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DE29905646U1 - Bürstenloser Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit Einheiten aus gegenüberliegenden Paaren mit einem axialen Magnetfeld - Google Patents

Bürstenloser Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit Einheiten aus gegenüberliegenden Paaren mit einem axialen Magnetfeld

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DE29905646U1
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permanent magnet
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brushless
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LIN SHOU MEI
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LIN SHOU MEI
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Description

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Bürstenloser Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit Einheiten aus gegenüberliegenden Paaren mit einem axialen Magnetfeld
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotor, insbesondere gegenüberliegende Paare eines bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotors mit einem axialen Magnetfeld, mit dem eine niedrige und mittlere Drehzahl, eine hohe Drehkraft und eine hohe Leistung erzielt werden.
Gewöhnliche Elektromotoren haben meist ein radiales Magnetfeld. Da der Rotor dieser Art von Elektromotoren nur von einer Seite eine Schubkraft erfährt, sind die Anzahl der Pole und der Prozentsatz der Raumnutzung dieser bekannten Elektromotoren gering. Es ist auch eine andere Art von Elektromotoren bekannt, bei welchen ein axiales Magnetfeld verwendet wird. Diese Elektromotoren sind jedoch Einphasenwechselstrommotoren, Zwei- oder Dreiphasensynchronmotoren/Synchron-Induktionsmotoren, Permanentmagnet-Schrittmotoren, mit magnetischem Widerstand arbeitende Motoren oder Permanentmagnet-Synchronmotoren.
Aufgrund der Verbesserung der Magnetisierung und Polarisation von Stahlmaterialien sowie der Kostenreduzierung von magnetischen Rubidium-Borax-Seltenerdmetallen wurden Permanentmagnet-Gleichstrommotoren auf verschiedenen Gebieten umfangreich verwendet. Da hochintensiv magnetische Materialien umfangreich verwendet werden, sind Permanentmagnet-Gleichstrommotoren im Vergleich dünner und leichter als entsprechende Wechselstrommotoren und
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sparen auch mehr Energie als entsprechende Wechselstrommotoren. Auf bestimmten Anwendungsgebieten sind Permanentmagnet-Gleichstrommotoren in ihren Eigenschaften den Wechselstrommotoren überlegen. Darüber hinaus wird durch die schnelle Entwicklung der Halbleiterindustrie in den letzten Jahren die Anwendung von bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotoren auf den Gebieten der elektronischen, digitalen Servosteuerung deutlich verbessert. Bisher wurden jedoch noch keine gegenüberliegenden Paare eines bürstenlosen Permanentmagnet-„Gleichstrommotors" mit axialem Magnetfeld offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bürstenlosen Permanent-Gleichstrommotor mit gegenüberliegenden Paaren mit axialem Magnetfeld zu schaffen, der eine oder mehr als eine Drehmomentkurve erzeugt.
Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen bürstenlosen Permanent-Gleichstrommotor mit gegenüberliegenden Paaren mit axialem Magnetfeld zu schaffen, bei dem der Prozentsatz der Raumnutzung und das erzeugbare Drehmoment durch die Verdoppelung der Anzahl der Pole erhöht werden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen bürstenlosen Permanent-Gleichstrommotor mit gegenüberliegenden Paaren mit axialem Magnetfeld zu schaffen, bei welchem ein Rotor mit zwei gegenüberliegenden elektromagnetischen Statoren verwendet wird, wodurch ermöglicht wird, dass der Rotor von zwei gegenüberliegenden Seiten eine stetige Schubkraft erfährt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Einheit aus gegenüberliegenden Paaren eines bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotors mit axialem Magnetfeld einen Rotor, zwei Statoren und ein Steuersystem auf. Der Rotor
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weist eine Vielzahl von in gleichem Winkel beabstandeten Permanentmagneten auf, wobei die Polarität von jeweils zwei nebeneinander liegenden Permanentmagneten axial in umgekehrter Richtung vorgesehen ist. Die Statoren sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Rotors axial angeordnet. Jeder Stator weist eine Vielzahl von in gleichem Winkel beabstandeten elektromagnetischen Zonen auf, die dem Rotor gegenüberliegen, wobei jede elektromagnetische Zone mindestens eine Wicklung aufweist. Das Steuersystem weist mindestens einen Sensor auf, um den Phasenwinkel und die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors zu erfassen. Das Steuersystem steuert die Verbindung des Gleichstroms und dessen Richtung an jeder der Wicklungen an den elektromagnetischen Zonen, wodurch ermöglicht wird, dass die Wicklungen an den elektromagnetischen Zonen mit dem Rotor die Eigenschaft mindestens eines Teilmotors Ml, M2, ... erzeugen. Durch die Erfassung der Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors durch den Sensor steuert das Steuersystem die gegenüberliegenden Paare des bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotors mit axialem Magnetfeld so, dass sie in verschiedenen Motorbetriebskombinationen arbeiten und ein unterschiedliches Drehmoment erzeugen. Das Steuersystem kann ein Gleichstrom-Phasenänderungs-Steuersystem, ein Phasenänderungs-Steuersystem von Wechselstrom in Gleichstrom, ein manuelles Steuersystem oder ein anderes, äquivalentes Steuersystem sein. Vorzugsweise wird ein elektronisches Phasenänderungs-Steuersystem mit einer Dreiphasen-Brücke mit sechs Anschlüssen verwendet, d.h. der Motor arbeitet nach dem Prinzip der elektronischen Shift-Steuerung. Der Sensor kann ein Hall-Sensor sein, oder ein äquivalentes Element, das den Phasenwinkel und die Polaritätsposition erfassen kann. Vorzugsweise wird ein Sensor in Form eines Hall-ICs verwendet.
Die unterschiedlichen Teilmotoren können hinsichtlich ihrer Eigenschaften als ungleiche Motoren (Ml f M2 &phgr; ...) oder als gleiche Motoren (Ml = M2 = ...)
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vorgesehen sein. Die Wicklungen an jeder elektromagnetischen Zone sind auf einen Eisenkern gewickelt, vorzugsweise auf einen mit einem Band umwickelten Eisenkern. Um mehrfache Motorkombinationen zu erzielen und damit noch mehr unterschiedliche Drehmomentänderungen zu ermöglichen, kann mehr als ein Rotor mit einem entsprechenden Paar gegenüberliegender Statoren verwendet werden.
Die Permanentmagneten am Rotor sind durch Einsetzen, Kleben, Presspassung oder eine beliebige andere Befestigungsmaßnahme in gleichem Winkel an dem Rotor befestigt. Die Permanentmagneten werden vorzugsweise hergestellt, indem Stahlelemente in eine Form gegeben werden, indem dann eine Aluminiumlegierung, ein Kunststoffwerkstoff, eine lose Formmasse (BMC), eine kittartige Formmasse (DMC), oder ein anderer nicht magnetisch leitender Duroplast in die Form eingespritzt oder gepresst wird, wodurch ermöglicht wird, dass die Stahlelemente jeweils mit einer Schicht aus einem nicht magnetisch leitenden Material bedeckt werden, indem dann die mit dem Material bedeckten Stahlelemente oberflächenbehandelt werden, und indem schließlich die oberflächenbehandelten, mit dem Material bedeckten Stahlelemente magnetisiert werden, um die Endprodukte herzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch die gegenüberliegenden Paare eines bürstenlosen
Permanentmagnet-Gleichstrommotors mit axialem Magnetfeld nach der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 eine perspektivische Sprengansicht des Gleichstrommotors gemäß Fig. 1;
Fig. 3-5 die Anordnung der Dreiphasen-Wicklungen nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 die Brücken struktur eines elektronischen Gleichstrom-Phasenwechsel-Brückensteuerungssystems für drei Phasen mit sechs Anschlüssen nach der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 7-12 Schnitte, aus denen der kontinuierliche Ablauf des Zwei-Motoren-Betriebsmodus nach der vorliegenden Erfindung ersichtlich wird;
Fig. 13 den Betrieb eines Einzelmotors M2 nach der vorliegenden Erfindung; 15
Fig. 14 den Betrieb des anderen Einzelmotors Ml nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 15 eine Geschwindigkeit/Drehmoment-Kurve nach der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 16 eine alternative Form der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUS-FÜHRUNGSFORM
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Herstellung eines bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotors für niedrige oder mittlere Drehzahlen mit hohem Drehmoment und hoher Leistung geeignet.
In Fig. 1 ist ein dreiphasiger, zweipoliger, bürstenloser Permanentmagnet-Gleichstrommotor dargestellt, bestehend aus einer Welle 5, einem auf der Welle 5 befestigten Rotor 3 und zwei gegenüberliegenden Statoren 1 und 2, die dem Rotor 3 jeweils an zwei entgegengesetzten Seiten gegenüberliegen. Der Rotor 3 weist 16 Permanentmagneten 31 auf, die um dessen Mittelpunkt in gleichem Winkel beabstandet sind. Die Polarität von jeweils zwei nebeneinander liegenden Permanentmagneten 31 ist axial in umgekehrter Richtung angeordnet. Die Permanentmagneten 31 des Rotors 2 werden hergestellt, indem Stahlelemente in eine Form gegeben werden, indem dann eine Aluminiumlegierung, ein Kunststoffwerkstoff, eine lose Formmasse (BMC), eine kittartige Formmasse (DMC) oder ein anderer nicht magnetisch leitender Duroplast in die Form eingespritzt oder gepresst wird, wodurch ermöglicht wird, dass die Stahlelemente jeweils mit einer Schicht aus einem nicht magnetisch leitenden Material bedeckt werden, indem dann die mit dem Material bedeckten Stahlelemente oberflächenbehandelt werden, und indem schließlich die oberflächenbehandelten, mit dem Material bedeckten Stahlelemente magnetisiert werden, um die Endprodukte herzustellen.
Die Statoren 1 und 2 sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Rotors 3 axial angeordnet; jeder von ihnen weist eine Innenseite 10 oder 20 sowie 24 elektromagnetische Zonen 11 oder 21 auf, die auf der Innenseite 10 oder 20 in gleichem Winkel beabstandet sind. Jede der elektromagnetischen Zonen 11 oder 21 besteht aus zwei Wicklungen 12; 13 oder 22; 23 auf der Innenseite und der Außenseite eines entsprechenden, mit einem Band umwickelten Eisenkerns.
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Die Figuren 3 bis 5 stellen die Anordnung der Dreiphasen-Wicklungen nach der vorliegenden Erfindung dar. Die 24 elektromagnetischen Zonen 11 des Stators 1 sind in drei Gruppen A, B und C angeordnet, die in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind. Die ersten Wicklungen 12 der gleichen elektromagnetischen Zonengruppe A (oder B oder C) werden auf die jeweiligen, mit einem Band umwickelten Eisenkernen auf einer Innenseite aufgewickelt und dann miteinander verbunden. Die zweiten Wicklungen 13 der gleichen elektromagnetischen Zonengruppe A (oder B oder C) werden auf die jeweiligen, mit einem Band umwickelten Eisenkerne auf einer Außenseite aufgewickelt und dann miteinander verbunden. Die Wicklungen 22 und 23 am Stator 2 werden auf die gleiche Weise
angeordnet.
Der vorgenannte dreiphasige, zweipolige, bürstenlose Permanentmagnet-Gleichstrommotor wird mit einem elektronischen Gleichstrom-Phasenwechsel-Brückensteuerungssystem 4 für drei Phasen mit sechs Anschlüssen eingesetzt.
Fig. 6 zeigt die Brückenstruktur des Brückensteuerungssystems 4 und dessen Feld-Leistungsschalter, der zwischen Ml, M2 und M1+M2 hin- und herschaltet. Der Sensor 40 (siehe Fig. 3 bis 5) besteht aus drei Hall-IC's (Hl, H2 und H3) und wird verwendet, um den Phasenwinkel und die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 3 zu erfassen.
Nach dem Erfassen des Phasenwinkels und der Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 3 durch die Hall-IC's (Hl, H2 und H3) verbindet das elektronische Gleichstrom-Phasenwechsel-Brückensteuerungssystem 4 für drei Phasen mit sechs Anschlüssen den Gleichstrom mit den Wicklungen 12 und 13 an der gleichen elektromagnetischen Zone 11 (oder 21) in der gleichen Richtung (oder mit Masse) und verbindet darüber hinaus den Gleichstrom mit den Wicklungen 12 und 13 an drei nebeneinander liegenden, unterschiedlichen elektroma-
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gnetischen Zonen 11 in verschiedenen Richtungen (oder mit Masse), wodurch ermöglicht wird, dass jeweils drei nebeneinander liegende elektromagnetische Zonen 11 (oder 21) sechs axiale Magnetfeldkombinationen (gemäß Fig. 7 bis 12) bilden. Außerdem steuert es die Statoren 1 und 2 so, dass die elektromagnetisehen Zonen 11 und 21 an den verschiedenen Statoren 1 und 2 umgekehrte axiale Magnetfelder aufweisen, oder es wird gleichzeitig eine Verbindung mit Masse hergestellt, so dass überhaupt kein Magnetfeld vorliegt. Demzufolge können die Richtungen der umgekehrten axialen Magnetfelder der Reihe nach abwechselnd verändert werden. Somit bilden die Wicklungen 12 und 22 an den jeweiligen elektromagnetischen Zonen 11 und 21 an den Statoren 1 und 2 mit dem Rotor 3 einen ersten Teil-Elektromotor M2, und die Wicklungen 13 und 23 bilden mit dem Rotor 3 einen zweiten Teil-Elektromotor Ml.
Startet das Kraftfahrzeug aus der Geschwindigkeit V0, so ist eine hohe Drehkraft erforderlich (wie in Fig. 15 dargestellt). Wenn die Hall-IC's (Hl, H2 und H3) eine niedrige Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 3 erfassen, verbindet das elektronische Gleichstrom-Phasenwechsel-Brückensteuerungssystem 4 für drei Phasen mit sechs Anschlüssen den Gleichstrom mit unterschiedlicher Phase gleichzeitig mit den Wicklungen 12, 13, 22, 23 an unterschiedlichen elektromagnetischen Zonen 11,21 an den Statoren 1, 2 und ändert dort die Phasen in vorherbestimmter Weise, d.h. der Elektromotor arbeitet nach dem Prinzip der Elektronik, wodurch ermöglicht wird, dass sowohl der Elektromotor M2 als auch der Elektromotor Ml gleichzeitig eine Kraft auf den Rotor 3 ausüben, so dass die Eigenschaft M1+M2 erzeugt wird. Die Figuren 7 bis 12 zeigen Schnitte, aus welchen der kontinuierliche Betrieb des Rotors 3 ersichtlich wird, d.h. wie er abwechselnd durch die abstoßende Kraft aus den Wicklungen 12, 13; 22, 23 angetrieben wird. Dies ist der Grund, warum der Rotor 3 kontinuierlich vorwärts bewegt wird, wodurch ein Zwei-Motoren-Betriebsmodus erzielt wird.
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Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 3 nach dem Starten allmählich erhöht wird und eine niedrige Rotationsgeschwindigkeit VL des Rotors 3 durch die Hall-IC's (Hl, H2 und H3) erfasst wird, verbindet das Steuersystem 4 den Gleichstrom mit unterschiedlicher Phase nur mit den Wicklungen 12 und 22 oder nur mit Masse. Fig. 13 zeigt den Betriebsmodus nur eines einzigen Motors M2.
Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 3 auf eine hohe Geschwindigkeit VH erhöht wird, verbindet das Steuersystem 4 alternativ den Gleichstrom mit unterschiedlicher Phase mit den Wicklungen 13 und 23 oder nur mit Masse. Fig.
14 zeigt den anderen Betriebsmodus nur eines einzigen Motors M2.
Fig. 15 zeigt eine V-T-Kurve (V steht für Geschwindigkeit, T für Drehmoment) nach der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Ausführungsform steuert den Übergang des elektrischen Stroms bei unterschiedlicher Drehzahl, um einen Zwei-Motoren-Betriebsmodus M1+M2 oder einen Einzelmotor-Betriebsmodus M2 oder Ml zu erzielen, so dass drei Drehzahlkurven-Kombinationen gebildet werden. Somit erzielt die Erfindung den Effekt der elektronischen Phasenänderung und des elektronischen Schaltens der Gänge eines Kraftfahrzeugs, dessen Drehzahl sich ändert.
Da zwei gegenüberliegende Statoren auf zwei entgegengesetzten Seiten eines Rotors angeordnet sind, wird die Anzahl der Pole relativ verdoppelt, der Prozentsatz der Raumnutzung wird erhöht, und ein hohes Ausgangsdrehmoment, das einem Motor von ähnlicher Größe mit radialem Magnetfeld überlegen ist, kann geschaffen werden. Da von zwei entgegengesetzten Seiten eine magnetische Schubkraft gleichmäßig auf den Rotor ausgeübt wird, ist auch die Rotation des Rotors gleichmäßig.
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Fig. 16 zeigt eine alternative Form der vorliegenden Erfindung. Diese alternative Form besteht aus zwei Rotoren 3 und 3', und zwei Sätze von gegenüberliegenden Statoren 1; 2 und &Ggr;; 2' sind jeweils auf zwei entgegengesetzten Seiten jedes der Rotoren 3 und 3' angeordnet. Somit bildet diese Anordnung vier Motoren Ml, M2, M3 und M4, die separat benützt oder miteinander kombiniert werden können, um eine Kombination aus einer Reihe von Kombinationen zu bilden. Wie dargestellt, sind zwei nebeneinander liegende Statoren 2 und 2' einstückig miteinander ausgebildet, um Platz und Kosten zu sparen. Die Statoren 2 und 2' können jedoch auch getrennt voneinander ausgebildet sein, falls gewünscht.
Es versteht sich, dass die Zeichnung nur der Veranschaulichung dient und nicht als Definition der Grenzen und des Umfangs der offenbarten Erfindung zu werten ist.
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Claims (5)

18305na.doc .. Schutzansprüche
1. Bürstenloser Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit gegenüberliegenden Paaren mit axialem Magnetfeld, bestehend aus:
einem Rotor, der eine Vielzahl von im gleichen Winkel um dessen Mittelpunkt herum beabstandeten Permanentmagneten aufweist, wobei die Polarität von jeweils zwei nebeneinander liegenden Permanentmagneten axial in umgekehrter Richtung vorgesehen ist;
zwei gegenüberliegenden Statoren, die auf zwei entgegengesetzten Seiten des Rotors axial angeordnet sind, wobei jeder Stator eine Vielzahl von in gleichem Winkel beabstandeten elektromagnetischen Zonen aufweist, die jeweils dem Rotor gegenüberliegen, und wobei jede elektromagnetische Zone mindestens eine Wicklung aufweist; und
einem Steuersystem, das die Verbindung und die Richtung des Gleichstroms an jeder der Wicklungen an den elektromagnetischen Zonen steuert, wodurch ermöglicht wird, dass die Wicklungen mit dem Rotor mindestens einen Teilmotor bilden, wobei das Steuersystem mindestens einen Sensor aufweist, um den Phasenwinkel und die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors zu erfassen;
wobei durch die Erfassung der Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors durch den Sensor das Steuersystem die gegenüberliegenden Paare des bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotors mit axialem Magnetfeld so steuert, dass sie in verschiedenen Motorbetriebskombinationen arbeiten und ein unterschiedliches Drehmoment erzeugen.
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2. Bürstenloser Permanentmagnet-Gleichstrommotor nach Anspruch 1, bei welchem das Steuersystem ein Gleichstrom-Steuersystem mit einer Dreiphasen-Brückenschaltung mit sechs Anschlüssen ist.
3. Bürstenloser Permanentmagnet-Gleichstrommotor nach Anspruch 1, bei welchem das Steuersystem ein elektronisches Phasenänderungs-Steuersystem ist.
4. Bürstenloser Permanentmagnet-Gleichstrommotor nach Anspruch 1, bei welchem der Sensor aus mindestens einem Hall-IC besteht.
5. Bürstenloser Permanentmagnet-Gleichstrommotor nach Anspruch 1, bei welchem die elektromagnetischen Zonen jeweils einen mit einem Band umwickelten Eisenkern aufweisen.
DE29905646U 1999-03-23 1999-03-26 Bürstenloser Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit Einheiten aus gegenüberliegenden Paaren mit einem axialen Magnetfeld Expired - Lifetime DE29905646U1 (de)

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