DE2423665C3 - Kommutatorloser Gleichstrommotor mit axialem Luftspalt - Google Patents

Description

7. Kommutatorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zahnförmigen Polstücke (17, \\7e) in axialer Richtung zum Stator hin geneigt sind.

8, Kommutatorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (15a, 16a; flach ausgeführt sind, und daß der Permamentmagnet aus einem Werkstoff hoher Koerzitivkraft besteht (Fig. 4).

Die Erfindung bezieht sich auf einen kommutatorlo-

-.5 sen Gleichstrommotor mit axialem Luftspalt, mit einem Stator, der eine aus radial angeordneten, jeweils am Umfang aufeinanderfolgend gegeneinander um 180° elektrisch versetzten und von Strömen entgegengesetzter Richtung durchflossenen Leiterbündeln aufgebaute Statorwicklung enthält, die in einen nicht ferromagnetischen, aus Preßmasse bestehenden Isolierkranz eingebettet ist, mit einem Rotor, bestehend aus zwei in axialer Richtung auf je einer Seite der Statorwicklung liegenden, den Magnetfluß führenden ferromagnetisehen Flanschen, die mit radial verlaufenden und einander gegenüberliegenden Rächen den axialen Luftspalt begrenzen, und mit einem Drehstellungsdetektor, dessen die Rotorstellung erfassenden Teile um 90° elektrisch gegen die Leiterbünde! der Statorwicklung verschoben sind.

Ein derartiger kommutatorloser Gleichstrommotor ist aus der DE-OS 21 43 752 bekannt.

Bei diesem bekannten Gleichstrommotor sind an den Flanschen Polstücke, die mit ihren radial verlaufenden und einander gegenüberliegenden Flächen den axialen Luftspalt begrenzen, in einer Anzahl gleich der Anzahl der Leiterbünde! der Statorwicklung und mit abwechselnden Polaritäten vorgesehen. An diesen radial auf der Höhe der Statorwicklung angeordneten Magneten greifen starke Zentrifugalkräfte an, die insbesondere bei hohen Motordrehzahlen dazu führen können, daß die Magnete abreißen können. Es wäre zwar grundsätzlich eine stabilere Ausführung möglich, eine derartige Ausführung hätte jedoch den Nachteil, daß sich ein übergroßes Trägheitsmoment des Rotors ergeben würde.

Ein in dieser Weise aufgebauter und somit mit den gleichen Mängeln behafteter Gleichstrommotor ist gleichfalls aus der FR-PS 20 76 493 bekannt.

Aus der FR-PS 15 85 744 ist weiterhin ein Wechselstromgenerator bekannt, bei dem der Magnetfluß durch einen radial innerhalb der Leiterbündel angeordneten Elektromagneten erzeugt wird und bei dem jeder Flansch jeweils einen gleichnamigen Pol bildet. Eine ähnliche Rotorkonstruktion für einen Schrittmotor ist gleichfalls aus der Zeitschrift Elektroanzeiger Essen Nr. 22,1966, Seiten 23 bis 27 bekannt.

Die Verwendung von Rotorkonstruktionen von Wechselstromgeneratoren oder Schrittmotoren bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor führt jedoch nicht unmittelbar zu einem funktionsfähigen Motor. Wenn beispielsweise bei einem Gleichstrommotor der eingangs genannten Art eine Rotorkonstruktion gemäß der FR-PS 15 85 744 oder des aus der Zeitschrift Elektroanzeiger bekannten Schrittmotors verwandt wird, wäre die Summe der Drehmomente, die durch die Kräfte in den einzelnen Leiterbündeln erzeugt würden, immer gleich Null. Für einen funktionsfähigen Motor ist

daröber hinaus die Wahl eines bestimmten Verhältnisses zwischen den Polstücken und den aktiven Leiterbündeln der Statorwicklung erforderlich,

Aufgabe der Erfindung ist es, den kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, daß die am Rotor auftretenden Zentrifugalkräfte bei gleichem Trägheitsmoment des Rotors verringert sind.

Diese Aufgabe wird bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die den Luftspalt begrenzenden Flächen der axial beabstandeten Flansche durch zahnförmige Polstücke aus ferromagnetischem Material gebildet sind, deren Anzahl halb so groß ist wie die der Leiterbündel, und daß die Magnetisierung der Polstücke zur Bildung von Magnetpolen durch einen zwischen den Flanschen ztntrisch angeordneten Magneten (18; 18a; 18eJ mit gleichsinniger axialer Magnetisierung erfolgt.

Dadurch, daß beim erfindungsgemäßen Motor alle Polstücke durch einen innerhalb der Statorwicklung angeordneten Magneten magnetisiert werden und nicht, wie bei dem bekannten Motor, Magnetron in einer Anzahl gleich der der Leitungsbündel vorgesehen sind, die sich radial auf der Höhe der Leiterbündel befinden, ist die bei gegebener Drehzahl an den Rotor angreifende Zentrifugalkraft wesentlich geringer. Darüber hinaus ist es möglich, den Rotor verhältnismäßig massig auszubilden, was ihm eine hohe Festigkeit gegenüber der Zentrifugalkraft gibt, ohne daß ein zu großes Trägheitsmoment die Folge ist. Durch die Verwendung eines einzigen, innerhalb der Statorwicklung angeordneten Magneten ist darüber hinaus der Gesarntaufbau des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors wesentlich einfacher als der des bekannten Motors der eingangs genannten Art.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors weist jedes Leitungsbündel der Statorwicklung eine Winkelerstrekkung von ungefähr 90° elektrisch auf und ist die Winkelersireckung jedes Polstückes größer als die eines Leitungsbündels.

Vorzugsweise besteht die Statorwicklung aus benachbarten, aufeinanderfolgend abwechselnd jeweils gegensinnig gewickelten Spulen, deren Anzahl doppelt so hoch ist wie die der Polstücke, wobei jedes Leiterbündel durch d\a radialen benachbarter; Leiter von zwei benachbarten Spulen gebildet ist

Die Statorwicklung besteht insbesondere aus beabstandeten, gleichsinnig gewickelten Spulen, wobei jedes Leiterbündel durch dta auf einer Seite der Spule liegenden radialen Leiter gebildet ist

Vorzugsweise ist der Magnet ein ringförmiger Permanentmagnet oder ein Elektromagnet, der fest mit den Flanschen des Rotors verbunden ist.

Der Magnet kann auch ein axial magnetisierter ringförmiger Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein, der fest mit dem Stator verbunden ist.

Die zahnförmigen Polstücke können in axialer Richtung zum Stator hin geneigt sein.

Darüber hinaus können die Flansche flach ausgeführt sein und kann der Permanentmagnet aus einem Werkstoff hoher Koerzitivkraft bestehen.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgi;näßen Gleichstrommotors in einer Schnittansicht dwrch eine durch seine Achse gehende lotrechte Ebene;

F i g, 2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht die Ausbildung der Statorwicklung und der Flansche des strichpunktiert dargestellten Rotors;

F i g. 3 zeigt schematisch die gegenseitige Anordnung der Statorwicklung und der Detektorwicklung des Drehstellungsdetektors in einer Schnittansicht längs der Linie IH-III in F ig. 1;

ίο Fig.4 zeigt in einer Fig. I ähnlichen Darstellung ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors;

Fig.5 zeigt in einer Fig.3 ähnlichen Darstellung eine andere mögliche gegenseitige Anordnung der

Statorwicklung und der Detektorwicklung;

Fig.6 zeigt in einer schematischen Schnittansicht längs der Linie IV-IV in Fig.5 die gegenseitige Anordnung der Statorwicklung und der Detektorwicklung zwischen den Flanschen;

F i g. 7 zeigt in einer F i g. 3 und 5 ähnlichen Darstellung eine andere mögliche Anordnung der Rotorwicklung und der DetektorwicVhing;

Fig.8 zeigt in einer Fig.2 ähnlichen Darstellung eine andere mögliche Ausbildung der Statorwicklung; F i g. 9 zeigt in einer ähnlichen Darstellung wie F i g. 1 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindiingsgemäßen Gleichstrommotors.

Der in F i g. 1 und 2 dargestellte Motor besitzt ein Gehäuse aus zwei Teilen 2 und 3, welche durch nicht dargestellte Elemente fest miteinander verbunden sind und von einem Fußteil 4 getragen werden. In das Gehäuse ist der Stator 5 eingebaut Der Rotor 6 wird von einer Welle 7 getragen, welche in von den Teilen 2 und 3 getragenen Wälzlagern 8 und 9 mit begrenztem axialem Spiel gelagert ist

Der Stator 5 enthält keinen ferromagnetischen Teil. Er enthält eine Statorwicklung 10, welche in einen Kranz 11 aus Preßmasse, im allgemeinen aus einem mit einem Füllstoff versehenen Epoxyharz eingebettet ist.

Dieser Kranz besitzt zwei ebene parallele Flächen, durch welche senkrecht der Magnetfluß des Rotors trrten soll. Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt der Kranz einen T-förmigen Querschnitt mit einer möglichst geringen zusätzlichen Dicke (von größenordnungsmäßig einem Zehntel Millimeter, wenigstens bei kleinen Motoren) gegenüber der Statorwicklung 10 im Bereich des Rotors und einen den Querstrich des T-bildenden verdickten Teil beiderseits der äußeren Verbindungsleiter der Statorwicklung.

Die Wicklung kann als durch 2 η (wobei π bei dem in F i g. 2 dargestellten Fall gleich 4 ist) Bündel von radial gerichteten Leiter» gebildet angesehen werden. Jedes dieser Bündel wird durch die Nebeneinanderlagerudg der zwei nebeneinanderliegenden Spulen angehörenden benachbarten Leiter gebildet. Diese Spulen können nacheinander auf eine Lehre aufgewickelt werden, ohne den Draht zwischen ihnen durchzuschneiden, worauf sie umgedreht werden, damit die Ströme in den benachbarten Leitern der beiden Spulen gleichsinnig sind, wie in

do F i g. 2 dargestei;*. ist. Der Kranz aus Preßmasse wird vorzugsweise durch einen Ring 12 bandagiert welcher vorzugsweise aus einem Werkstoff besteht, welcher weder ferromagnetisch noch gut leitend ist, so daß die Verluste des Motors möglichst weitgehend verringert

fts werden. Man erhält einen besonders befriedigenden Massenwirkungsgtad mit einer Statorwicklung 10 der in Fig.2 dargestellten Art, wenn die Winkel a und b größenordnungsmäßig j<; 90 Grad elektrisch betragen,

wobei das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem AuBendurchmesser der Spulen z. B. in der Nähe von Ui liegt.

Der Stator des in F i g. 1 dargestellten Motors besitzt auch eine Detektorwicklung 13, welche ebenfalls als durch Umfangsleiter verbundene Bündel gebildet angesehen werden kann, wobei die Bündel der Detektorwicklung 13 um 90° elektrisch oder ein ungerades Vielfaches von 90° elektrisch gegen die Bündel der Statorwicklung 10 verschoben sind. Bei der in F i g. I und 3 dargestellten Ausführungsform ist die Detektorwicklung 13 in einen zweiten Kranz 14 eingebettet, welcher gegen den Kranz der Statorwicklung 11 gelegt sein und durch die gleiche Bandage oder eine getrennte Bandage gehalten werden kann. Durch diese Detektorwicklung tritt ein Bruchteil des Streuflusses des Rotors, wie durch den gestrichelten Pfeil in Fig. 1 angegeben.

Der Rotor 6 besitzt zwei z. B. durch Schweißen oder Verkeilen auf der Welle 7 befestigte identische massive Flansche 15 und 16 aus einem Werkstoff mit hohem Sättigungspunkt, z. B. einer Eisen-Kobalt-Legierung bei Motoren kleiner Leistung. Die Flansche umschließen einen ringförmigen Magneten 18. Jeder Flansch besitzt bei der dargestellten Ausführungsform vier zahnförmige Polstücke 17, die im Umfangssinn um 90° gegeneinander versetzt sind und von denen jeder eine Winkelerstreckung hat, welche größer als die eines Bündeis der Statorwicklung 10 ist. Ein Verhältnis /1//2 von etwa 15 ergibt im allgemeinen gute Ergebnisse.

Die Flansche 15 und 16 des in Fig. 1 dargestellten Motors besitzen zahnförmige Polstücke, welche so umgebogen sind, daß der für einen Magneten 18 genügender Länge erforderliche Platz frei bleibt. Diese Ausführungsform ermöglicht die Benutzung eines Magneten 18 aus einem herkömmlichen Werkstoff. In diesem Fall wird im allgemeinen ein Luftspalt zwischen den Polstücken von größenordnungsmäßig Vs der Länge des Magneten 18 vorgesehen. Der die Ständerwicklung enthaltende Kranz nimmt im allgemeinen etwa 80% der Breite des Luftspalts ein.

Wie man sieht, liefert die Detektorwicklung IJ ein Signal, welches infolge der elektrischen Verschiebung um 90 Grad praktisch nicht durch die die Statorwicklung 10 durchfließenden Ströme beeinflußt wird. Dieses Detektorsignal eigent sich daher gut für eine elektronische Steuerung mittels einer Schaltung der in der FR-PS 21 12 679 beschriebenen Art

Der Motor, dessen Stator und Flansche schematisch in Fig. 4 dargestellt sind, in welcher die der F i g. 1 entsprechenden Teile das gleiche Bezugszeichen mit dem Index a tragen, benutzt einen Magneten 18a aus einem Werkstoff mit sehr hoher magnetischer Energie (z. B. Magnet mit Samarium und Kobalt), welcher somit eine geringe Länge haben kann und die Verwendung von vollständig flachen Flanschen 15a und 16a ermöglicht Die Dicke kann so bei gegebener Leistung erheblich kleiner als die des Motors der F i g. 1 gemacht werden. Bei einem solchen Motor wird man dazu geführt, die Detektorwicklung 13a parallel zu der Statorwicldung 10a anzuordnen. Da der Hauptteil des Streuflusses durch den in radialer Richtung am weitesten außen liegenden Teil der Zähne geht, ist es im allgemeinen zweckmäßig, der Wicklung 13a eine geringere radiale Erstreckung als der Wicklung 10a zu 6> geben und sie an der Stelle des äußersten Teils der zahnförmigen Polstücke anzuordnen.

Anstatt in dem magnetischen Streufluß zu liegen,

kann die Detektorwicklung 13a so angeordnet werden, daß durch sie der gleiche Fluß wie durch die Statorwicklung tritt. Bei der in F i g. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform, in welcher die der F i g. I entsprechenden Teile das gleiche Bezugszeichen mit dem Index 6 tragen, wird die (in Fig.5 gestrichelte] Detektorwicklung 136 durch zu den Bündeln der Statorwicklung 106 identische Bündel gebildet. Sie kann jedoch durch einen Draht mit kleinerem Durchmesser gebildet werden, da sie nur ein nachher verstärktes Spannungssignal zu liefern braucht. Die äußeren und inneren Umfangsverbindungen von Bündel zu Bündel müssen dann bei der Wicklung 106 in Richtung auf der Flansch 166 und bei der Wicklung 136 in Richtung aul den Flansch 156 umgebogen werden, um die Verschachtelung der beiden Wicklungen zu ermöglichen.

Eine Lösung, welche einfacher zu verwirklichen ist, da Hie Sniilenknnfe nicht umgebogen werden müssen, ist ir Fig. 7 dargestellt. Die Statorwicklung 10c hat die gleiche Ausbildung wie in F i g. 1, und die Detektorwicklung 13c wird durch 8 π halbe Bündel gebildet welche mit Hilfe von Wicklungen hergestellt sind, welche innerhalb der die Wicklung 10c bildenden Wicklunger angeordnet und so verbunden sind, daß nur die elektromotorische Kraft der Bündel erscheint, derer Achse um 90° elektrisch gegen die Achsen der die Leistunrswicklung bildenden Bündel verschoben ist. Die leichte Verringerung des Wirkungsgrades durch der hohen Anteil an Oberwellen in dem Detektorsignal welche durch die Integrierschaltung nur teilweise ausgeschieden werden, wird durch die Einfachheit dei Ausführung reichlich aufgewogen.

Gemäß einer anderen, in Fig.8 dargestellter Ausführungsabwandlung der Erfindung enthält die Statorwicklung XOd Bündel, deren jedes einer einziger Wicklung angehört. Auch hier ist es im allgemeiner zweckmäßig, den Winkeln a und 6 einen Wert dei gleichen Größenordnung zu geben, wobei jedoch a + I jedenfalls 180° elektrisch betragen muß. In diesem FaI sind alle Wicklungen gleichsinnig gewickelt

In dem Fall der F i g. 8 ist die Wicklung Wd etwa; einfacher als in dem Fall der F ι g. 1 und 4. Die Wirbelstromverluste in der Wicklung und der Platzbe· darf des Motors in radialer Richtung sind dagegen etwa; größer.

Der in F i g. 9 dargestellte Motor (in welcher die bereits beschriebenen Teilen entsprechende Teile da· gleiche Bezugszeichen mit dem index e tragen unterscheidet sich von den vorhergehenden im wesentli chen dadurch, daß das Organ zur Erzeugung dei Magnetfeldes durch einen festen, fest mit dem Statoi verbundenen Magneten gebildet wird

Der in F i g. 9 dargestellte Motor besitzt ein Gehäuse aus zwei Teilen 2e und 3e, weiche durch nich dargestellte Organe fest miteinander verbunden sine und von einem (nicht dargestellten) Fußteil getrager werden. In das Gehäuse ist der Stator 5e eingebaut Dei Rotor 6e wird von einer Welle 7e getragen, welche ii von den Teilen 2e und 3e getragenen Wälzlagern 8e unt 9e gelagert ist Die Wälzlager 8eund 9e sind Wälzlagei mit axialer Vorspannung, welche die genaue Zentrie rung des Rotors 6e gegenüber dem Stator ermöglichen.

Der Stator 5e besitzt eine zu der Welle 7i konzentrische geformte Statorwicklung 1Oe, innerhall weicher ein ringförmiger Magnet 18e angeordnet ist Die Statorwicklung 1Oe, die Detektorwicklung und de Magnet 18e können durch eine Tränkung und ein« Füllung aus einem unmagnetischen Werkstoff 26 mi

hohem spezifischem Widerstand, z. B. einem Harz, fest miteinander verbunden sein.

Der Rotor 6e wird im wesentlichen durch zwei massive identische auf der Welle (z. B. durch Schweißen oder Verkeilen) befestigte Flansche 15e und 16e aus einem Werkstoff mit hohem Sättigungspunkt gebildet. Sie können insbesondere bei Motoren kleiner Leistung au« einer Eisen-Kobalt-Legierung bestehen. Der Flansch I5e besitzt z. B. vier zahnförmige Polstücke 17, welche in Umfangsrichtung um 90° gegeneinander versetzt sind und je eine Winkelerstreckung haben, welche größer als die eines Bündels der Statorwicklung ist. ledcs dieser Polstücke 17c des Flansches 15 bildet einen Nordpol, während jedes Polstücke 17c des Flanschs 16 einen Südpol bildet. Diese Lösung bedingt, daß die von den Wicklungen eingenommene axiale Länge groß genug ist. um den Magneten richtig zu

halten. Diese Bedingung wird bei einem Magneten aus einem Werkstoff hoher Koerzitivkraft erfüllt, welcher kurz sein kann.

Man erhält also so einen Motor mit elektronischer Kommutierung, welcher gestattet, einen hohen Wirkungsgrad infolge der verringerten Verluste und ein großes Moment zu erhalten, und zwar mit verhältnismäßig geringen Kosten, da die Bearbeitung einfach ist und eine hohe Winkelgenauigkeit bei der Festlegung der Lage des Rotors nicht erforderlich ist. Der Benutzungsbereich kann übrigens sehr weit sein, wobei die Drehzahl sehr hoch sein kann, da die sich drehenden Teile massiv sind. Bei kleinen Einheiten kann ein Wert von 650 Umdrehungen in der Sekunde übe schritten werden. Diese Drehzahl kann sogar im Hochvakuum erreicht werden, d. h. unter den im Weltraum herrschenden Bedingungen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnuneen

Claims (6)

1. Patentansprüche;

   1, Kommutatorloser Gleichstrommotor mit axialem Luftspalt, mit einem Stator, der eine aws radial angeordneten, jeweils am Umfang aufeinanderfolgend gegeneinander um 180° elektrisch versetzten und von Strömen entgegengesetzter Richtung durchflossenen Leiterbündeln aufgebaute Statorwicklung enthält, die in einen nicht ferromagnetischen, aus Preßmasse bestehenden Isolictrkranz eingebettet ist, mit einem Rotor, bestehend aus zwei in axialer Richtung auf je einer Seite der Statorwicklung liegenden, den Magnetfluß führenden ferromagnetischen Flanschen, die mit radial verlaufenden und einander gegenüberliegenden Flächen den axialen Luftspalt begrenzen, und mit einem Drehstellungsdetektor, dessen die Rotorstellung erfassenden Teile um 90" elektrisch gegen die Leiterbündel der Statorwicklung verschoben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die den Luftspalt begrenzenden Flächen der axial beabstandeten Flansche (15, 16; 15a, 16a; \5b, 16b; ISe, 16e-, \6d) durch zahnförmige Polstücke (17; 17 e) aus ferromagnetischem Material gebildet sind, deren Anzahl halb so groß ist wie die der Leiterbündel, und daß die Magnetisierung der Polstücke (17; 17e) zur Bildung von Magnetpolen durch einen zwischen den Flanschen zentrisch angeordneten Magneten (18; 18a; 18e) mit gleichsinniger axialer Magnetisierung erfolgt.
2. 2. Komi;iutatorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Leitungsbündel der Statorwicklung (10; 10a; iOb; 10c; 10c/; 1Oe; eine Winkeiffstreckung (a) von ungefähr 90° elektrisch autweist und daß die Winkelerstreckung jedes Polstückes (17; 17e,)größer als die eines Leitungsbündels ist.
3. 3. Kommutatorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (10; 10a; 10/v, 10c; 1Oe; aus benachbarten, aufeinanderfolgenden abwechselnd jeweils gegensinnig gewickelten Spulen besteht, deren Anzahl doppelt so hoch ist wie die der Polstücke (17; 17ejl wobei jedes Leiterbündel durch die radialen benachbarten Leiter von zwei benachbarten Spulen gebildet ist (F i g. 2,3,5 und 7).
4. 4. Kommutatorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (10c/; aus beabstandeten, gleichsinnig gewickelten Spulen besteht, wobei jedes Leiterbündel d-irch die auf einer Seite der Spule liegenden radialen Leiter gebildet ist (F i g. 8).
5. 5. Kommutatorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (18, 18a; ein ringförmiger Permanentmagnet oder ein Elektromagnet ist, der fest mit den Flanschen (15, 16; 15a, 16a; des Rotors verbunden ist (Fig. 1, 4).
6. 6. Kommutatorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (18c; ein ringförmiger Permanentmagnet oder ein Elektromagnet ist. der fest mit dem Stator verbunden ist (F i g. 9).