt, müssen die Punkte 110 und 113 möglichst symmetrisch zum elektrischen Moment 111 liegen, das seinerseits in vorteilhafter Weise gleichphasig mit der Spannung U₇₀ ist. Dies wird praktisch erreicht durch entsprechende Wahl des Winkels γ (Fig. 1), während die Winkel α und β die Form des Reluktanzmoments festlegen. Damit sich das Reluktanzmoment mit dem elektrischen Moment zum gewünschten konstanten Abtriebsmoment des Motors ergänzt, sollte an den Punkten 110 und 113 das elektrische Moment 111 etwa die Größe dieses Abtriebsmoments erreicht haben, das heißt, das elektrische Moment 111 muß vor dem Punkt 110 einsetzen und nach dem Punkt 113 enden, was durch die Auslegung des Reglers (Fig. 5) erreicht wird.

Die Fig. 7 und 8 zeigen, wie nach der Lehre des Hauptpatents die Pollücken 22 jeweils etwa senkrecht zu dem magnetisch aktiven Spulenabschnitt 33 verlaufen, dagegen praktisch parallel zu dem magnetisch aktiven Spulenabschnitt 34, was analog für die Spule 12 gilt. Hierdurch wird es nach der Lehre des Hauptpatents ermöglicht, die ferromagnetischen Elemente 45 neben und nicht über oder unter Flachspule 11 anzuordnen, da die Pollücken 22 hierbei beim Vorbeilaufen an den Elementen 45 gleichzeitig auch mit dem benachbarten magnetisch aktiven Spulenabschnitt (z. B. 33) in Wechselwirkung treten können.

Wie man Fig. 8 weiter entnehmen kann, nimmt die Dichte der Stifte 45 unter Pollücke 22 bei weiterer Drehung des Rotors 26 langsamer ab, als sie zunächst zugenommen hat. Ebenso nimmt die Zahl der unter den Polen P und P' insgesamt befindlichen Stifte 45 langsamer zu, so daß sich die magnetische Energie langsamer vermindert, als sie zugenommen hat. Folglich ist das antreibende Reluktanzmoment, das in Fig. 6 mit 114 bezeichnet ist, kleiner als das bremsende Reluktanzmoment 112, wirkt aber über einen größeren Drehwinkel, der im wesentlichen dem Winkel β der Fig. 1 entspricht. Nach dem Gesetz von der Erhaltung der Energie muß die im bremsenden Bereich 112 aufgewendete Energie, die in Fig. 6 mit einem --Zeichen bezeichnet ist, gleich der im antreibenden Bereich 114 abgegebenen Energie sein, die in Fig. 6 mit + bezeichnet ist. (Dabei sind die Ummagnetisierungsverluste in den Stiften 45 nicht berücksichtigt.)

Wie man aus Fig. 6 erkennt, hat das antreibende Reluktanzmoment 114 die Größe des antreibenden Moments, für das der Motor 9 ausgelegt ist.

Man erkennt also, daß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Grö3e und Wirkungsbereich des bremsenden Reluktanzmoments 112 im wesentlichen durch den Winkel α (Fig. 1) gegeben ist, in welchem der magnetische Widerstand, in Drehrichtung gesehen, abnimmt und daß Größe und Wirkungsbereich des antreibenden Reluktanzmoments 114 durch den Winkel β gegeben sind, in welchem der magnetische Widerstand zunimmt.

Damit das Reluktanzmoment in jenen Stellungen des Rotors wirkt, in denen es nach das elektromagnetische Moment sinnvoll ergänzt, ist die Lage der Weicheisenstifte 45 relativ zu den Spulen 11 und 12, die durch den Winkel γ in Fig. 1 definiert ist, geeignet zu wählen. Dazu kann man von der Tatsache Gebrauch machen, daß sich der Rotor 26 in der in Fig. 7 dargestellten Stellung in einem stabilen Gleichgewicht befindet, weil die gespeicherte magnetische Energie ein Minimum hat, während bei der in Fig. 8 dargestellten Stellung die magnetische Energie ein Maximum erreicht und dnher in dieser Stellung ein labiles Gleichgewicht herrscht. Das Reluktanzmoment ist also in diesen beiden Stellungen gleich 0. Wie dargelegt, sollten diese beiden Null-Durchgänge 110 und 113 etwa symmetrisch zum antreibenden elektrischen Moment 111 liegen.

Die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich bei jedem Pol des Rotors 26, das heißt, bei einem 4poligen Rotor, wie er im Ausführungsbeispiel dargestellt ist, tritt 4mal ein bremsendes und 4mal ein antreibendes Moment, sowie 4mal ein labiles und 4mal ein stabiles Gleichgewicht pro Umdrehung auf.

Die Fig. 9-17 zeigen andere Ausführungsformen für Ausbildung und Anordnung der ferromagnetischen Elemente, und zwar bei einem Motor, dessen Aufbau demjenigen des Motors nach den Fig. 1-4 in allen wesentlichen Teilen entspricht. Auch bei diesen Ausführungsformen ist die in Fig. 6, unten, dargestellte Magnetisierung und die in Fig. 6 dargestellte Form des elektromagnetischen Moments M_el vorausgesetzt.

Bei den Fig. 9 und 10 wird ein einziges Formstück 117 verwendet, und zwar ein Kunststoft'körper mit eingelagertem Weicheisenpulver oder eingelagerten Ferriten. Auch ein Formstück aus Weichferrit kann verwendet werden. Die eingetragenen Winkel haben dieselbe Bedeutung wie bei Fig. 1; hierzu kann auf die vorstehende Beschreibung hingewiesen werden.

Bei den Fig. 11 und 12 werden 3 verschieden lange, aber gleich breite gestanzte Weicheisenstücke 118, 119 und 120 verwendet, welche durch ihre Form und Anordnung etwa dieselbe Wirkung haben wie die Stifte 45 nach dem ersten Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 13 und 14 zeigen die Verwendung von 3 gleich langen, zylindrischen Weicheisenstiften 122, 123 und 124, von denen der mittlere Stift 123 dicker ist als die beiden äußeren.

Fig. 15 zeigt ebenfalls die Verwendung von gleich breiten und hier auch gleich großen gestanzten Weicheisenstücken 127 und 128, welche unter einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind und zwar so, daß sie sich gegenseitig etwas überlappen.

Die Fig. 16 und 17 zeigen einen ferromagnetischen Körper 131, welcher überall gleich breit ist, dessen

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variabel ist. Fig. 17 zeigt diese Dickenvariation aus Gründen der Anschaulichkeit übertrieben stark dargestellt. Im Winkelbereich α nimmt die Dicke in Drehrichtung gesehen zu, im Winkelbereich β ab. Der Korso per 131 besteht wie das Formstück 117 aus einem Kunststoff mit eingelagertem Weicheisenpulver oder eingelagerten Ferriten oder aus einem entsprechend geformten Weichferrit.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (26)

Patentansprüche:

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen scheibenförmigen Rotor, mii einem axialen Luftspalt, mit einem zwei Wicklungen aufweisenden Stator, der in Verbindung mit den Rotor ein Lücken aufweisendes Drehmoment erzeugt, einem die Rotorlage erfassenden Drehstellungsdetektor, in dessen Abhängigkeit steuerbare Schalter die Statorwicklungen an eine Gleichstromquelle schalten, wobei für eine drehwinkelabhängig veränderliche Ausbildung des magnetischen Widerstandes in dem Statorteil des magnetischen Kreises im Bereich des Luftspaltes mindestens ein Teil aus magnetisch leitendem Werkstoff vorgesehen ist, das sich entgegen der Drehrichtung des Rotors verjüngt, zur Erzeugung eines zeitlich »ers&tzten Reluktanzhilfsmoments, welches in den Lücken des elektromagnetischen Drehmoments wirksam ist, wobei der Luftspalt mindestens durch einen Ringmagneten des Rotors begrenzt wird und wobei im Luftspalt eine Platte (aus isolierendem Werkstoff) als Stator eingeschlossen ist, die die aus eisenlosen Flachspulen gebildeten Wicklungen trägt, und daß das mindestens eine Teil aus magnetisch-leitendem Werkstoff im Luftspalt angeordnet ist nach Patent 22 25 442, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung des aktiven Eisenvolumens des mindestens einen Teils (45,48,117,118,119,120,122,123,124, 127, 128, 131) in einem ersten Winkelbereich (α) geschieht und das aktive Eisenvolumen in Drehrichtung gesehen in einem zweiten Winkelbereich (ß) abnimmt und der zweite Winkelbereich (α) sich an den ersten Winkelbereich (ß) anschließt.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkelbereich (α) etwa 25 bis 70° elektrisch, der zweite Winkelbereich (ß) etwa 65 bis 1 H)' elektrisch beträgt und α vorzugsweise kleiner als β ist.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß erster und zweiter Winkelbereich (α, β) zusammen eine Größe von etwa 100 bis 180 elektrisch aufweisen.

4. Gleichstrommotor nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des ersten Winkelbereichs (α) in Drehrichtung gesehen etwa 180 bis 130° elektrisch + η Χ 360° elektrisch vor der radialen Mittelachse der mindestens einen Flachspule (11) liegt, wobei der Wert von η gleich 0, 1, 2 ... usw. sein kann.

5. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des aktiven Eisenvolumens in Drehrichtung (25) gesehen vor der mindestens einen Flachspule (11) liegt, daß mindestens ein an dieses Eisenvolumen anschließender Abschnitt (33) der Flachspule (11) gesehnt ist, und daß ein Teil (45') des aktiven Eisenvolumens in dem Zwickel zwischen dem Außenumfang der vom Rotoimagneten (18, 19) überstrichenen Statorfläche und dem gesehnten Spulenabschnitt liegt.

6. Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teile ferromagnetische Elemente (45; 117; 122; 123; 124) als zylindrisehe Weicheisenstücke ausgebildet sind, welche etwa senkrecht zur Luftspaltebene verlaufen.

7. Gleichstrommotor nach mindestens einem der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor, dessen Rotor (18) Pollükken (22) aufweist, welche von der Drehachse aus gesehen nach außen z. B. entgegen der Drehrichtung verlaufen, mindestens ein Teil der Weicheisenstücke in Reihen angeordnet sind, welche mit dem Verlauf einer über ihnen liegenden Pollücke (22) etwa übereinstimmen.

8. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor, dessen Rotor Pollücken aufweist, welche von der Drehachse aus gesehen nach außen z. B. entgegen der Drehrichtung verlaufen, das aktive Eisenvolumen der im Bereich des Außenumfangs der vom Rotormagneten (18, 19) überstrichenen Statorfläche angeordneten Weicheisenstücke über einen größeren Winkelbereich verteilt ist als das aktive Eisenvolumen der in dazu parallelen, radial zur Drehachse (15) des Motors versetzten Bahnen liegenden Weicheisenstücke (Fig. 1, Fig. 7, Fig. 8).

9. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Weicheisenstücke (45, 48) in einer zur Drehachse des Motors ungefähr punktsymmetrischen Verteilung angeordnet ist.

10. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Weicheisenstücke (123,124) mindestens teilweise unterschiedliche aktive Ei.senvolumina aufweisen (Fig. 13, 14).

11. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Weicheisenstücke (45, 123,124) einen etwa kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

12. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein ferromagnelisches hlemenl als Formstück (117; 131) aus einem Weichferrit ausgebildet ist.

13. Gleichstrommotor nach mindestens einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein ferromagnetisches Element als Formstück (117; 131) aus einem mit Eisenpulver vermischten Kunststoff ausgebildet ist.

14. Gleichstrommotor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Formstückes (117) bei mindestens nahezu gleichbleibender Dicke vorzugsweise in radialer Richtung variabel sind (Fig. 9, 10).

15. Gleichstrommotor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Formstückes (131) bei mindestens nahezu gleichbleibender Breite vorzugsweise in Dickenrichtung variabel sind (Fig. 16, 17).

16. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine stabile Rotorstellung (Fig. 7), in welcher sich das maximale aktive Liisenvolumen in Wechselwirkung mit einem Rotorpol (/') befindet, etwa mit dem Beginn (110 in Fig. 6) des elektromagnetischen Antriebsmoments (111) zusammenfällt.

17. Gleichstrommotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die stabile Rotorstellung zeitlich auf den Beginn des Stromes (110 in Fig. 6) in der mindestens eine Flachspule (11, 12) folgt.

IS. Gleichstrommotor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei stabiler Rotorstellung (Fig. 7) die Größe des elektromagnetischen Antriebsmoments (111) etwa dem durchschnittlichen Abtriebsmoment entspricht, auf das der Motor (9) ausgelegt ist.

19. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine labile Rotorstellung (Fig. 8), in der sich ein Teil des aktiven Eisenvolumens im Bereich einer PoMcke (22) des Rotors (26) befindet und das Reluktanzmoment (112, 114) eine Nullstelle (113) durchläuft, etwa mit dem Ende eines Impulses des elektromagnetischen Antriebsmoments (111) zusammenfällt.

2(J. Gleichstrommotor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Stromes (Z_1x, i_v, in Fig. 6) in der mindestens einen Flachspule (II, 12) im Betrieb zeitlich auf eine labile Rotorstellung (zum Zeitpunkt 113 in Fig. 6 wie in Fig. 8 räumlich dargestellt) folgt.

21. Gleichstrommotor nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine labile Rotorstellung (Fig. 8) etwa mit einer Größe des elektrischen Antriebsmoments zusammenfällt, welche dem durchschnittlichen Abtriebsmoment (etwa zum Zeitpunkt 113 in Fig. 6) entspricht, auf das der Motor (9) ausgelegt ist.

22. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Eisenvolumen in mehrere einzelne, mit Abstand voneinander angeordnete ferromagnetische Elemente (45, 45', 45", 118, 119, 120; 122, 123, 124; 127, 128) unterteilt ist.

23. Gleichstrommotor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Weicheisenstücke (127, 128, 131) einen etwa rechteckförmigen Querschnitt, bezogen auf die Luftspaltebene, aufweisen.

24. Gleichstrommotor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Weicheisenstücke (118, 119,120) als längliche Blechstücke ausgebildet sind, welche mindestens teilweise etwa tangential zur Motordrehachse verlaufend im Luftspalt angeordnet sind (Fig. II, 12).

25. Gleichstrommotor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei gleichgroße längliche Blechstücke (127, 128) vorgesehen sind, von denen das eine (128) etwa im ersten Winkelbereich (α) in Drehrichtung (25; gesehen schräg nach innen verlaufend angeordnet ist, während das zweite (127) etwa im zweiten Winkelbereich (ß) und etwa tangential verläuft (Fig. 15).

26. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich Blechstücke (127, 128) in einen den ersten und zweiten Winkelbereich übergreifenden Zwischenbereich erstrecken (Fig. 15).