DE2850478C3

DE2850478C3 - Elektronikmotor mit einem mehrpoligen Außenläufer

Info

Publication number: DE2850478C3
Application number: DE2850478A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. Kühnlein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-11-21
Filing date: 1978-11-21
Publication date: 1981-10-15
Also published as: DE2850478A1; DE2850478B2; US4286184A; NL7908466A; JPS5574353A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektronikmotor mit einem mehrpoligen Außenläufer, der einen mit Nord- und Südpolen besetzten Magnetkörper umfaßt und um eine Läuferachse umläuft, mit einem mehrnutigen Ständer, der innerhalb des Außenläufers ortsfest untergebracht ist, mit mindestens zwei magnetfeldempfindlichen Bauelementen, die — in radialer Richtung von der Läuferachse aus gesehen — zwischen dem Magnetkörper und einem Rückschlußteil ortsfest in der Nähe des Außenläufers angeordnet sind und die bei dessen Umlauf läuferwinkelstellungsabhängige Signale liefern, und mit einer elektronischen Kommutierungseinrichtung, die die Signale zugeführt erhält und zur Stromversorgung der Ständerwicklungen vorgesehen ist.

Ein solcher Elektronikmotor mit Außenläufer ist aus der Zeitschrift »Elektrodienst«, Band 20 (1978), Sonderheft »Standarderzeugnisse«, Seite 11, bekannt. Es handelt sich dabei um einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit elektronischer Kommutierung, der sich durch eine besonders große Laufruhe auszeichnet. Dieser Elektronikmotor kann eine verhältnismäßig geringe axiale Bauhöhe aufweisen und daher insbesondere bei flachen Geräten mit Direktantrieb, wie z. B. bei

einem Video-Kassettenrekorder, eingesetzt werden.

Bei dem bekannten Elektronikmotor dreht sich der mit Permanentmagnetpolen versehene Läufer außen um den Ständer. Der Außenläufer ist ein ringzylinderförmiger Permanent-Magnetkörper, der von einem metallischen Läufertopf umschlossen ist Der Magnetkörper kann insbesondere als Magnetgummi ausgebildet sein. Dieser Gummi liegt an der Innenwand des Läufertopfes fest an. Der räumlich feststehende Ständer

ίο besteht aus einem zylindrischen Blechpaket, das mit Nuten versehen ist, die schräg zur Läuferachse verlaufen. Der Strom fließt durch Ständerwicklungen, die in die Nuten des Ständers eingelegt sind. Die Ständerwicklungen werden in Abhängigkeit von der Läuferstellung durch eine elektronische Kommutierungseinrichtung so angesteuert, daß eine Drehdurchflutung entsteht. Als Lagemelder werden zwei auf einer Trägerplatte feststehende magnetfeldempfindliche Bauelemente, und zwar zwei Hallgeneratoren, verwendet.

Diese sind räumlich und elektrisch gegeneinander versetzt in der Nähe der Stirnseite des Läufertopfes angeordnet. Sie ragen dabei in eine Ringnut hinein, die in der Stirnseite des Läufertopfes vorgesehen ist. In radialer Richtung von der Läuferachse gesehen ergibt sich somit ein räumliches Hintereinander von Permanentmagnetkörper, Hallgenerator und unterem Ende des Läufertopfes, der somit als magnetisches Riickschlußteil wirkt. Die von den Hallgeneratoren abgegebenen läuferstellungsabhängigen Signale werden der erwähnten Kommutierungseinrichtung zugeführt. Der Außenläufer kann eine verhältnismäßig große Polzahl aufweisen. Es kann sich z.B. um einen 12- oder 16poligen Außenläufer und einen 24- bzw. 32nutigen Ständer handeln.

Es war bereits erwähnt worden, daß die Nuten im Blechpaket schräg zur Läuferachse verlaufen. Der Magnetkörper des Außenläufers weist eine Magnetisierung auf, bei der sich — in Umfangsrichtung des ringzylinderförmigen Permanentkörpers gesehen — regelmäßig Nord- und Südpole abwechseln. Die neutralen Linien zwischen einem jeden Nordpol und den benachbarten Südpolen verlaufen dabei parallel zur Läuferachse. Die Kombination von schräggestellten Nuten und Magnetisierung mit achsparallelen neutralen Linien ist wegen der genannten Forderung nach besonders großer Laufruhe des Elektronikmotors gewählt worden.

Der bekannte kollektorlose Gleichstrommotor hat auf der einen Seite den Vorteil, daß eine axiale Verschiebung des Rotors gegenüber dem Stator praktisch keinen Einfluß auf die Höhe der Hallspannung der beiden Hallgeneratoren hat. Überdies können die beiden Hallgeneratoren — in axialer Richtung gesehen — ohne weiteres um eine geringe Strecke gegeneinander verschoben sein, ohne daß unterschiedliche Hallspannungen zu erwarten sind. Diese Eigenschaft des Elektronikmotors erspart besondere Justierarbeiten bei der Fertigung. Auf der anderen Seite ergibt sich aber der Nachteil, daß infolge der schräg gestellten Nuten eine aufwendige Wickeltechnik erforderlich und daß der Kupferfüllfaktor des Motors relativ klein ist.

Ferner ist aus der GB-PS 14 56 546 ein Elektronikmotor bekannt, bei dem der Läufer aus zwei einander jeweils mit entgegengesetzten Polen gegenüberstehenden vierpoligen Ringmagneten besteht, die an ihren Außenseiten in axialer Richtung mit Weicheisenscheiben zu einer jeweils topfförmigen Gestalt verbunden sind. Im axialen Luftspalt sind um 180° gegeneinander

versetzt zwei flache, annähernd ringförmige Statorspulen auf einer Trägerplatte befestigt, deren Wicklungen in Reihenschaltung verbunden sind und durch einen Schalttransistor in Abhängigkeit vom Ausgangssigna! eines als Rotorlagegeber dienenden Hallge aerators mit einer Spannungsquelle verbindbar sind. Um den Selbstanlauf dieses Elektronikmotors urd einen gleichmäßigen Drehmomentverlauf zu erreichen, ist eine Gruppe von sechs auf der Trägerplatte befestigten Permanentmagneten, die teilweise in den Luftspalt hineinragen, erforderlich sowie zwei in einer bestimmten Lage angebrachte Weicheisenelemente. Die Polspalte der Ringmagneten verlaufen nicht in radialer Richtung, sondern sind von innen nach außen entgegen der Drehrichtung des Motors durchgehend gekrümmt, wobei die Krümmung der Polspalte des einen Ringmagneten — aus dem Luftspalt betrachtet — spiegelbildlich zur Krümmung der Polspalte des anderen Ringmagneten verläuft Damit wird eine Wechselwirkung zwischen dem Läufer und den aktiven Teilen der Statorspuien erreicht, die die Vergleichmäßigung des Drehmomentverlaufs durch die gleichzeitige Wechselwirkung des Läufers mit der Gruppe der Permanentmagnete und der Weicheisenelemente gestattet.

Aus der DE-OS 27 30 142, die eine Patentanmeldung mit älterem Zeitrang darstellt, ist ein Elektronikmotor mit einem mehrpoligen Außenläufer bekannt, der einen mit Nort- und Südpolen besetzten Magnetkörper umfaßt und um eine Läuferachse umläuft, mit einem Ständer, der innerhalb des Außenläufers ortsfest untergebracht ist, mit magnetfeldempfindlichen Bauelementen, die ortsfest in der Nähe eines ersten Bereiches des Außenläufers angeordnet sind und die bei dessen Umlauf läuferwinkelstellungsabhängige Signale liefern, und mit einer elektronischen Kommutierungseinrichtung, die die Signale zugeführt erhält und zur Stromversorgung der Ständerwicklungen vorgesehen ist, wobei jede zwischen einem Nord- und einem Südpol des Außenläufers gelegene, erste neutrale Linie in dem den magnetfeldempfindlichen Bauelementen gegenüberstehenden ersten Bereich parallel zur Läuferachse und entsprechende zweite neutrale Linien eines dem Blechpaket des Ständers gegenüberstehenden zweiten Bereiches von denen des ersten Bereiches zumindest teilweise bezüglich ihrer Lage und Richtung abweichen. Der Rotor weist im Bereich einer Polteilung in dem ersten Bereich eine Monopol-Magnetisierungszone und in dem daran anschließenden zweiten Bereich eine Dipol-Magnetisierungszone auf. In der Dipol-Magnetisierungszone liegen senkrecht zur Drehrichtung des Rotors nebeneinander zwei Bereiche entgegengesetzter Magnetisierung, wobei in Drehrichtung gesehen jeweils zwei solcher Dipolzonen aufeinanderfolgen. Diese komplizierte Magnetisierungsfolge des Ro^fors ist erforderlich, um bei Verwendung einer einfachen elektronischen Kommutierungseinrichtung, insbesondere mit nur einem einzigen Hallgenerator, ohne Reluktanzmoment ein lückenfreies Antriebsmoment zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektronikmotor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sich bei gleich guter Laufruhe und gleicher Unempfindlichkeit gegen Montagefehler der magnetfeldabhängigen Bauelemente hinsichtlich ihres Versatzes in axialer Richtung eine Vereinfachung der Herstellung ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine jede neutrale Linie zwischen einem Nord- und einem Südpol des Außenläufers im Bereich der magnetfeldempfindlichen Bauelemente parallel zur Läuferachse und im Bereich des Blechpakets des Ständers schräg zur Läuferachse verläuft

Der Außenläufer besitzt somit zwei Bereiche mit unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung. Bei diesem Elektronikmotor ist es möglich und angebracht die Nuten im Blechpaket des Ständers, parallel zur Läuferachse auszurichten. Dadurch ergibt sich eine vereinfachte Herstellung des Blechpaketes, eine Vereinfachung beim Wickeln der Ständerwicklungen und letztlich auch eine Verbilligung der Herstellung, wobei eine Verminderung der vorteilhaften Eigenschaften des Motors (große Laufruhe, geringe axiale Bauhöhe, einfache Montage) nicht zu befürchten ist

Eine weitere Ausbildung, die eine besonders einfache Montage erlaubt, ergibt sich bei Zugrundelegung des erwähnten bekannten Elektronikmotors, bei dem die magnetfeldempfindlichen Bauelemente auf einer Trägerplatte angeordnet sind und dabei in eine an der Stirnseite des Außenläufers angebrachte Ringnut hineinragen, die von dem zylindrisch ausgestalteten Magnetkörper und dem diesen umgebenden Läufertopf.

der als magnetischer Rückschluß wirkt, gebildet ist. Als Läufertopf wird hierbei ein den Läufer topfförmig umfassender ferromagnetischer Körper verstanden. Diese Weiterbildung besteht darin, daß die Länge der achsparallelen neutralen Linien etwa der Tiefe der Ringnut entspricht. Dadurch wird nur der unbedingt erforderliche Teil des Außenläufers genau in Umfangsrichtung magnetisiert Da im allgemeinen das einzelne magnetfeldempfindliche Bauelement um einiges kleiner ist als die Ringnut, ist beim Einbringen der Bauelemente durch Ansetzen der Trägerplatte die richtige Justierung bereits gewährleistet. Um ein Nachjustieren zu vermeiden, kann weiter vorgesehen sein, daß die Länge der achsparallelen neutralen Linien etwa der doppelten Breite eines der magnetfeldempfindlichen Bauelemente entspricht.

Bei der soeben erwähnten Ausführungsform mit Ringnut kann sowohl als Läufertopf ein mitrotierendes Rückschlußteil als auch ein feststehendes Rückschlußteil verwendet werden.

Beim erfindungsgemäßen Elektronikmotor besitzt der Außenläufer also zwei Bereiche mit unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung und unterschiedlicher Ausrichtung der neutralen Linien. Die magnetfeldempfindlichen Bauelemente sind dabei im Bereich mit den achsparallelen neutralen Linien angeordet, wobei dieser Bereich breiter ist als das jeweilige magnetfeldempfindliche Bauelement. Dadurch kann sich durch die in axialer Richtung unterschiedliche Montage zweier magnetfeldempfindlicher Bauelemente keine Verschiebung der Stromflußwinkel und damit keine Fehlsteuerung des Elektronikmotors ergeben. Somit hat auch ein Verziehen der als Hallgeneratorträger vorgesehenen Trägerplatte, z. B. durch Erwärmung oder durch Alterung, keinen Einfluß auf die Einstellung des Stromflußwinkels.

Die bisher gestellten Anforderungen an die Genauigkeit der Anordnung der magnetfeldempfindlichen Bauelemente, insbesondere an eng tolerierte Einzelteile und sorgfältige Montage, können reduziert werden, was ebenfalls einer Kostenersparnis gleichkommt. Im Bereich des Blechpakets des Ständers verlaufen die neutralen Linien im Außenläufer schräg zur Läuferachse. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, daß die Laufruhe des Elektronikmotors beträchtlich ist, sofern

die Nuten parallel zur Läuferachse ausgerichtet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einer seitlichen, teilweise aufgebrochenen Ansicht den mechanischen Teil eines Elektronikmotors gemäß der Erfindung und

F i g. 2 in einer schematischen Darstellung die Abwicklung eines Teils des mehrpoligen Außenläufers und des Statorpolsystems.

Der Elektronikmotor nach F i g. 1 umfaßt einen mehrpoligen Außenläufer 2, der um eine Läuferachse 3 umläuft. Der Außenläufer 2 besteht dabei aus einem ringzylinderförmigen Permanent-Magnetkörper 2a und einem metallischen Läufertopf 2b. Der Permanent-Magnelkörper 2a, der aus einem Magnetgummi bestehen kann, ist an der Innenwand des Läufertopfes 2b befestigt. Der topf- oder glockenförmige Außenläufer 2 rotiert über einem feststehenden Ständer 4. Der Ständer 4 wiederum besteht aus einem Blechpaket 4a, das mit einer Anzahl von Nuten 5 versehen ist. Die Nuten 5 verlaufen parallel zur Läuferachse 3. Zwischen den zeinzelnen Nuten 5 liegen die Pole P. Im Betrieb fließt durch vereinfacht angedeutete Ständerwicklungen 6, die in die Nuten 5 eingelegt sind, Strom. Der Strom wird dabei durch eine (nicht gezeigte) Kommutierungseinrichtung auf die einzelnen Ständerwicklungen 6 derart verteilt, daß sich eine Drehdurchflutung und damit ein Drehmoment ergibt.

An der unteren Stirnseite des Außenläufers 2 befindet sich eine feststehende Trägerplatte 7, die zwei magnetfeldempfindliche Bauelemente 8 und 9 trägt. Die beiden magnetfeldempfindlichen Bauelemente 8 und 9, insbesondere Hallgeneratoren, haben — bezogen auf die Läuferachse 3 — den Winkelabstand α. Der Außenläufer 2 selbst enthält auf der unteren Stirnseite des Läufertopfes 2b eine Ringnut 10. In diese ragen die beiden magnetfeldempfindlichen Bauelemente 8 und 9 hinein. Die Ringnut 10 wird dabei nach innen vom Permanent-Magnetkörper 2a und nach außen vom anderen Ende des Läufertcpfes 2b, das als Rückschlußteil wirkt, begrenzt

Die Kommutierungseinrichtung kann gemäß der Zeitschrift »Elektrodienst« 20 (1978), Sonderheft »Standarderzeugnisse«, Seite 11, Bild 3, aufgebaut sein.

Der bisher beschriebene Elektronikmotor ist bekannt Das Besondere ist nun, daß sein mehrpoliger Außenläufer 2 (genauer: der Permanent-Magnetkörper 2a) zwei Bereiche 111 und 12 mit unterschiedlichem Verlauf der Magnetisierung besitzt Die Trennlinie zwischen diesen beiden Bereichen 11 und 12 ist mit 13 bezeichnet Die Trennlinie Ü3 verläuft etwa in einer Höhe, die der Tiefe der Ringnut 10 entspricht Wie aus F i g. 2 deutlich wird, liegt dabei eine Magnetisierung des Außenläufers 2 mit achsparallelen neutralen Linien Ha bzw. mit schrägen neutralen Linien 12a vor. Auf diese Weise wird die Unabhängigkeit des Stromflußwinkels von der Toleranz des gegenseitigen Abstands in axialer Richtung der magnetfeldempfindlichen Bauelemente 8 und 9 erreicht

In der Abwicklung nach Fig.2 wird als Beispiel davon ausgegangen, daß der Permanent-Magnetkörper 2a insgesamt 6 Polpaare JV, 5 besitzt Dann sind die Nordpole Wund die Südpole S jeweils voneinander um 30° räumlich getrennt. In Umfangsrichtung gesehen, also in Blickrichtung senkrecht zur Läuferachse 3, folgt jeweils ein Südpol 5 einem Nordpol N. Dabei werden bei jedem Pol N, Sdurch die Trennlinie 13 zwei Bereiche abgeteilt. Im Bereich 11, der den Bauelementen 8 und 9 zugeordnet ist, verlaufen die neutralen Linien 11a zwischen Nordpol Λ/und Südpol S jeweils parallel zur Läuferachse 3, während im Bereich 12, der dem Blechpaket 4 zugeordnet ist, die neutralen Linien 12a zwischen Nordpol Wund Südpol S jeweils schräg zur Läuferachse 3 verlaufen. Ein Nordpol Nist in der F i g. 2 durch Strichelung seiner Begrenzungslinien besonders hervorgehoben, damit die neutralen Linien 11a. 12a besser zu erkennen sind. Um die räumliche Zuordnung deutlich werden zu lassen, ist in Fig. 2 auch das abgewickelte Statorpolsystem mit den Polen fund den dazwischenliegenden Nuten 5 gezeigt. Auch ist erkennbar, daß die beiden magnetfeldempfindlichen Bauelemente 8 und 9 um * = 45° (entsprechend 90° el) gegeneinander versetzt sind. Die Mitte der Bauelemente 8 und 9 liegt dabei jeweils unter der rechten Kante eines Pols P. Der elektrische Winkel beträgt — allgemeiner gesprochen — 90° ei ± η · 180° el, wobei η — 1,2,3... und hier speziell η = 1 gilt.

Aus F i g. 2 wird deutlich, daß der eingezeichnete gegenseitige Versatz vder beiden magnetfeldempfindlichen Bauelemente 8 und 9 in axialer Richtung gegeneinander und gegen das Statorpolsystem mit den Polen P ohne Einfluß auf den Stromflußwinkel ist. Mit anderen Worten: Obwohl ein solcher gegenseitiger Versatz ν besteht, liefert der Hallgenerator 9 bei gleichmäßiger Drehung genau 90° el verschoben zum Hallgenerator 8 ein Signal.

Es ist ersichtlich, daß die Breite der magnetfeldemp-

« findlichen Bauelemente 8 und 9 etwa um die Hälfte kleiner ist als die Breite des unteren Bereichs 11.

Wenn die beiden magnetfeldempfindlichen Bauelemente 8 und 9 zwar einen korrekten Versatz zueinander aufweisen, jedoch gemeinsam einen azimutalen, d. h.

to einen in Umfangsrichtung verlaufenden Versatz gegen das Statorpolsystem mit den Polen /"zeigen, kann dieser Versatz wirkungsmäßig wegen des Schrägverlaufs der neutralen Linien 12a des Außenläufers 2 durch eine relative Verschiebung zwischen dem Außenläufer 2 und dem Statorpolsystem in axialer Richtung kompensiert werden. Eine nachträglich nur mit erheblichem Aufwand durchführbare Korrektur dieses Versatzes durch eine relative Verdrehung zwischen den magnetfeldempfindlichen Bauelementen 8 und 9 und dem Statorpolsystern wird damit überflüssig. Eine axiale Verschiebung des Außenläufers 2 relativ zum Statorpolsystem hat — wie bereits in der Beschreibungseinieitung erwähnt — praktisch keinen Einfluß auf die Größe des Ausgangssignals der beiden magnetfeldempfindlichen Bauelemente.

Der erhöhte Aufwand bei der Anfertigung einer Magnetisierungseinrichtung, die den Außenläufer 2 sowohl mit achsparallelen als auch mit schrägen neutralen Linien 12a bzw. 126 magnetisiert, ist gering im Vergleich zu den Einsparungen, die durch die achsparallele Anordnung der Nuten 5 und eine einfache Wickeltechnik erzielt werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronikmotor mit einem mehrpoligen Außenläufer, der einen mit Nord- und Südpolen besetzten Magnetkörper umfaßt und um eine Läuferache umläuft, mit einem mehrnutigen Ständer, der innerhalb des Außenläufers ortsfest untergebracht ist, mit mindestens zwei magnetfeldempfindlichen Bauelementen, die — in radialer Richtung von der Läuferachse aus gesehen — zwischen dem Magnetkörper und einem Rückschlußteil ortsfest in der Nähe des Außenläufers angeordnet sind und die bei dessen Umlauf läuferwinkelstellungsabhängige Signale liefern, und mit einer elektronischen Kommutierungseinrichtimg, die die Signale zugeführt erhält und zur Stromversorgung der Ständerwicklungeü vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine jede neutrale Linie (11a, 12a) zwischen einem Nord- und einem Südpol (N, P) des Außenläufers (2) im Bereich (11) der magnetfeidempfindlichen Bauelemente (8, 9) parallel zur Läuferachse (3) und im Bereich (12) des Blechpakets (4a) des Ständers (4) schräg zur Läuferachse (3) verläuft.

2. Elektronikmotor nach Anspruch 1, bei dem die magnetfeldempfindlichen Bauelemente auf einer Trägerplatte angeordnet sind und dabei in eine an der Stirnseite des Außenläufers angebrachte Ringnut hineinragen, die von dem zylindrisch ausgestalteten Magnetkörper und dem diesen umgebenden Läufertopf, der als magnetischer Rückschluß wirkt, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der achsparallelen neutralen Linien (Ha) etwa der Tiefe der Ringnut (10) entspricht.

3. Elektronikmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der achsparallelen neutralen Linien (lla) etwa der doppelten Breite eines der magnetfeldempfindlichen Bauelemente (8,9) entspricht.