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Kollektorloser Gleichstrommotor
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Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Ein solcher Motor ist bekannt aus der DE - OS 28 35 210. Dieser bekannte
Motor arbeitet bei Betrieb in der vorgesehenen "normalen" Drehrichtung sehr zufriedenstellend.
Wird er in der Gegenrichtung betrieben - was z.B. durch umgekehrten Anschluß der
Ein- oder Ausgänge des Hallgenerators möglich ist -, so weicht das hierbei an der
Welle abnehmbare Drehmoment in seiner Form erheblich von dem in der "normalen" Drehrichtung
ab, und es können sich Anlaufschwierigkeiten ergeben.
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Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen zweipulsigen, mit
Reluktanz-Hilfsmoment arbeitenden kollektorlosen Gleichstrommotor zu schaffen, der
in beiden Drehrichtungen betreibbar ist und die angeführten Nachteile mindestens
teilweise vermeidet.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die im Anspruch
1 angegebenen Maßnahmcn. Man erhält so eine Ruhestellung des Motors (stabiler Nullpunkt
des Reluktanzmoments), die in beiden Drehrichtungen einen gleich guten Anlauf ermöglicht
und die in beiden Drehrichtungen angenähert dieselbe Form des an der Welle abnehmbaren
Drehmoments erzeugt.
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Weiterc 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 verstchenden
Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt: Fig. 1 eine Darstellung
eines kollektorlosen Außenläufermotors, in vergrößertem Maßstab und teilweise geschnitten,
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Rotormagneten des Motors nach Fig. 1, welche dessen
Polschrägung zeigt, Fig. 3 einen Schnitt, gesehen längs der Linie III-III der Fig.
1, sowie eine zugehörige elektronische Schaltung in schematischer Darstellung, Fig.
4 eine abgewickelte Darstellung des Luftspaltverlaufs (A) bei dem Motor nach den
Fig. 1 bis 3, sowie die prinzipielle Form (B) des bei ihm elektromagnetisch erzeugten
Drehmoments, die Form des Reluktanzmoments für die eine Drehrichtung (C) und für
die entgegengesetzte Drehrichtung (D), Fig. 5 ein Blockschaltbild einer elektronischen
Anordnung zur Umsteuerung der Drehrichtung bei Verwendung eines Hall-IC oder eines
analogen Bauelements, Fig. 6 und 7 zwei Ausführungsformen für Eisenbrücken zwischen
den Statorpolspitzen zweier benachbarter ausgeprägter q Statorpole, und Fig. 8 eine
Darstellung des Aufbaus des Statorblechpakets aus unsymmetrischen Blechschnitten.
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Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Motor 10 ist ein vierpoliger
kollektorloser Außenläufermotor der zweisträngigen, zweipulsigen Bauart (zu diesen
Definitionen vergleiche den Aufsatz von Müller "Zweipulsige kollektorlose Gleichstrommotoren"
in asr eft 1 bis 2, 1977). Der Motor 10 läuft im Betricb z.B.
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mit 1500 U/min und hat einen Rotor 12 mit einer Außenläuferglocke
13, in deren Innenumfang ein vierpoliger Dauermagnetring 14 (bevorzugt ein sogenannter
Gummimagnet, also eine Mischung aus Hartferriten und elastischem Material) eingeklebt
ist. Der Ring 14 ist trapezförmig magnetisiert, d.h.
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im Bereich seiner Pole ist die Induktion jeweils über einen großen
Winkel bereich praktisch konstant und nimmt erst in der Nähe der Pollücken 15 stark
ab, so daß sich schmale Pollücken 15 ergeben, welche gemäß Fig. 2 unter einem Winkel
alpha von etwa 30° geschrägt sind. Ihr Schrägungsschritt sollte mindestens gleich
der Breite einer Nutöffnung des Stators sein. Mit 16 ist ein Rotorstellungssensor
bezeichnet. Dieser Rotorstellungssensor 16 ist bevorzugt ein Hall-IC, doch kan man
gegebenenfalls auch Feldplatten, Magnetdioden, optische Sensorelemente oder dergleichen
verwenden.
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In der Mitte der Rotorglocke 13 ist eine Hülse 17 durch Stumpfschweißen
befestigt, in die eine Welle 18 bis zum Anschlag an einen Sprengring 19 mit Preßsitz
eingeschoben ist.
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Die Welle 18 ist hier an dem anzutreibenden Gerät gelagert, z.B. in
einem Videorecorder, könnte aber natürlich ebensogut im Stator 22 in üblicher Weise
gelagert sein, wie das z.B.
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die DE - PS 26 12 464 in Fig. 2 zeigt. - In Fig. 3 der vorliegenden
Anmeldung sind Hülse 17 und Welle 18 nicht dargestellt.
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Der Stator 2h ist ein geblechter Stator, dessen Blechpaket 21 vier
ausgeprägte Pole 231 bis 234 aufweist, die durch Nuten 24 getrennt sind. Die Indizes
I bis IV beziehen sich auf die Quadranten, in denen sich diese Pole befinden. Die
Statorpole 23 haben die übliche T-form, aber der Außenumfang ihrer Polschuhe ist
zur Erzeugung eines bestimmten Verlaufs des Luftspalts 39 und damit eines Reluktanzmoments
bestimmter Form ausgebildet, wobei alle Statorpole 23 wie dargestellt dieselbe Form
haben. Diese Form ist jeweils zur Polmitte
etwa symmetrisch und
ist in abgewickelter Form in Fig. 4A dargestellt. Wie man dort erkennt, liegt in
der Polmitte jeweils eine Stelle 40 maximalen Luftspalts, und von dort ausgehend
nimmt der Luftspalt in beiden Richtungen etwa monoton bis zur jeweiligen Polspitze
41 bzw. 42 ab. An den Öffnungen 43 der Nuten 24 sind Eisenbrücken 44 vorgesehen,
die dort den Luftspalt wie dargestellt auf einen sehr kleinen Wert reduzieren.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dienen Nutenverschlußkeile mitSt-förmigem
Querschnitt als Eisenbrücken, wie das in vergrößerter Form in Fig. 7 dargestellt
ist. Man erkennt dort, daß diese Verschlußkeile mit ihren Schenkeln 45 eng gegen
die benachbarten Statorpolspitzen anliegen, so daß dort keine großen Diskontinuitäten
im Luftspaltverlauf entstehen. Eine andere Ausführungsform zeigt Fig. 6. Dort sind
in die Statorpolspitzen seitlich kleine Längsnuten 46, 47 eingearbeitet, und in
diese sind als Eisenbrücken Nutenverschlußkeile 48 von etwa V-förmigem Querschnitt
so eingeschoben; daß die Spitze des V in Richtung zum Luftspalt weist. Bevorzugt
kann das V-Profil etwas unsymmetrisch sein, wie das Fig. 6 zeigt, indem sein einer
Schenkel länger ist als sein anderer, damit die Ruhestellung des Rotors 12 dann
etwas von der Symmetrielage abweicht, wenn sich die Pollücken 15 den Eisenbrücken
44 oder 48 gegenüberstellen (sogenannte instabile Ruhestellung des Rotors 12) und
dadurch auch aus dieser Stellung ein Anlauf gewährleistet ist.
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In Fig. 3 ist die zylindrische Umhüllende 50 des Innenstators 22 durch
einen gestrichelten Kreis angedeutet, und man erkennt klar, daß die Außenseiten
der Statorpole 23 nicht Kreissektoren entsprechen, sondern daß jeweils ein Abschnitt
in Form einer dünnen, symmetrischen Sichel zur Kreissektorform fehlt. Gegebenenfalls
kann in der Polmitte der Luftspalt 39 sogar noch stärker vergrößert werden, um dort
eine besonders stabile Ruhestellung zu erhalten.
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Die Statorpole 23 sind in der dargestellten Weise mit zwci im wesentlichen
identischen Strängen 51, 52 (vorzugsweise bifilar) bewickelt, wobei die Stromflußrichtung
in den einzelnen Wicklungen in der üblichen Weise mit Punkten bzw.
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Kreuzen bezeichnet ist, vergleiche hierzu die DL - OS 28 35 210, in
der dies ausführlich erläutert ist.
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Am Statorblechpaket 21 ist mittels vier Dornen 30, von denen in Fig.
1 nur einer dargestellt ist, und mittels entsprechender Distanzglieder 31, eine
runde isolierende Platte 32 befestigt, auf der eine gedruckte Schaltung vorgesehen
ist, an die die Anschlüsse des Sensors 16 und der beiden Stränge 51, 52 angeschlossen
sind. Zum Befestigen der Platte 32 dienen Sprengringe 33, welche auf die Dorne 30
aufgepreßt sind.
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Auch der Sensor 16 ist auf der Platte 32 befestigt.
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In Fig. 1 ist unterhalb des Statorblechpakets 21 ein Montageteil 34
angeordnet, das auf ein entsprechendes Gegenstück aufgesetzt werden kann, wonach
eine Befestigung mittels dreier Schrauben 35 erfolgt, von denen in Fig. 1 nur eine
dargestellt ist und welche Löcher 36 im Blechpaket 21 durchdringen. Zur Isolation,
insbesondere in den Nuten , und zum Schutz gegen Korrosion ist das gesamte Blechpaket
21 mit einer Wirbelsinterschicht 37 überzogen.
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Fig. 3 zeigt ferner in der obersten Nut 24 eine Hilfswicklung 55,
die auf einem Eisenkern 56 aufgebracht ist, welcher sich bis zur Eisenbrücke 4t
erstreckt. Zu den benachbarten Statorwicklungen 57 und 58 ist diese Hilfswicklung
55 um 90° el. versetzt. An ihrer Stelle könnte auch eine Hilfswicklung 60 verwendet
werden, die in Fig. 3 mit gestrichelten Linien angedeutet ist und die durch Löcher
61, 62 in den Mitten der Statorpole 231 und 232 geführt ist. Diese Hilfswicklung
55 oder 60 dient zum Anlauf aus der bereits erwähnten instabilen Ruhestellung.
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ig. 3 zeigt noch eine schematische Schaltung zum Betrieb eines zweipulsigen
Motors. Statt des Hall-IC 16 ist hier ein Hallgenerator 16' dargestellt, um die
Darstellung zu vereinfachen. (Schaltungen mit Hall-ICs für zweipulsige Motoren zeigt
z.B. die DE - OS 30 44 056). Der eine Stromanschluß dieses Hallgenerators 16' ist
über einen Widerstand 64 mit einer Plusleitung 65 verbunden, an die auch die einen
Anschlüsse der beiden Stränge 51, 52 in der dargestellten Weise angeschlossen sind,
also in Sternschaltung. Der andere Stromanschluß des Hallgenerators 16' ist über
einen Widerstand 66 mit einer Minus leitung 67 verbunden.
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Die Kollektoren von zwei npn-Leistungstransistoren 68, 69 sind mit
den beiden anderen Anschlüssen der beiden Stränge 51, 52 in der dargestellten Weise
verbunden, wobei zur Umkehr der Drehrichtung bei 72 eine Vertauschung dieser Anschlüsse
möglich ist. Die Basen von 68 und 69 sind mit den Ausgängen des Hallgenerators 16'
verbunden, und ihre Emitter sind miteinander und mit dem Kollektor eines npn-Transistors
73 verbunden, dessen Emitter an die Minusleitung 67 angeschlossen ist. Seiner Basis
kann bei 74 ein Regelsignal zugeführt werden, z.B. zur Drehzahl- oder Stromregelung.
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Die Hilfswicklung 55 (oder die gleichwirkende Hilfswicklung 60) ist
mit einem Anschluß an die Plusleitung 65 angeschlossen und mit dem anderen Anschluß
mit der Anode einer Diode 75 verbunden, deren Kathode mit der Pluselektrode eines
Sondensators 76 großen Kapazitätswerts verbunden ist, dessen andere Elektrode an
die Minusleitung 67 angeschlossen ist. Parallel zum Kondensator 76 liegt ein hochohmiger
Entladungswiderstand 77, z.B. von 100 kOhm. Dieser dient dazu, nach dem Abschalten
den Kondensator 76 zu entladen. Ober einen Schalter 78 kann die Plusleitung 65 mit
einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle verbunden werden.
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Beim Schließen des Schalters 78 fließt über die Hilfswicklung 55 (oder
60) und die Diode 75 ein Ladestromimpuls zum Kondensator 76
und
erzeugt kurzzeitig ein Magnetfeld in der betreffenden Hilfswicklung 55 oder 60,
so daß der Rotor 12 einen Startimpuls erhält, falls er in seiner instabilen Ruhelage
ist, in der die Pollücken 15 den Eisenbrücken 44 gegenüberstehen.
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Ist der Rotor 12 in seiner in Fig. 2 dargestellten stabilen Ruhelage,
so wirkt beispielsweise bei Fig. 3 ein Nordpol auf den Hallgenerator 16', und es
fließt entsprechend ein Strom in dem Strang 51 oder 52, dessen Transistor 68 oder
69 dann vom Hallgenerator 16' eingeschaltet wird. Der Rotor 12 läuft dann in der
gewünschten Drehrichtung an, wobei gemäß Fig. 4A seine Pollücken 15 zunächst ein
Gebiet abnehmenden magnetisch wirksamen Luftspalts 39 durchlaufen. Unterstellt man
z.B. in Fig. 4A die Drehrichtung 80, also nach rechts, so ergibt sich der Verlauf
des Reluktanzmoments gemäß Fig. 4C.
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Mit 81 ist dort die stabile Ruhelage des Rotors 12 bezeichnet, bei
der das Reluktanzmoment den Wert Null hat. Läuft der Motor an, so wird zunächst
ein bremsendes Reluktanzmoment 82 erzeugt, weil wie gesagt, die Pollücke 15 ein
Gebiet abnehmenden magnetisch wirksamen Luftspalts durchläuft, wobei die Bremswirkung
beim Erreichen der Eisenbrücke 44 stark ansteigt und dann - wenn die Pollücke 15
direkt über ihr steht -zu Null wird (instabile Ruhelage beim Punkt 82). Anschließend
ergibt sich ein antreibendes Reluktanzmoment 83 bis zur nächsten stabilen Ruhelage
81', und dann wiederholt sich der Verlauf.
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Durch die bei Fig. 6 beschriebene unsymmetrische Form der Eisenbrücke
48 ergibt sich ein kleiner Versatz Delta t (Fig. 4B) zwischen dem Nulldurchgang
des in Fig. 4B dargestellten elektromagnetischen Antriebsmoments Mel, das für beide
Drehrichtungen etwa dieselbe Form hat, und dem instabilen Nullpunkt 82, was für
den Anlauf günstig ist.
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Wird der Rotor 12 in der Gegenrichtung 85 betrieben, so ergibt sich
bei stromlosem Motor naturgemäß dieselbe stalilc Ruhelage 81. Wenn man in Fig. 4D
einen Verlauf der Zeitachse nach links, also in Drehrichtung 85, annimmt, so ergibt
sich zunächst ein bremsendes Reluktanzmoment 86, das bei 87 zu Null wird, wenn die
Pollücke 15 über der Mitte einer Eisenbrücke 44
stclit, rintl (ills
dann bei 88 antreibend wir(l. Man erkennt, daß in Fig. lt und Fig. 4D der Verlauf
spiegelbildlich ist, d.h. in beiden Fällen hat das Drehmoment, dls an der Motorwelle
18 abgenommen wird, etwa dieselbe Form. Dies ist z.B. bei Kopfradmotoren für Videorecorder
wichtig, um in beiden Fällen dieselbe Bildform auf dem Fernsehschirm zu verhalten.
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Durch die in Fig. 2 dargestellte Schrägung der Pollücken 15 wird errcicht,
daß Diskontinuitäteil des luftspaltverlaufs an den übergangsstellen von den Statorpolenden
41 oder 42 zur benachbarten Eisenbrücke 44 bzw. 48 den Verlauf des Reluktanzmoments
praktisch nicht beeinflussen. - Ersichtlich hat in Fig. 4A der abgewickelte luftspaltsei
tige Statorumfang etwa die I:orm von flachen Tälern im Bereich der Pole mit dazwiscllenliegenden
schmalen bügeln oder Dämmen im Bereich der Statorpollücken.
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Fig. 8 zeigt, daß eine erfindungsgemäße Form des magnetisch wirksamen
Luftspalts auch mit unsymmetrischen Blechschnitten erzeugbar ist, wie sie z.B. aus
der DE - OS 28 35 210 bekannt sind. Man braucht diese nur abwechselnd richtig und
dann umgekehrt zu schichten und erhält dann einen magnetisch wirksamen Luftspalt,
der in der Polmitte am größten ist und nach beiden Seiten hin abnimmt. Fig. 8 zeigt
als oberstes Blech 90 eines, dessen lalftsp;alt im Uhrzeigersinn abnimmt, und darunter
ein umgekehrt gelegtes Blech 91, dessen Luftspalt folglich im Gegenzeigersinn abnimmt.
In der Polmitte bei 92 ist der Luftspalt am größten . Zu den Polenden hin nimmt
der magnetisch wirksame Luftspalt, also der Mittelwert aus den Blechen 90 und 91,
gemäß der strichpunktierten Linie 93 ab. Die zylindrische Umhüllende ist hier mit
94 bezeichnet. Auf diese Weise läßt sich also aus vorhandenen unsymmetrischen Blechschnitten
ein symmetrisches Statorblechpaket aufbauen.
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Naturgemäß ist die Erfindung nicht auf Außenläufermotoren beschränkt,
sondern kann in derselben Weise auch bei Innenläuferrotoren
angewendet
werden.
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Fig. 5 =eigt eine elektronische Umsteuerung der Drehrichtung~ Gleiche
oder gleichwirkende Teile wie in Fig 3 werden in Fig. 5 mit denselben bs Besugszeichen
bezeichnet und gewöhnlich nicht nochmals beschrieben.
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Bei der Anordnung nach Fig. 5 dient als Rotorstellungssensor der HaII-
IC 16, der an ei nein Ausgang eine Rechteckspannung ?t, abgibt. Diese wird einer
Stenerbaren Invertierstufe t;,' 7 augeführt, die bei 1 dclll Steuersignal 98 (vorwärts)
das Signal 96 nicht invertiert, beim Stcuersignal 99 (rückwärts) dagegen das Signal
96 invertiert. Das Signal am Ausgang der Invertierstufe 97 wird dann einer Kommutierungs-Steuerschaltung
98 zugeführt, wie sie z.B. in der DE - OS 30 44 056 dargestellt ist, und diese steuert
die Transistoren 68 und 69 und damit die Ströme in den Strängen 51 und 52.
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Auf diese Weise läuft beim Signal 98 der Motor 10 vorwärts, beim Signal
99 dagegen rückwärts. Diese Erfindung ist naturgemäß vielseitig anwendbar und nicht
auf die Anwendung bei den vorstehend beschriebeien Motoren beschränkt.