DE4306327C2 - Reluktanzmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reluktanzmotor, insbesondere einen Reluktanzmotor mit einem Rotor, einem Stator, der eine Spule und mindestens einen Permanentmagneten aufweist, und mindestens einer einphasigen Kommutierungseinrichtung zur Bestromung der Spule. Ein derartiger Reluktanzmotor ist bekannt aus der DE 41 02 263 A1. In einer bevorzugten in dieser Druckschrift erwähn­ ten Ausführungsform ist der Stator als Innenstator mit einem oder mehreren Polpaaren und der Rotor als Reluktanz-Außenrotor mit einem Polpaar ausgeführt. Der Reluktanzrotor ist dort be­ vorzugt aus kreisrunden Blechen gebildet, die zur Erzeugung der Schenkelhohlform mit Ausschnitten Versehen sind.

Reluktanzmotoren sind weiterhin bekannt beispielsweise aus der WO 90/11641 A1.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Motor zu schaffen, der sich zum Antrieb für Ventilatoren eignet und sich durch beson­ ders niedrige Fertigungskosten auszeichnet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Reluktanzmotor mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.

Die erfindungsgemäße Konstruktion geht von der Erkenntnis aus, daß beim derzeitigen Entwicklungsstand von Kleinmotoren eine Kostenreduzierung vorteilhaft dadurch gelingt, daß die Anzahl erforderlicher Schaltelemente auf die Minimalzahl von eins re­ duziert wird und die Herstellung der erforderlichen Motorspulen möglichst einfach ausgeführt wird.

Dementsprechend betrifft die Erfindung die Schaffung und Ausgestaltung eines besonders kostengünstig herstellbaren einsträngigen, einpulsigen Motors.

Die erfindungsgemäße Lösung besitzt folgende aufeinander abgestimmte Einzelmaßnahmen:

Statorkonstruktion

Es wird ein Stator vorgesehen, welcher aus einer Flachspule besteht, an deren Grundflächen flache Flußleit­ elemente angebracht sind. Deren Grundform ist im wesentlichen kreisförmig und besitzt eine Anzahl von Ausbrüchen an der Peripherie, welche in einem einfachen Falle etwa die Form eines Halbkreises aufweisen oder aber geradlinig sind.

Die Flußleitelemente dienen der Verteilung des von der Flachspule erzeugten magnetischen Flusses in vorbestimmte Richtungen.

Ein ähnliches Prinzip wird bei der Konstruktion von sog. Klauenpolmotoren verwendet.

Die Peripherie der Flußleitelemente wirkt auf ferromagnetische Bereiche des Rotors ein, welcher sich bei bestromter Spule so bewegt, daß der magnetische widerstand des zur Spule gehörigen Magnetkreises ein Minimum annimmt (Reluktanzprinzip).

Auf diese Weise kann ein positives oder negativ wirkendes Drehmoment Tür den Rotor erzeugt werden, je nach Rotorstellung. Diese Drehmomente sind unabhängig von der Polarität des Spulenstroms, so daß der Motor im Prinzip auch mit Wechselspannung betrieben werden kann.

Um eine einheitliche Drehrichtung für den Rotor zu bewirken, wird durch geeignete Schalt- bzw. Kommutierungsmittel dafür gesorgt, daß nur Drehmomentanteile mit einheitlichem Vorzeichen durch die Bestromung der Spule auf den Rotor einwirken.

Um einen sicheren Anlauf in die gewünschte Drehrichtung zu bewirken, ist für den erfindungsgemäßen Motor eine Vorrichtung vorhanden, welches ein Reluktanz-Hilfsmoment erzeugt. Dieses bewegt bei fehlendem Motorstrom den Rotor in eine Ruheposition, von der ein sicherer Motoranlauf stattfinden kann. Hierzu wird ein vorzugsweise scheiben­ förmiger Permanentmagnet verwendet, der auf eine kreisförmige Grundfläche des Rotors einwirkt. Die genannten Reluktanz- Hilfsmomente werden also durch Einwirkung des Permanentmagneten erzeugt.

Rotorkonstruktion

Die Rotorkonstruktion besteht aus einem ferromagnetischen Hohlzylinder mit geschlitzter oder gesickter Zylinderwand. Die zylindrische Grundfläche des Rotors ist zur Erzeugung der oben erwähnten Reluktanzhilfsmomente ebenfalls mit Ausbrüchen oder Sicken Versehen. Für die Anwendung des Motors in einer Ventilator besteht eine vorteilhafte Ausführungsform darin, daß der Rotor aus einem einzigen gestanztem und gebogenem Eisenblech gefertigt ist und zugehörige Luftschaufeln als integraler Bestandteil des Rotors zu betrachten sind.

Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden durch die Zeichnung und die Unteransprüche detaillierter ersichtlich.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Explosionszeichnung von Rotor und Stator des Motors

Fig. 2 den Verlauf anteiliger Drehmomente über den Rotor-Drehwinkel beim Betrieb des Motors.

Fig. 3 eine prinzipielle Anordnung für eine mechanische Kommutierungsvorrichtung für den Motor.

Fig. 4 ein Schaltbild für einen erfindungsgemäßen Motor

Fig. 5 und Fig. 6 Rotor-Oberflächen des Motors mit Sicken

In Fig. 1 wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wie sie insbesondere als Antrieb für einen Ventilator geeignet ist.

Der Rotor 8 besteht aus einem gestanzten und gebogenen Eisenblechteil 20. Dieses weist optional Lüfterflügel 19 auf, ferner zylindrisch abgebogene Reluktanzbleche 9 mit den Berandungen 16 und 17. Die Anzahl der Reluktanzbleche ist nicht auf 4 beschränkt.

Weiterhin weist der Rotor eine Anzahl Durchbrüche oder Sicken mit den Berandungen 18 auf. Diese sind ebenmäßig, wenn besonders niedrige Herstellkosten angestrebt werden.

Für möglichst geräuscharme Motoren wird jedoch eine Berandung gewählt, die einen vordefinierten Verlauf des Reluktanzhilfsmomentes bereitstellt oder approximiert.

Die genannten Durchbrüche oder Sicken erzeugen im Zusammenspiel mit dem flachen, zylindrischen Permanentmagneten 11 ein alternierendes Reluktanzmoment (permanentmagnetisches Moment) M rel, prm.

Dies beruht darauf, daß der Permanentmagnet 11 auf seiner Oberfläche eine Anzahl von Magnetpolen besitzt, welche im wesentlichen auf einzelne Sektoren des Permanentmagneten verteilt sind. In Fig. 1 werden zum Beispiel zwei Nord- und zwei Südpole gezeigt.

Diese Pole orientieren sich vorteilhaft an der Kontur des Stators, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, so daß ein Pol sich in der Nähe einer Erweiterung 12 befindet. Der Rotor wird wegen das Zusammenspiels von Permanentmagnetpolen des Permanentmag­ neten 11 und der Durchbrüche 18 oder der Sicken 61 auf bestimmte Rastlagen gedreht. Diese zeichnen sich durch einen Magnetkreis für den Permanentmagneten aus, bei dem der magnetische Widerstand einen Minimalwert annimmt. Wird der Rotor durch externe Drehmomente verdreht, so bewirkt das Zusammenspiel von Permanentmagnet 11 mit den Durchbrüchen, Ausbrüchen oder Sicken des Rotorteils ein alternierendes Reluktanzmoment (permanentmagnetisches Moment).

Gemäß der Erfindung ist dies alternierende Reluktanzmoment im wesentlichen gegenphasig zu dem Drehmoment, welches bei Be­ stromung der Spule 15 mittels der Statorbleche 12 und 14 auf den Rotor einwirkt. Bei Bestromung der Spule 15 üben die Zungen der Statorbleche (Flußleitstücke) an den Peripherie­ bereichen 121 und 141 anziehende und tangentiale Kräfte auf die Reluktanzbleche 9 des Rotors aus. Hierdurch entsteht ein elektromagnetisch verursachtes Drehmoment.

Die Spule 15 kann in einfachster Wickeltechnik auf den Stator aufgebracht werden. Spulenanfang bzw. -ende sind mit den Anschlußpunkten 13 versehen.

Die Spule umfaßt in vorteilhafter Ausgestaltung ein nicht näher gezeichnetes Lagerrohr zur Aufnahme von Kugel- oder Gleitlagern. Diese tragen eine drehbare Welle, welche mit dem Zentrum 64 des Rotors befestigt ist, wie dies nach dem Stande der Technik bekannt ist und in deswegen in der Zeichnung nicht näher ausgewiesen wird.

Die Spule 15 wird zu geeigneten Kommutierungszeiten bzw. -phasen gespeist, um ein Drehmoment mit einheitlichem Vorzeichen auf den Rotor aufzubringen, damit dieser in eine gewünschte Dreh­ richtung läuft. Erfindungsmäßig wichtig ist es daher, durch eine geeignete einphasige Kommutierungseinrichtung 29 dafür zu sorgen, daß eine Bestromung der Spule 15 dem Rotor nur Dreh­ momente mit einheitlichem Vorzeichen erteilt. Rücktreibende elektromagnetisch erzeugte Drehmomente werden also dadurch verhindert, daß die Spule stromlos gemacht, d. h. abgeschaltet wird, wie dies z. B. aus Fig. 2 und 3 ersichtlich ist.

Eine einfache Lösung mit mechanischem Kommutator (Kollektor) zeigt Fig. 3 (abgewickelte Darstellung).

Ein Schaltkontakt 41 kontaktiert ein Reluktanzblech 9 genau dann, wenn dieses eine Winkellage eingenommen hat, bei der eine Spulenbestromung zu einem gewünschten Drehmoment führt.

Die Spulenbestromung durch den Schaltkontakt 41 wird unterbrochen, bevor sich ein entgegengesetztes Drehmoment einstellt.

Fig. 2 zeigt den Zusammenhang der beteiligten Drehmomente des Motors über den Drehwinkel phi des Rotors.

Bei ununterbrochener Bestromung der Spule 15 mit einem kon­ stanten Strom übt der Rotor über einen Winkelbereich, der größer als 180 deg.el. ist, ein positives Drehmoment aus. Dies wird durch den Abschnitt 1 des elektromagnetisch erzeugten Reluktanzmomentes dargestellt. Für den zu 360 deg.el. komplementären Winkelbereich wird bei bestromter Spule 15 ein negatives Moment erzeugt (Kurven­ abschnitt 2). Durch die vorgesehene Kommutierungseinrichtung wird das elektromagnetisch erzeugte negative Reluktanzmoment jedoch zwischen den Nulldurchgängen 6 und 7 unterdrückt und besitzt dann keinen. Anteil am Gesamtdrehmoment des Rotors.

Zur Überbrückung dieser Drehmomentlücke wird das oben beschrie­ bene, permanentmagnetisch erzeugte Reluktanzmoment genutzt, welches durch Kurvenzüge 3 und 4 dargestellt wird. Dieser Moment-Anteil wirkt ständig auf der. Rotor ein, weist aber wechselndes Vorzeichen auf. - In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der positive Anteil des permanentmagnetisch erzeugten Reluktanzmomentes über einen Winkelbereich, der ebenfalls größer als 180 deg.el. ist.

Permanentmagnetisch und elektromagnetisch erzeugte Drehmomentenanteile sind daher im wesentlichen gegen­ phasig. Das wirksame elektromagnetisch erzeugte Reluktanzmoment ist vom Betrag her etwa doppelt so groß wie das permanentmagnetisch erzeugte Reluktanzmoment.

Unter Zuschaltung der Kommutierungseinrichtung 29 zur Spule 15 entsteht also ein Verlauf des Gesamt-Drehmomentes über den Drehwinkel des Rotors, wie er dem Wesen nach durch den Kurvenzug 5 (M ges) wiedergegeben wird.

Die in Fig. 3 gezeigte Kommutierungsschaltung mit mechanischem Kommutatorkontakt wird im folgenden eingehender beschrieben.

Die Stirnseiten 121 des Statorbleches 12 bilden bei Bestromung der Spule mit Gleichstrom z. B. Nordpole aus, während die Stirnsaiten 141 des Statorblechs gemeinsame Südpole ausbilden. Der Kontakt 41 ist mechanisch so angeordnet, daß eine Kontaktgabe am Kontaktpunkt 42 erfolgt, sobald eine Zunge 9 des Reluktanzblechs sich im Wirkungsbereich der Stirnsaiten 121 und 141 befindet.

Hierdurch schließt sich ein Stromkreis, der von dar ersten Anschlußklemme V1 ausgeht, über das Reluktanzblech 9 geleitet wird und am Dauerkontaktschleifer 43, an einer Kontaktstelle 44 zu einem Anschlußpunkt 13 der Spule 15 weitergeleitet wird.

Der zweite Anschlußpunkt 13 der Spule ist mit der zweiten Anschlußklemme V o des Stromkreises verbunden.

Während der Schließphase von Kontakt 41 erfahren die Reluktanzbleche 9 eine sowohl radial als auch tangential gerichtete Kraft, denn bei ihrer Bewegung in Richtung des gezeichneten Pfeils wird die Energie des Magnetkreises der Spule 15 reduziert.

Nach einer Bewegung der Reluktanzbleche um 180 deg.el., was im gezeichneten Beispiel einer Blechbreite entspricht, wird Kontakt 41 geöffnet. Die Reluktanzbleche 9 bewegen sich zum einen aufgrund ihrer kinetischen Energie weiter. Außerdem wirkt an anderer Stelle das permanentmagnetisch erzeugte Reluktanzmoment in antreibender Weise weiter, bis eine nächste Kontaktgabe des Kontakts 41 mit dem nachfolgenden Reluktanzblech 9 erfolgt. Hierauf wiederholt sich das beschriebene Spiel von neuem.

Die beschriebene Einrichtung zur mechanischen Kontaktgabe ist besonders preisgünstig herstellbar. Die Erfindung sieht in einer anderen vorteilhaften Ausführungsform jedoch elektronische Schaltelemente vor. Der Kontaktverschleiß entfällt bei jener Lösung völlig.

Eine solche Anordnung zeigt Fig. 4.

Anstelle des Kontaktes 41 ist ein elektronischer Schalter 26 vorhanden, der von einem Sensor-Element 29 angesteuert. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Lichtschranke handeln, welche durch die Reluktanzbleche 9 geöffnet bzw. unterbrochen wird. Ein bevorzugtes Sensorelement besteht aus einem Integrierten Schaltkreis mit Hall-Sensor (Hall-IC).

Dieses wird durch einen Hilfs-Permanentmagneten 56 angesteuert, dessen Feldlinien durch die Reluktanzbleche 9 phasenrichtig umgeleitet werden. Nur bei vorübergehender Abwesenheit der Reluktanzbleche 9 wirken sie auf das Hall-IC ein, so daß die gewünschte phasenrichtige Bestromung der Spule 15 über den elektronischen Schalter 26 eintritt.

Die Spule 15 wird vorteilhaft mit einer Freilaufdiode 25 überbrückt.

Fig. 5 gibt die Oberfläche eines erfindungsgemäßen Rotors mit Sicken wieder.

Dieser besitzt eine Zylinderbodenfläche 60 mit Durchbrüchen 53. Die Kontur des Zylinderbodens wird durch innere Durchmesser 51 und äußere Durchmesser 52 begrenzt. Dementsprechend weist der Zylindermantel des Rotors äußere Sicken 54 bzw. innere Sicken 55 auf.

Eine Rotorform dieser Art kann in üblicher Weise durch Tiefziehen und Pressen hergestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform des Rotors gemäß Fig. 6 werden anstelle von Ausbrüchen ebenfalls Sicken verwendet. Die Aufsicht auf den Zylinderboden weist zum einen den Durchstoßungspunkt Z, Bezugsziffer 64, der Drehachse durch die Papier ebene auf.

Tieferliegende Bereiche 60 des Zylinderbodens wechseln ab mit höherliegenden Bereichen 61. Die höherliegenden Bereiche werden durch Kanten 62 begrenzt, während Kanten 63 die tieferliegende Berandung der gezeigten Sicken wiedergibt.

Gemäß der Erfindung sind für besonders kostengünstige Motoren einfache Sicken oder Ausbrüche vorgesehen, während Motoren mit gleichmäßigerem Drehmomentverhalten, d. h. vergleichsweise reduziertem Wechselmomentanteilen, speziell konturierte Sicken, Durchbrüche oder Ausbrüche aufweisen.

Claims (9)

1. Reluktanzmotor mit einem Rotor (8), einem Stator (10), der eine Spule (15) und mindestens einen Permanentmagneten aufweist, und mindestens einer einphasigen Kommutierungseinrichtung (31) zur Bestromung der Spule (15), dadurch gekennzeichnet, daß
die Spule (15) im Wesentlichen flach ausgebildet ist und ihre Normale par­ allel zur Motorachse verläuft;
der Stator zwei im Wesentlichen ebene Flußleitstücke (12, 14) aufweist, welche mit Ausnehmungen (21; 79') versehen sind, wobei die Spule (15) zwi­ schen den Flußleitstücken (12, 14) angeordnet ist;
der mindestens eine Permanentmagnet (11) flach ausgebildet ist und ein Reluktanz-Hilfsmoment in einem ebenen, stirnseitigen Luftspalt zwischen Rotor und Stator erzeugt, welches einen Phasenversatz gegenüber einem Nutz-Reluktanzmoment des Reluktanzmotors aufweist; und
der Rotor die Grundform eines einseitig offenen Hohlzylinders aufweist, welcher am Zylindermantel und an der Zylindergrundfläche mit Ausnehmun­ gen, Ausbrüchen oder Sicken versehen ist.

2. Reluktanzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung mechanisch oder elektrisch ausgebildet ist.

3. Reluktanzmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor eine Stirnfläche aufweist, die dem Stator gegenüberliegt, und der mindestens eine Permanentmagnet auf dem Flußleitstück des Stators angeordnet ist, das der Stirnfläche des Rotors gegenüberliegt.

4. Reluktanzmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von elektromagnetisch erzeugtem Reluktanzmoment zu permanentmagnetisch erzeugtem Reluktanzmoment 2 bis 10 beträgt.

5. Reluktanzmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor zusammen mit einer Flügeleinheit eine Rotor-Flügeleinheit bildet, die aus einem einzigen Stück gefertigt ist.

6. Reluktanzmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reluktanzmotor einsträngig ausgebildet ist und in einpulsiger Be­ triebsweise bestromt wird.

7. Reluktanzmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reluktanzmotor zur Erzeugung eines Nutz-Drehmoments einen zylindrischen Luftspalt aufweist.

8. Reluktanzmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Spule zwischen den Flußleitstücken (12, 14) ein ferroma­ gnetischer Kern aus Sintermaterial vorgesehen ist, wobei der Kern eine Bohrung aufweist, die als Sinterlager für die Rotorwelle des Elektromotors dient.

9. Verwendung eines Reluktanzmotors nach einem der vorhergehenden An­ sprüche in einem Axialventilator.