DE2618293C2

DE2618293C2 -

Info

Publication number: DE2618293C2
Application number: DE2618293A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr.-Ing. 7742 St Georgen De Mueller
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1976-04-27
Filing date: 1976-04-27
Publication date: 1987-06-19
Also published as: DE2618293A1; US4160797A

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Motoren gemäß DE-OS 24 19 432 wird aus den dort angegebenen Gründen um den theoretischen Kommutierungszeitpunkt herum jeweils eine Stromlücke erzeugt, d. h. der Strom in der einen Motorwicklung wird vor diesem Zeitpunkt zu Null gemacht oder jedenfalls stark reduziert, und der Strom in der nachfolgenden Wicklung wird erst nach diesem theoretischen Kommutierungszeitpunkt eingeschaltet bzw. erreicht erst nach diesem Zeitpunkt einen beträchtlichen Wert.

Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, daß Schaltungen, die diese Stromlücke, welche als "i-zu-Null-Verhalten" bezeichnet werden könnte, aus der induzierten Spannung erzeugen, z. B. durch Regler oder indem sie die induzierte Spannung in dem Kommutierungsvorgang einbeziehen, z. B. durch Überlagern einer welligen Spannung in den Steuerstrom des Hallgenerators, keinen speziell gestalteten Rotor benötigen, daß aber die Schaltungen (im allgemeinen - jedoch nicht ausschließlich - Kommutierungsschaltungen), die das "i-zu-Null-Verhalten" direkt aus dem galvanomagnetischen Sensor erzeugen, zur Verbreiterung der Stromlücke eine Verbreiterung der Pollücke im Bereich des Sensors erforderlich ist, wenn Nachteile vermieden werden sollen.

Die gemäß Fig. 4 der DE-OS 24 19 432 besondere Form der Rotormagnetisierung wurde als verbreiterte Pollücke dort schon als vorteilhaft erkannt. Jene Maßnahme hat sich in der Praxis auch bewährt, jedoch gibt es Anwendungsfälle, wo eine solche Magnetisierung Schwierigkeiten bereitet, z. B. bei sehr kleinen Motoren. Das im folgenden gezeigte erste Ausführungsbeispiel zeigt z. B. einen Flachmotor mit einem Durchmesser von nur ca. 50 mm. Bei solchen Abmessungen sind erstens - wegen der daraus resultierenden Verringerung der Induktion im Luftspalt und des sich daraus ergebenden Leistungsabfalls - Verbreiterungen der Pollücken unerwünscht, zweitens macht auch eine präzise Magnetisierung des Rotormagneten, wie sie zur Erzeugung solcher relativ komplizierten Pollückenformen erforderlich ist, um so mehr Schwierigkeiten, je kleiner der Motor ist.

Die DE-AS 12 77 993 befaßt sich mit einem kontaktlosen Gleichstrommotor mit einer in Stern geschalteten Dreiphasenwicklung. Der Rotor ist asymmetrisch radial magnetisiert und weist eine Zylinderform auf. Auf einem Mantelrand des Rotors gegenüberliegend sind um je 120° versetzt drei magnetfeldabhängige Widerstände angeordnet. Der Rotor ist in diesem Randbereich abgeschrägt, so daß sich eine Aussparung ergibt, bei deren Vorbeilaufen an einem magnetfeldabhängigen Widerstand auf diesen kein Einfluß ausgeübt wird. Das Problem der Pollückenverbreiterung ist nicht angeschnitten.

Die FR-PS 20 41 548 offenbart einen ähnlichen kommutatorlosen Gleichstrommotor bei dem Rotor einer Doppel-T-Form angenähert ist, so daß immer nur ein Pol mit einem von drei um jeweils 120° versetzten Hallgenerator in Gegenüberstellung kommt. Auch hier besteht keinerlei Beziehung zu der Ausbildung verbreiteter Pollücken im Sinne der vorliegenden Erfindung zur Reduzierung des Stromflusses in der Statorwicklung im Kommutierungszeitbereich.

Aus der DE-OS 19 54 409 ist es grundsätzlich bekannt, zur Kommutierung des Speisegleichstroms für die Wicklungen eines Gleichstrommotors zwei integrierte Schaltungen zu verwenden, die je 1 Hallelement enthalten, das durch eine Gleichspannungsquelle für den Motor gespeist und dem Feld des dauermagnetischen Rotors ausgesetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem gattungsgemäßen kommutatorlosen Gleichstrommotor die Verbreiterung der magnetischen Pollücke vom galvanischen Sensor aus gesehen auf einfache Weise zu gestalten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen Gleichstrommotor mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruches 1.

Eine solche Aussparung läßt sich mechanisch ohne größeren Aufwand erzeugen, bei einem sogenannten Gummimagneten z. B. durch einfaches Stanzen. Bei der Magnetisierung des Rotors braucht dann auf die Form der Ausgangssignale des den Motorstrom steuernden Sensors keine Rücksicht genommen zu werden, da durch Verändern der Aussparungen dieses Ausgangssignal praktisch beliebig beeinflußbar ist, z. B. auch im Sinne einer sogenannten "Frühzündung", also einer bei hohen Drehzahlen erforderlichen verfrühten Einschaltung der Motorströme - wie später noch detailliert beschrieben.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors werden nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motors, etwa im Maßstab 2 : 1, also 2fach linear vergrößert,

Fig. 2 einen Schnitt, gesehen längs der Linie II-II der Fig. 1, wobei die Teile nur schematisch dargestellt sind und insbesondere die Welle und ihre Lagerung nicht dargestellt sind,

Fig. 3 eine mögliche Schaltung zur Verwendung in Verbindung mit dem Motor nach Fig. 2,

Fig. 4 Schaubilder zur Erläuterung der Wirkungsweise des Motors nach den Figuren 1 bis 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispieles der Erfindung.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Gleichstrommotor 10 ist ein sogenannter Flachmotor, also ein Motor mit einem flachen Luftspalt 11. Auf einer stationären Basisplatte 12, z. B. einem aus Kunststoff gespritzten Teil, sind vier Weicheisenringe 13 in der dargestellten Weise konzentrisch befestigt und über ihnen zwei jeweils zweidrähtig gewickelte und gleichsinnig miteinander verbundene Flachspulen 14 und 15. Vom Anschluß A der Flachspule 15 führt ein Draht durch diese und durch die Flachspule 14 zum Anschluß E der Flachspule 14. Wird eine Gleichspannung zwischen A und E angelegt, so erzeugen beide Flachspulen ein gleich starkes Magnetfeld mit derselben Richtung, z. B. in beiden Fällen oben einen Nordpol. Genau dasselbe gilt wegen der parallelen Wicklung der Drähte für den zwischen den Anschlüssen A′ und E′ verlaufenden Draht. Wie aus der Zeichnung klar hervorgeht, liegen die magnetisch aktiven Abschnitte der Flachspulen 14 und 15 jeweils etwa 140° el. auseinander, und die Flachspulen liegen einander diametral gegenüber.

In der Mitte der Basisplatte 12 ist ferner ein Lagertragrohr 16 angebracht, in dem mittels zweier Kugellager eine Welle 17 gelagert ist, an deren oberem Ende über eine Buchse 18 ein hutartiger ferromagnetischer Rotorträger 19 befestigt ist, auf dessen Unterseite ein axial magnetisierter vierpoliger Ringmagnet 22 angeklebt ist.

Dieser Ringmagnet 22 besteht aus einer Mischung von Gummi und/oder Kunststoff und geeigneten Hartferriten und wird gemeinhin als Gummimagnet bezeichnet. Er ist aus einer Gummimagnetplatte ausgestanzt in der in Fig. 2 dargestellten Form und zwar innen mit einer kreisförmigen Ausstanzung 23 und außen mit einem kreisförmigen Umriß 24, an welchem jeweils um die Pollücken 25 herum Aussparungen in Form von Abflachungen 26 mit einer Winkelerstreckung von jeweils etwa 50 bis 100° el., beim vorliegenden Beispiel von ca. 80° el., vorgesehen sind.

Diese Aussparungen bestimmen den Verlauf der Steuerinduktion B _Streu gemäß Fig. 4A und damit den der Ausgangsspannung U _H am Sensor 31. Die Pollücken 25, welche beim Magnetring 22 nicht physisch sichtbar sind, sondern nur Lücken seiner trapezförmigen Magnetisierung, also nur ein physikalisch meßbares Phänomen, darstellen, und welche deshalb nur gestrichelt eingezeichnet sind, sind entgegen der Drehrichtung 27 von innen nach außen bogenförmig gekrümmt, wie es in der DE-OS 22 25 442 beschrieben ist. Die Form der Magnetisierung, also die im Luftspalt 11 wirksame Nutzinduktion B _nutz, ist in Fig. 4A dargestellt. Diese Nutzinduktion hat wunschgemäß eine relativ kleine, in Fig. 4A mit P bezeichnete Pollücke. Diese Form der Magnetisierung ist für die Kommutierung weniger günstig, wie das in der DE-OS 24 19 432 erläutert ist. Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, ist der die Kommutierung steuernde galvanomagnetische Sensor 31, der beim Ausführungsbeispiel als Hall-IC ausgebildet ist, gegenüber dem Außenumfang 24 an der Basisplatte 12 des Stators befestigt. Dieser Hall-IC 31 wird also vom Streufluß des Ringmagneten 22 gesteuert. Die Abflachungen 26 bedeuten dabei, daß im Bereich der Pollücken 25 der Streufluß stark reduziert wird.

Fig. 4A zeigt auch die Streuflußinduktion B _Streu als Funktion des Drehwinkels ϕ des Rotors, die auf den Hall-IC 31 wirkt. Durch die Abflachungen 26 hat B _Streu eine breite Pollücke Q, wie sie für die Kommutierung günstig ist. Die Ausgangsspannung u _H des Hall-IC 31 hat die gleiche Form wie B _Streu. (Naturgemäß wird im Normalfall die Nutzinduktion wesentlich größer sein als die Steuerinduktion; die Amplituden in Fig. 4A sind also nur schematisch dargestellt, um das Verhältnis P und Q zu demonstrieren).

Gegenüber dem Innenumfang 23 des Ringmagneten 22 ist an der Basisplatte 12 eine etwa quadratische Weicheisenplatte 32 mit abgerundeten Ecken 33 der dargestellten Winkellage befestigt. Sie erzeugt im Zusammenwirken mit dem Steuerfluß am Innenumfang 23 ein Reluktanzmoment, dessen antreibende Teile bei der dargestellten Drehrichtung, die durch die Lage des Hall-IC 31 festgelegt ist, während der Stromlücken Q wirksam sind, wie das im Hauptpatent beschrieben ist.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung zum Auswerten der Hall-Spannung u _H und zum Erzeugen der in Fig. 4B dargestellten Strompause der Länge Q. Diese Schaltung ist Gegenstand der Patentanmeldung P 25 55 055.4 (vgl. die zugehörige Offenlegungsschrift) und wird deshalb nur kurz beschrieben. Der eine Stromanschluß des Hall-IC 31 ist über einen Widerstand 35 mit einer Minusleitung 36, der andere direkt mit einer Plusleitung 37 verbunden. Sein linker Ausgang führt direkt zur Basis eines pnp-Transistors 38 und - über einen Widerstand 43 - zum Emitter von 44. 39 und 43 sind Gegenkopplungswiderstände von z. B. je 1000 Ohm und dienen dazu, die Motorströme jeweils etwa zu einem Bild des Verlaufs von u _H oberhalb bzw. unterhalb eines in Fig. 4A mit plus u _S bzw. minus u _S bezeichneten Schwellenwertes zu machen. Der Kollektor von 38 führt zur Basis eines npn-Leitungstransistors 45. Zwischen den Kollektoren von 44 bzw. 45 und der Plusleitung 37 liegen die Motorwicklungen 46 bzw. 47, deren Wicklungsenden ebenso bezeichnet sind wie in Fig. 2.

Wenn im Betrieb eine Pollücke 25 oder der sie umgebende Bereich einer Abflachung 26 dem Hall-IC gegenübersteht, haben sein linker und rechter Ausgang etwa dasselbe Potential und 38 und 40 sind beide nicht leitend, ebenso 44 und 45. Auch wenn sich ein Ende einer Abflachung 26 dem Hall-IC 31 nähert, so daß z. B. dessen linker Ausgang negativer und dessen rechter Ausgang positiver wird, wird noch keiner der Transistoren 38 und 40 leitend, da die Schwellenspannung u _S des Transistors 38 noch nicht erreicht ist. Erst wenn u _H größer wird als u _S, werden die Transistoren 38 und 44 leitend, die Wicklung 46 erhält Strom und der Strom i₄₆ nimmt in der in Fig. 4B dargestellten Weise monoton, also nicht sprunghaft, zu. Beim Erreichen der nächsten Abflachungen 26 wird dann u _S wieder unterschritten und i₄₆ wird zu Null. Als nächstes wird dann - die Schaltung ist ersichtlich völlig symmetrisch - in völlig analoger Weise die Wicklung 47 eingeschaltet. Die Motorströme i₄₆ und i₄₇ werden also sanft ein- und ausgeschaltet und man erhält die gewünschte große Stromlücke Q.

Naturgemäß könnte die Weicheisenplatte 32 (in Fig. 2) auch auf der - dann zweckmäßig zylindrischen - Außenseite des Rotormagneten angeordnet werden und der Hall-IC 31 würde dann vom Streufluß am Innenumfang des Rotormagneten gesteuert. Fig. 5 zeigt diese Variante schematisch an einem vierpoligen, axial polarisierten Ringmagneten an, an dessen Innenumfang 51 der Hall-IC 31 angeordnet ist. Der Innenumfang 51 weicht deshalb im Bereich der Pollücken 52 von der - strichpunktierten angedeuteten - Kreisform 53 ab, und zwar sind wie dargestellt um die Pollücken 52 herum mondsichelförmige Aussparungen 54 vorgesehen. Die Wirkungsweise ist dieselbe wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Die Aussparungen 54 werden bei einem Gummimagnetring 50 zweckmäßig gestanzt; sie erstrecken sich - wie die Abflachungen 26 über ca. 50 bis 100° el.

Fig. 6 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Außenläufermotor, z. B. von der Art, wie sie in der DE-AS 23 46 380 dargestellt ist. Es ist lediglich ein Teil des Außenläufers dargestellt, der die Form einer tiefgezogenen Glocke 60 aus Weicheisen mit einer in ihrer Mitte befestigten Welle 61 hat. In dieser Glocke 60 ist ein radial magnetisierter Ringmagnet 62 (aus einem Gummimagnetstreifen) eingebracht. Eine Pollücke ist bei 63 angedeutet.

Am unteren Rand 64 des Ringmagneten 62 sind bei den Pollücken jeweils linsenförmige Aussparungen 65 vorgesehen, die sich ebenfalls über einen Winkel von ca. 50 bis 100° el. erstrecken. Der Hall-IC 31 ist gegenüber dem Rand 64 am Stator befestigt. Die Wirkungsweise ist dieselbe wie bei den vorhergehenden Beispielen.

Wenn der galvanomagnetische Sensor im Bereich des Nutzflusses angeordnet ist, genügt meist ein einfacher Hall- Generator, wobei dann die Schaltungen nach der DE-OS 24 19 432 besonders zweckmäßig sind.

Naturgemäß können auch Magnetdioden, Feldplatten oder dergleichen als galvanomagnetische Sensoren verwendet werden. Auch hierbei läßt sich dann die vorliegende Erfindung mit großem Vorteil anwenden, doch ist die Kombination von Hall-IC im Streuflußbereich und entsprechenden Aussparungen sehr vorteilhaft, besonders bei sehr kleinen Motoren.

Zum Erzielen einer frühzeitigen Einschaltung der Motorwicklungen, speziell bei hochtourigen Motoren, wird man die Aussparungen - zweckmäßig gemäß der DE-OS 24 19 432 asymmetrisch zur Pollücke ausbilden, wie das in Fig. 2 durch die strichpunktierte Linie 70 bei einer Abflachung 26 angedeutet ist. Die vorhergehende Wicklung wird dadurch etwas früher ausgeschaltet, die nachfolgende etwas früher eingeschaltet, um die endliche Stromanstiegszeit in den Motorwicklungen zu kompensieren.

Entsprechend könnte natürlich auch, wie an sich bekannt, der Hallgenerator um einen kleinen Winkel gegen die Drehrichtung aus der geometrisch neutralen Lage versetzt angeordnet werden. Während im "motorischen Pollückenbereich" gerade bei für gattungsgemäße Motoren vorteilhafter, trapezförmiger Verteilung der Induktion B im Luftspalt eine mehr abrupte Änderung der Induktion B mit einem Drehwinkel ϕ des Rotors, also ein größeres δ B/δϕ im Pollückenbereich, günstig sein kann, ist im "Sensorbereich der Pollücke" ein möglichst kontinuierlicher Induktionsverlauf schaltungs- und betriebsmäßig vorteilhaft, weshalb für die Pollücken- Induktion folgende Randbedingung gefunden wurde:

Claims

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einer ein reines Wechselfeld erzeugenden Statorwicklung, einem permanentmagnetischen Rotor und einer elektronischen Kommutierungseinrichtung, welche durch mindestens einen galvanomagnetischen Sensor in der Randzone des Rotormagneten in Abhängigkeit von der Rotorstellung den Motorstrom steuert, wobei der Stromfluß in der Statorwicklung im Kommutierungszeitbereich vorübergehend stark reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (26; 50; 60) im Bereich seiner magnetischen Pollücken (25; 52; 63) in der auf den Sensor (31) wirkenden Randzone jeweils eine im Vergleich zum elektromotorisch wirkenden Hauptteil des Rotormagneten (22) verbreiterte Pollücke durch Aussparungen (26; 54; 65) im ferromagnetischen Material aufweist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (26; 54) an einem im übrigen mindestens nahezu kreisförmigen Umfangsbereich (24; 51) des Rotors (22; 50; 60) vorgesehen sind.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (26; 54) jeweils etwa kontinuierliche Übergänge zu den kreisförmigen Umfangsbereichen (24; 51) aufweisen.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen an einem Außenumfang (24) des Rotors (22) vorgesehen und als Abflachungen (26) desselben ausgebildet sind.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (54) an einem Innenumfang (51) des Rotors (50) vorgesehen und im Querschnitt etwa mondsichelartig ausgebildet sind.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Rotormagnet in Form einer flexiblen Mischung aus Gummi und/oder einem Kunststoff und geeigneten Ferriten (sogenannter Gummimagnet) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (24; 54) als Ausstanzungen dieses Gummimagneten ausgebildet sind.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der galvanomagnetische Sensor (31) in einem Streuflußbereich des Rotors (26; 50; 60) angeordnet ist und daß die Aussparungen (26; 54; 65) an der dem Streuflußbereich zugewandten Seite des Rotors vorgesehen sind.

8. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der galvanomagnetische Sensor (31) als Hall-IC ausgebildet ist.

9. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (26; 54; 65) jeweils etwa symmetrisch zu den Pollücken (25; 54; 63) liegen.

10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (70) jeweils asymmetrisch zu den geometrisch neutralen Lagen der Pollücken (25) liegen.

11. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (70), insbesondere bei hochtourigen Motoren, in Drehrichtung jeweils stärker ausgebildet sind, insbesondere, daß sie sich aus der geometrisch neutralen Lage der Pollücke (25) ausschließlich in Drehrichtung erstrecken.

12. Motor nach einem der vohergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotormagnet (22) eine trapezförmige Magnetisierung mit schmalen Pollücken (25) zwischen seinen Polen aufweist.

13. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (22) Pollücken (25) aufweist, welche von innen nach außen entgegen der Drehrichtung (27) geschrägt sind, wenn der galvanomagnetische Sensor (31) in Drehrichtung gesehen vor einer der Spulen angeordnet ist (Fig. 2).

14. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotormagnet (22) Pollücken (25) aufweist, welche von außen nach innen entgegen der Drehrichtung geschrägt sind, wenn der galvanomagnetische Sensor (31) in Drehrichtung gesehen hinter einer der Spulen angeordnet ist.

15. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7 bis 14 ohne Rückbezug auf Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (65) im permanentmagnetischen Rotormaterial (62) vorgenommen sind.

16. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen nur im weichmagnetischen, auf der anderen Luftspaltseite des Permanentmagneten angeordneten, rotierenden Rückschlußteil vorgenommen sind.

17. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Aussparungen (26; 54; 65) jeweils über einen Bereich von etwa 50 bis 100° el. erstrecken.

18. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der magnetischen Induktion B des Rotors, bezogen auf dessen Rotordrehwinkel ϕ und im Bereich von dessen Pollücken (25; 52; 63) der folgenden Bedingung genügt: