DE1276796B

DE1276796B - Selbstanlaufender kollektorloser Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE1276796B
Application number: DEN24574A
Authority: DE
Inventors: Johannes Hendrik Wessels
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1963-03-12
Filing date: 1964-03-07
Publication date: 1968-09-05
Also published as: BE644975A; GB1011479A; CA788070A; SE211698C1; NL290123A; IT717632A; FR1389181A; DK109154C; AT251096B; NL135547C; JPS438771B1; CH418445A; NO116428B; US3299335A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H02k

Deutsche KL: 21 dl-39

Nummer: 1276 796

Aktenzeichen: P 12 76 796.3-32 (N 24574)

Anmeldetag: 7. März 1964

Auslegetag: 5. September 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstanlaufenden kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem polarisierten, vorzugsweise dauermagnetischen Läufer und mindestens zwei Spulengruppen im Ständer, die je aus mindestens einer Spule bestehen, deren Ströme zu jedem Zeitpunkt durch die Lage des Läufers, bezogen auf den Ständer, derart elektronisch steuerbar sind, daß vom Läufer wechselweise Schalter in den an der Speisespannung des Motors liegenden Stromkreisen der Ständerspulen geschaltet werden und in jeder Lage des Läufers der Schalter im Stromkreis mindestens einer Gruppe von Ständerspulen eingeschaltet ist.

Bei einer bekannten Ausführungsform eines solchen Motors liegen die zwei Hälften der Ständerspule je im Kollektorkreis eines Schalttransistors, wobei der Transistor von einer Spannung geschaltet wird, die in einer einen Teil des Emitterkreises des Transistors bildenden Hilfsspule von Dauermagneten des drehenden Läufers erzeugt wird. Nachteilig ist dabei, daß ao infolge des Vorhandenseins einer möglichen Totlage des Läufers der Anlauf des Motors nicht immer gewährleistet ist.

Dies ist bei einem anderen bekannten Motor des obenerwähnten Typs dadurch vermieden, daß ein zusätzlicher Hilfsmagnet den Läufer den Spulen gegenüber in einer asymmetrischen Ruhelage festhält, um für den Anlauf einen zusätzlichen Anlaufimpuls zu verwenden.

Der Hilfsmagnet verursacht aber mehr oder weniger große Schwankungen des Drehmomentes.

Es ist weiterhin ein Motor bekannt, dessen Rotorwelle an einem Ende schräg verläuft; die so entstandene Fläche wirft das von einer Lichtquelle ausgehende Licht in zyklischer Folge in Abhängigkeit von der Rotorposition auf je ein photoelektrisches Halbleiterelement, womit dann die Motorspulen gesteuert werden. Dieser Motor ist nur selbstanlaufend beim Vorhandensein von mindestens zwei Statorpolpaaren, da sonst wieder Totlagen auf- 4" treten.

Auch ist ein Motor bekannt, in dem zur Vermeidung von Anlaufschwierigkeiten ein Hochfrequenzgenerator vorgesehen ist, der über einen Transformator eine Anzahl Sekundärwicklungen gleich der Anzahl Spulen speist, die über einen Serienwiderstand mit einem kapazitiven, mit der Rotorwelle verbundenen Kommutator verbunden sind, wobei die Hochfrequenzspannungen über die Serienwiderstände gleichgerichtet und als Steuergroßen den Verstärkern zur Speisung der Statorspulen zugeführt werden.

Selbstanlaufender kollektorloser
Gleichstrommotor

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F.-J. Kupfermann, Patentanwalt,

2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:
Johannes Hendrik Wessels,
Emmasingel, Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 12. März 1963 (290123) --

Es ist Aufgabe der Erfindung, Totlagen des Rotors ohne zusätzliche Bauteile zu vermeiden.

Die gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst, daß gemäß der Erfindung bei dem eingangs geschilderten Motor zwischen je zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Paaren von ungleichartigen Magnetpolen des Läufers ein nichtmagnetischer Teil liegt.

Damit sind Totlagen ohne zusätzliche Bauteile vermieden, und ein Anlauf des Motors ist immer gewährleistet.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen je zwei aufeinanderfolgenden, den Ständerspulen zugeordneten Ständerhauptpolen ein Hilfspol angebracht und die am Umfang des Läufers gemessene Länge jedes nichtmagnetischen Teiles des Läufers mindestens etwa gleich der Summe der Polbreite eines Ständerhauptpoles und des zwischen dem Ständerhauptpol und dem nächstliegenden Hilfspol vorhandenen Luftspaltes.

Durch die Anbringung von Hilfspolen wird die Impedanz des äußeren Magnetkreises nahezu konstant, während infolge der erwähnten Wahl der Länge der nichtmagnetischen Teile während der Zeit, in der die diesen Polen zugeordneten Spulen eingeschaltet sind (der sogenannte Arbeitsbereich), die Flußänderung durch die Hauptpole in Abhängigkeit vom Drehwinkel und somit auch das auf den Läufer ausgeübte Drehmoment konstant sind; das letztere tritt allerdings nur ein, wenn der Strom durch die Statorspulen konstant ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Länge jedes nichtmagnetischen Teiles gleich zwei Drittel der Teilung der Hauptpole.

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Dadurch wird der verfügbare Magnetfluß optimal zusammen eine Gruppe bilden, während die Hauptausgenutzt, während der Arbeitsbereich möglichst pole 4 und 6 mit Ständerspulen 13 und 14 versehen

groß ist. sind, die eine zweite Gruppe bilden. Das Gehäuse 2

Zwecks Konstanthaltung des Statorstromes und wird oben von einem Deckel 15 abgeschlossen, in

des Drehmoments soll die Umschaltung von einer 5 dem ein Lager 16 angebracht ist, das die Läuferwelle

auf die andere Motorspulengruppe ohne Überlappung 17 hindurchläßt, die an ihrem anderen Ende in einem

geschehen. Dazu können in einem Motor zwei Lager 18 aufgenommen ist. Auf der Läuferwelle 17

Gruppen von Ständerspulen vorgesehen sein und kann sitzt der Läufer 19, der vorzugsweise aus einem

der Schalter im Stromkreis einer Gruppe von Ständer- keramischen dauermagnetischen Material besteht,

spulen aus einem lichtempfindlichen Element be- ίο nämlich aus Hexaferriten von Ba, Sr oder Pb, und

stehen, das sein Licht durch Mittel auf dem Läufer auf die in der Figur angegebene Weise magnetisiert

periodisch von einer Lichtquelle empfängt, während ist. Zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Paaren

der Schalter im Stromkreis der anderen Gruppe von von Magnetpolen liegt ein nichtmagnetischer Teil,

Ständerspulen über eine Kippschaltung derart vom dessen Länge über den Umfang gemessen gleich der

ersten Schalter betätigt wird, daß zu den Zeitpunkten, 15 Summe der Breite eines Hauptpoles und des Luft-

zu denen sich der auf den ersten Schalter fallende Spaltes zwischen einem Hauptpol und einem benach-

Lichtstrom ändert, der zweite Schalter eingeschaltet barten Hilfspol ist. Auf der Rotorwelle sitzt weiter

wird, wenn der erste Schalter ausgeschaltet wird, und eine Scheibe 20, die mit Schlitzen 21 versehen ist, die

umgekehrt. zu den gewünschten Zeitpunkten das Licht einer

Hierdurch wird auf einfache Weise erreicht, daß 20 Glühlampe 22 hindurchlassen, durch das das lichtunter Verwendung nur eines lichtempfindlichen EIe- empfindliche Element 23 betätigt wird, das die Einments jederzeit eine Gruppe von Ständerspulen ein- schaltung der Gruppen von Ständerspulen 11, 12 geschaltet ist. bzw. 13,14 besorgt.

Es ist auch möglich, daß jeder Schalter aus einem Der Läufer kann auch in bekannter Weise an der

lichtempfindlichen Element besteht, das sein Licht 25 Außenseite des Ständers angebracht sein, dabei kön-

infolge der erwähnten-Mittel auf dem Läufer perio- nen die Magneten auf der Innenseite eines Stahl-

disch von einer Lichtquelle empfängt, wobei während mantels festgeklebt sein.

einer Lichtänderung bei einem der Schalter eine Infolge der in Fig. 2 dargestellten Magnetisie-

Lichtänderung in entgegengesetztem Sinn zyklisch rungsart ergibt sich ein Fluß Φ durch die Ständerpole,

bei einem der anderen Schalter auftritt oder kurz 30 der in Abhängigkeit vom Drehwinkels so verläuft,

vorher bereits aufgetreten ist, derart, daß, wenn der wie dies in Fig. 3 dargestellt wird,

erste Schalter durch die zuerst erwähnte Lichtände- Durch diesen radial asymmetrischen Verlauf des

rung ausgeschaltet wird, der andere Schalter bzw. die Flusses Φ werden dabei durch geeignete Wahl der

anderen Schalter eingeschaltet wird bzw. werden, Steuerung des die Ständerspulen durchfließenden

und umgekehrt. 35 Stromes Totpunkte vermieden. Wird der Zeitraum,

Dies ermöglicht es, den Motor gemäß der Erfin- während dem z. B. die aus den Spulen 11, 12 be-

dung bei mehr als zwei Gruppen von Ständerspulen stehende Spulengruppe eingeschaltet ist, so gewählt,

zu verwenden. daß der Fluß Φ₁ durch die zugeordneten Ständer-

Die erwähnten Mittel auf dem Läufer können aus pole 3 und 5 gemäß der Linie A B verläuft, und der

schlitzförmigen Löchern bestehen, die in einer am 40 Zeitraum, während dem die aus den Spulen 13 und

Läufer befestigten flachen Scheibe regelmäßig über 14 bestehende Gruppe eingeschaltet ist, so gewählt,

einen Kreisumfang verteilt angebracht sind und deren daß der Fluß Φ₂ durch die Spulen 13 und 14 gemäß

Zahl gleich der Zahl der Ständerpolpaare ist. Durch der Linie C D verläuft, so dürfte es einleuchten, daß

einen derartigen Aufbau wird der Lichtstrom von der unabhängig von der Lage des Läufers auf diesen ein

Lichtquelle zum lichtempfindlichen Element auf sehr 45 Drehmoment ausgeübt wird, wenn jederzeit minde-

einfache und zuverlässige Weise eingeschaltet bzw. stens ein Ständerspulensatz eingeschaltet ist, wie dies

unterbrochen. durch die gestrichelten Linien für Z₁ und i₂ angegeben

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in ist Wird dabei dafür Sorge getragen, daß die Summe

der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Ströme durch die zwei Gruppen von identischen

näher erläutert. 50 Ständerspulen konstant ist, so ist auch das Antriebs-

Mctoi" und' ^{ein SChnitt dUrCh eineQ k0llekt0rl0Sen} drehmoment konstant, weil «t- konstant ist.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf diesen Motor längs Wenn die Länge der nichtmagnetischen Teile des

der Linie A-A der F i g. 1 mit der erfindungsgemäßen Läufers längs des Umfanges größer als die Breite Ausbildung des Läufers; 55 eines Hauptpoles sein würde, wobei jeder magneti-

Fig. 3 stellt die Beziehung zwischen dem Fluß Φ sehe Teil gleich der Breite eines Hauptpoles ist, so durch die Hauptpole und dem Drehwinkel φ des verliefe die Kurve auf die in F i g. 4 dargestellte Läufers dar: „_r . , άΦ .. .., ,. rr, ·, . _D ■, ^_n

Fig. 4 und 5 stellen das gleiche für eine andere ^{Weise und} Ύ^ ^{ware uber} ^±e ^Tede ^AB ^und ^CD Verteilung der magnetischen Teile des Läufers dar, 60 nicht mehr konstant,
während Wird die Länge der magnetischen Teile größer als

Fig. 6 eine Kippschaltung zum Steuern des Motors die Breite des Hauptpoles gewählt, so werden die mit dem Läufer gemäß der Erfindung zeigt. Spitzen bei A B abgeplattet und der verfügbare Fluß

In den Fig. 1 und 2 besteht der Motor aus einem nicht optimal ausgenutzt, wie dies in Fig. 5 darge-Gehäuse 1, in dem ein Ständerpaket 2 angebracht ist, 65 stellt ist.

das aus vier Hauptpolen 3, 4, 5 und 6 und vier Hilfs- Die vorteilhafteste Ausführungsform ist die, bei der

polen 7, 8, 9 und 10 besteht. Auf den Hauptpolen 3 die in Richtung des Umfanges gemessene Länge und 5 sind Ständerspulen 11 und 12 vorgesehen, die jedes nichtmagnetischen Teiles des Läufers gleich

der Breite eines Hauptpoles zuzüglich des Luftspaltes zwischen diesem Hauptpol und dem benachbarten Hilfspol ist.

Eine besonders geeignete Steuerung ist die mit Hilfe von lichtempfindlichen Elementen, wie z. B. Photozellen und Phototransistoren, weil dabei jede Funkenstörung vermieden wird.

Eine sehr günstige Lösung für eine solche Steuerung ist die mittels eines Phototransistors, der einen Teil einer Kippschaltung bildet, wie dies in F i g. 6 dargestellt ist, in der die Kippschaltung 30 dadurch gesteuert wird, daß Licht auf einen Phototransistor fällt und zu geeigneten Zeitpunkten unterbrochen wird. Die Spannungen im Kollektorkreis der Transistoren steuern je ein vorzugsweise elektronisches Relais 32 bzw. 33, das den für die Ständerspulen erforderlichen Strom liefern kann. Selbstverständlich können die Transistoren der Kippschaltung die Speisung der Ständerspulen auch unmittelbar versorgen, wenn sie selber den erforderlichen Strom liefern können. Der Strom durch die Spulen ist in Fig. 3 durch die ausgezogenen Linien dargestellt. Infolge der Verwendung der Kippschaltung genügt ein einziges lichtempfindliches Element für die Steuerung.

Claims

Patentansprüche:

1. Selbstanlaufender kollektorloser Gleichstrommotor mit einem polarisierten, vorzugsweise dauermagnetischen Läufer und mindestens zwei Spulengruppen im Ständer, die je aus mindestens einer Spule bestehen, deren Ströme zu jedem Zeitpunkt durch die Lage des Läufers, bezogen auf den Ständer, derart elektronisch steuerbar sind, daß vom Läufer wechselweise Schalter in den an der Speisespannung des Motors liegenden Stromkreisen der Ständerspulen geschaltet werden und in jeder Lage des Läufers der Schalter im Stromkreis mindestens einer Gruppe von Ständerspulen eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Paaren von ungleichartigen Magnetpolen des Läufers ein nichtmagnetischer Teil liegt.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei aufeinanderfolgenden, den Ständerspulen zugeordneten Ständerhauptpolen ein Hilfspol angebracht ist und die am Umfang des Läufers gemessene Länge jedes nichtmagnetischen Teiles des Läufers mindestens etwa gleich der Summe der Polbreite eines Ständerhauptpoles und des zwischen dem Ständerhauptpol und dem nächstliegenden Hilfspol vorhandenen Luftspaltes ist.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jedes nichtmagnetischen Teiles gleich zwei Drittel der Teilung der Hauptpole ist.

4. Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gruppen von Ständerspulen vorgesehen sind und der Schalter im Stromkreis einer Gruppe von Ständerspulen aus einem lichtempfindlichen Element besteht, das sein Licht durch Mittel auf dem Läufer periodisch von einer Lichtquelle empfängt, während der Schalter im Stromkreis der anderen Gruppe von Ständerspulen über eine Kippschaltung derart vom ersten Schalter betätigt wird, daß zu den Zeitpunkten, zu denen sich der auf den ersten Schalter fallende Lichtstrom ändert, der zweite Schalter eingeschaltet wird, wenn der erste Schalter ausgeschaltet wird, und umgekehrt.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schalter aus einem lichtempfindlichen Element besteht, das sein Licht durch Mittel auf dem Läufer periodisch von einer Lichtquelle empfängt, daß während einer Änderung des auf einen der Schalter fallenden Lichtes zyklisch eine Änderung des auf einen der anderen Schalter fallenden Lichtes in entgegengesetztem Sinn auftritt oder kurz vorher bereits aufgetreten ist, derart, daß nach Ausschaltung des einen Schalters durch die Lichtänderung der andere Schalter bzw. die anderen Schalter eingeschaltet ist bzw. sind, und umgekehrt.

6. Motor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die das Licht verteilenden Mittel auf dem Läufer aus schlitzförmigen Löchern bestehen, die in einer am Läufer befestigten flachen Scheibe regelmäßig über einen Kreisumfang verteilt angebracht sind und deren Zahl gleich derjenigen der Läuferpolpaare ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1108 312,1109 779; französische Patentschriften Nr. 1236 687,458 380; britische Patentschrift Nr. 873 797.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1168 549.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen