DE2930649C2

DE2930649C2 -

Info

Publication number: DE2930649C2
Application number: DE2930649A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Urawa Saitama Jp Uzuka
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1978-07-29
Filing date: 1979-07-27
Publication date: 1988-10-20
Also published as: FR2435846A1; DE2930649A1; US4529900A; GB2027285B; NL7905731A; FR2435846B1; JPS5523711A; GB2027285A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kollektorlosen Elektromotor mit einem topfförmigen Außenrotor, wobei der Außenrotor einen hohlzylindrischen Rotormagneten mit in Kunststoff gebundenen Magnetwerkstoffen enthält, der in Umfangsrichtung angeordnete Magnetpole besitzt, mit einer drehbaren Welle, an der der Außenrotor befestigt ist, und mit einer Statoranordnung mit zugehöriger Statorwicklung, die den Innenflächen des Rotormagneten mit geringem Luftspalt gegenüberliegt. Ein derartiger Elektromotor ist aus der DE-AS 26 12 464 bekannt.

Aus der DE-OS 22 51 399 ist bereits ein Wechselstrommotor bekannt, bei dem vorgesehen ist, den magnetischen Rückschluß in einem äußeren, stillstehenden Joch unterzubringen, wodurch die rotierende Masse und damit das Trägheitsmoment des Rotors klein bleiben.

Aus der DE-OS 29 19 064 geht ein Elektromotor hervor, dessen Feldmagnet einen Nabenteil und eine Mittelbohrung besitzt, wobei der Feldmagnet mit der Welle des Elektromotors kraftschlüssig verbunden ist. Dieser Elektromotor weist ebenfalls einen Kunststoff-Feldmagneten auf, wodurch sich eine trägheitsarme Konstruktion ergibt.

Aus der DE-OS 20 39 428 ist ein langsamlaufender Gleichstrommotor in Flachbauweise bekannt, der einen optischen Drehstellungsgeber enthält.

Aus der DE-OS 25 33 187 ist ein Motor mit einem Scheibenläuferrotor bekannt, der mit einem Tachogenerator gekoppelt ist, welcher einen stationären, homöopolaren Ringmagneten und ein relativ zu diesem rotierendes, mit einer Zahnung versehenes Teil sowie eine mit dem zwischen dem Magneten und diesem Teil im Betrieb fließenden variablen Fluß verkettete Meßspule aufweist, an der die Tachometerspannung abnehmbar ist.

Aus der US-PS 40 74 157 ist ein Wechselstromsignalgenerator mit einem Permanentmagneten bekannt, der eine Konstruktion aufweist, mittels derer eine stabile konzentrische Beziehung zwischen dem Rotorteil und dem Statorteil ohne besondere Präzision oder komplizierte Bauteile erreicht werden soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kollektorlosen Elektromotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine Rotoranordnung mit geringem Trägheitsmoment aufweisen soll, wobei eine besonders einfache Fertigung des Elektromotors ermöglicht sein soll. Die Führung des magnetischen Rückschlusses soll dabei in einem zusätzlichen, stillstehenden Teil des Elektromotors vorgesehen sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein kollektorloser Elektromotor der eingangs genannten Art und gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Statoranordnung ein äußeres Jochglied enthält, das einer äußeren Fläche des Rotormagneten mit kleinem Luftspalt dazwischen gegenüberliegt, und daß der Rotormagnet selbst in seinem Boden einen Nabenteil und eine Mittelbohrung um seine Drehachse besitzt, wobei der Boden an der Welle in dem Nabenteil mittels eines Klebstoffs oder einer kraftschlüssigen Verbindung bzw. Preßpassung verbunden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Gemäß der Erfindung ist demnach ein Elektromotor geschaffen worden, bei dem die Rotoranordnung aus Bauelementen besteht, die eine weniger präzise Bearbeitung erfordern. Desweiteren erfordert der Elektromotor eine kürzere Montagezeit. Schließlich besitzt der Elektromotor eine Rotoranordnung mit gutem dynamischen Rotationsausgleich ohne Einstellung des Ausgleichs nach der Montage. Desweiteren ist der Elektromotor vergleichsweise kompakt und unkompliziert ausgebildet, und zwar selbst in dem Fall, in dem eine Vorrichtung, wie ein Frequenzgenerator oder ein Drehmomentübertragungselement oder dgl., an der Rotoranordnung vorgesehen ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 im Vertikalschnitt einen herkömmlichen, bürstenlosen Gleichstrommotor mit Außenrotor,

Fig. 2 bis Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel eines vierpoligen, bürstenlosen Gleichstrommotors mit Phasenwechsel,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt des Gleichstrommotors,

Fig. 3 perspektivisch in Explosionsdarstellung den Gleichstrommotor,

Fig. 4A in Seitenansicht das Motorgehäuse,

Fig. 4B in Unteransicht das Motorgehäuse,

Fig. 5A in Seitenansicht die Rotoranordnung,

Fig. 5B in Unteransicht die Rotoranordnung,

Fig. 6A in Seitenansicht die Statoranordnung des Motors,

Fig. 6B in Draufsicht die Statoranordnung,

Fig. 7 in Draufsicht die Schaltungsplatte,

Fig. 8 den Schnitt VIII-VIII in Fig. 2,

Fig. 9 schematisch eine Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus des Gleichstrommotors,

Fig. 10A eine Darstellung der Magnetflußverteilung, die durch den Rotormagneten des Gleichstrommotors erreicht ist,

Fig. 10B eine Darstellung zum Erläutern des zusammengesetzten Drehmoments aufgrund der A-Phasen-Spulen,

Fig. 10C Signalverläufe zur Darstellung der Übergangsströme für die A-Phase und die B-Phase,

Fig. 10D eine Darstellung des Drehmoments des Motors,

Fig. 11 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Ansteuerschaltung für den Gleichstrommotor,

Fig. 12 im Vertikalschnitt einen Gleichstrommotor mit einem veränderten Joch,

Fig. 13 in Seitenansicht eine andere Ausführungsform des Rotors,

Fig. 14 perspektivisch den Gleichstrommotor mit dem Rotor gemäß Fig. 13,

Fig. 15 bis Fig. 17 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Gleichstrommotors gemäß der Erfindung,

Fig. 15 im Vertikalschnitt den mit einem Frequenzgenerator zum Erfassen der Drehzahl versehenen Gleichstrommotor,

Fig. 16 in Seitenansicht die Rotoranordnung gemäß Fig. 15,

Fig. 17 perspektivisch in Explosionsdarstellung den Frequenzerfassungsabschnitt des Frequenzgenerators gemäß Fig. 15,

Fig. 18 bis Fig. 20 eine Weiterbildung des mit einem Frequenzgenerator versehenen Gleichstrommotors,

Fig. 18 im Vertikalschnitt den Gleichstrommotor gemäß diesem Ausführungsbeispiel,

Fig. 19 in Seitenansicht die Rotoranordnung des Gleichstrommotors,

Fig. 20 den Schnitt XXI-XXI in Fig. 18 und

Fig. 21 im Schnitt den Gleichstrommotor mit einer anderen Ausführungsform des Jochs.

Vor einer Erläuterung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden zunächst verschiedene Probleme, die bei herkömmlichen Motoren auftreten, angegeben. Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein bürstenloser Gleichstrommotor mit Außenrotor dargestellt ist. In Fig. 1 ist ein zylindrisches, topfförmiges Motorgehäuse 1 mit einer scheibenförmigen Abdeckplatte 2 an dessen Öffnungsabschnitt versehen. Ein zylindrisches Tragglied 3 ist an dem mittleren Abschnitt der Abdeckplatte 2 befestigt. Ein Ende einer mittigen, axialen Bohrung in dem Tragglied 3 ist mit einem Lager 4 versehen, während das andere, entgegengesetzte Ende der Bohrung mit einem Lager 5 versehen ist. Eine drehbare Motorwelle 6 ist durch die Lager 4 und 5 und ein Axiallager 7, das am mittleren Abschnitt der Abdeckplatte 2 angebracht ist, drehbar gelagert.

Ein topfförmiges Rotorjoch 10 ist am oberen Abschnitt der Welle 6 über eine Nabe 9 befestigt. Zylindrische oder bogenförmige, als Permanentmagnet ausgeführte Rotormagnete 11 sind an der inneren zylindrischen Seitenwand des Rotorjochs 10 befestigt. Eine Rotoranordnung 8 aus dem Rotorjoch 10 und dem oder den Rotormagneten 11 umgibt und dreht sich um eine Statoranordnung, die aus einem zylindrischen Statorblechpaket 12 gebildet ist. Das Statorblechpaket 12 besteht aus einem Werkstoff hoher Permeabilität, wie keramisches Ferrit, und ist an der Außenseitenwand des Tragglieds 3 befestigt. Die beispielsweise dreiphasigen Spulen 13 sind an der zylindrischen Außenfläche des Statorblechpakets 12 mit Abstand um einen vorgegebenen Winkel voneinander angeordnet.

Eine kreisförmige Schaltungsplatte 15 ist an dem Unterteil des zylindrischen Tragglieds 3 mit einem zylindrischen Isolierglied 14 dazwischen vorgesehen. Schaltungselemente 18, die eine Motor-Ansteuerschaltung bilden, sind an der Rückseite der Schaltungsplatte 15 angebracht. Ein Lagefühlelement 19 ist an der Oberseite der Schaltungsplatte 15 für die Erfassung der Drehstellung des Rotors vorgesehen. Die Ansteuerschaltung arbeitet abhängig von dem Ausgangssignal des Fühlelements 19 zum selektiven Erregen der Spulen 13, wodurch der Motor gedreht wird.

Bei dem herkömmlichen, bürstenlosen Gleichstrommotor gemäß Fig. 1 besteht das Rotorjoch 10 zum Tragen des oder der Rotormagnete 11 aus einem Werkstoff hoher Permeabilität, wie Weicheisen, zur Verringerung des magnetischen Widerstands des Magnetwegs. Folglich ist die Rotoranordnung relativ schwer und besitzt ein hohes Trägheitsmoment. Dies ist sehr nachteilig für einen Motor, der eine kleine Trägheit aufweisen soll.

Die Rotormagnete 11 müssen so geschliffen sein, daß eine ausreichende Abmessungsgenauigkeit erreicht ist, um einen guten dynamischen Rotationsausgleich bzw. eine gute dynamische Rotationsauswuchtung des Rotors um die Welle 8 zu erreichen. Darüber hinaus muß das Rotorjoch 10 genau bearbeitet sein, um eine gute dynamische Rotationsauswuchtung insbesondere für eine Bohrung 10 a für die Befestigung der Nabe, über die das Rotorjoch 10 an der Welle 6 befestigt ist, zu erreichen. Weiter ist es wahrscheinlich, da die Rotormagnete 11 an der Innenwand mittels eines Klebstoffs oder mittels Preßpassung befestigt werden, daß die Rotoranordnung beim Zusammenbau ihre dynamische Rotationsauswuchtung verliert. Deshalb ist ein Ringelement 20 mit T-Querschnitt an der zylindrischen Außenwand des Rotorjochs 10 angebracht, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Nach dem Zusammenbau des Rotors wird eine geringe Menge von Auswuchtmaterial 21 aus Bleipulver und einer Klebverbindung selektiv in dem Raum angebracht, der zwischen dem Rotorjoch 10 und dem Ringelement 20 gebildet ist, um die dynamische Rotationsauswuchtung einzustellen. Andererseits kann eine geringe Menge eines Auswuchtmaterials 22 selektiv in dem Raum angebracht werden, der durch ein stufenförmiges Eck 10 b des Bodens des Rotorjochs 10 gebildet ist.

Folglich erfordert der Motor gemäß Fig. 1 eine lange Montagezeit zum Befestigen der Rotormagnete 11 und/oder eine lange Einstellzeit, um die dynamische Rotationsauswuchtung zu erreichen.

Die bei dem Motor gemäß Fig. 1 auftretenden, vorstehend erläuterten Probleme werden durch die Erfindung beseitigt. Ein an einen vierpoligen wechselphasigen, bürstenlosen Gleichstrommotor angepaßtes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 bis Fig. 11 dargestellt. Fig. 2 stellt einen Vertikalschnitt des Motors und Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Motors dar.

Wie in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt, besteht der bürstenlose Gleichstrommotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aus einem zylindrischen Motorgehäuse 1, einer Rotoranordnung 8, einer Statoranordnung 16 und einer Schaltungsplatte 15.

Fig. 4A u. 4B zeigen in Seiten- bzw. in Unteransicht das Motorgehäuse 1. Das Motorgehäuse 1 ist beispielsweise aus einer Weichstahlplatte in Topfform gezogen. Ein kleines Loch 1 c ist in der Mitte des Bodens 1 a des Motorgehäuses 1 ausgebildet, durch das sich die Welle 6 erstreckt. Ein zylindrisches Magnetwegelement, nämlich ein äußeres Jochglied 25, ist an der Innenseitenwand des Motorgehäuses 1 befestigt. Das Jochglied 25 kann aus einer Siliziumstahlplatte bestehen die rechteckig mit einer Breite zugeschnitten ist, die eine Abmessung wie der innere Umfang des Motorgehäuses 1 hat. Das Jochglied 25 ist an der Innenseitenwand des Motorgehäuses 1 befestigt, wobei die aufgrund der Elastizität der Siliziumstahlplatte erzeugte Rückstellkraft ausnutzbar ist. Das Jochglied 25 kann an dem Motorgehäuse 1 durch Bilden mehrerer wendelartiger Windungen befestigt sein. Andererseits kann ein zylindrisch ausgebildetes Ferritjoch hoher Permeabilität, ein sog. Weichferrit- Joch oder ein Joch aus einem anderen Werkstoff hoher Permeabilität, im Motorgehäuse 1 angebracht sein.

Das Jochglied 25 ist gegenüber der Rotoranordnung stationär angeordnet, während das entsprechende Rotorjoch 10 bei dem herkömmlicher Motor gemäß Fig. 1 am Rotor vorgesehen ist. Die Rotoranordnung 8 enthält demnach bei diesem Ausführungsbeispiel kein Joch.

Fig. 5A u. Fig. 5B zeigen in Seitenansicht bzw. in Untersicht die Rotoranordnung 8, die aus einem Rotormagneten 11 und einer sich drehenden Welle 6 besteht. Der Rotormagnet 11 besteht aus einem plastischen bzw. Kunststoff-Magnetwerkstoff, d. h. einer Mischung aus einem wärmehärtbaren Harz oder einem thermoplastischen Harz und aus Ferritpulver. Der Kunststoff-Magnetwerkstoff ist mittels Spritzformung zu einem topfförmigen Rotationskörper geformt, der aus einem zylindrischen Abschnitt 11 a und einem Boden 11 b besteht. Ein Nabenteil 26 mit Mittelbohrung 27 ist in der Mitte des Bodens 11 b ausgebildet, um die Welle 6 mittels Preßpassung daran zu besfestigen. Der Rotormagnet 11 kann aus einem Gummi- Magnetwerkstoff hergestellt sein.

Am unteren Ende des zylindrischen Abschnitts 11 a des Rotormagnets 11 sind ein Paar bogenförmiger Verschlußsegmente 24 a u. 24 b längs der Umfangskante des zylindrischen Abschnitts 11 a ausgebildet, die voneinander um 180° entfernt angeordnet sind. Das bedeutet, daß diese Verschlußsegmente einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Jedes der Verschlußsegmente 24 a, 24 b erstreckt sich über einen Mittenwinkel von 90° zur Unterbrechung des Lichtwegs eines weiter unten zu erläuternden Photokopplers 42 abwechselnd um 90° zur Erzeugung eines Übergangssignals zur abwechselnden Erregung um 180 elektrische Grade.

Die mit dem Rotormagneten 11 versehene Welle 6 ist in der Mitte der Statoranordnung 16 mittels Lagern 4 u. 5 drehbar gehalten, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Daher dreht sich die Rotoranordnung in dem zylindrischen Raum, der zwischen der Statoranordnung 1, 15, 16 und dem Jochglied 25 gebildet ist, das an der Innenseitenwand des Motorgehäuses 1 vorgesehen ist. Zwischen der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 11 a des Rotormagneten 11 und der inneren Umfangsfläche des Jochglieds 25 ist ein schmaler Spalt vorgesehen. Ein schmaler Spalt ist auch zwischen der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 11 a des Rotormagneten 11 und den Flächen vorspringender Pole der Statoranordnung 1, 15, 16 vorgesehen.

Fig. 6A u. Fig. 6B zeigen in Seitenansicht bzw. Aufsicht die Statoranordnung. Die Statoranordnung besteht aus einer Basisplatte 28, einem zylindrischen Tragglied 3, einem Statorblechpaket 12 und zwei Phasen von Spulen, deren eine Phase durch ein Paar von Spulen 29 a u. 30 a und deren andere Phase durch ein Paar von Spulen 29 b u. 30 b gebildet ist. Die Basisplatte 28 ist aus einer scheibenförmigen Stahlplatte mit einer zylindrischen Vertiefung 31 in deren Mitte gebildet. Hochgebogene Abschnitte 32 a, 32 b u. 32 c sind an dem Umfangsrand der Basisplatte 28 mit Abständen von 120° zur Bildung von Vertiefungen darin ausgbildet. Währenddessen sind Verriegelungs- oder Sperrabschnitte 33 a, 33 b u. 33 c an dem Umfangsrand des Motorgehäuses 1 mit Abständen von 120° ausgebildet. Beim Zusammenbau des Motors werden die Sperrabschnitte 33 a bis 33 c an den entsprechenden hochgebogenen Abschnitten 32 a bis 32 c zur Befestigung des Motorgehäuses 1 an der Basisplatte 28 nach innen gebogen.

Das zylindrische Tragglied 3 ist in der Vertiefung 31 der Basisplatte 28 mittels Preßpassung befestigt. Lager 4 u. 5 und ein Axial- oder Drucklager 7 sind in der zylindrischen Bohrung des Tragglieds 3 vorgesehen. Ein geschichtetes Statorblechpaket 12 ist an der äußeren zylindrischen Fläche des Tragglieds 3 befestigt. Das Statorblechpaket 12 besitzt acht Pole mit vorspringendem Polaufbau, wie dies in Fig. 6B dargestellt ist. Nuten zum Aufwickeln von Spulen sind zwischen jedem vorspringenden Pol ausgebildet. Jede Polfläche für vier vorspringende Pole 36 A, 36 B, 37 A u. 37 B mit Intervallen von 90° erstreckt sich über Mittenwinkel von etwa 50°. Spulen 29 A, 29 B, 30 A u. 30 B sind jeweils auf vorspringende Pole 36 A, 36 B, 37 A bzw. 37 B aufgewickelt. Jede Polfläche der vier vorspringenden Pole 38 a bis 38 d, die zwischen den vorspringenden Polen 36 A, 36 B, 37A u. 37 B angeordnet sind, erstreckt sich über einen Mittenwinkel von etwa 30°. Spulen sind um diese vorspringenden Pole 38 a bis 38 d nicht gewickelt, wobei diese als Hilfspole wirken.

Durch die Spulen sind abwechselnd A-Phasen und B-Phasen gebildet.

Die A-Phasen-Spule besteht aus den Spulen 29 A u. 30 A, die voneinander um 180° beabstandet sind und miteinander reihengeschaltet sind. Die von der A-Phasen-Spule um einen Winkel, der einer Umfangabmessung von 90° entspricht, beabstandete B-Phasen-Spule besteht aus den Spulen 29 B u. 30 B, die voneinander um 180° beabstandet und miteinander reihengeschaltet sind. Zwei Paare von Leitungen dieser A- u. B.- Phasen-Spulen sind mit Leiterbahnen auf der Schaltungsplatte 15 über vier Anschlußstifte 40 a bis 40 d verbunden, die axial auf einem ringförmigen Isolierteil 39 befestigt sind, um die Spulen von dem Statorblechpaket 12 zu isolieren.

Die Schaltungsplatte 15 ist, wie sich aus Fig. 7 ergibt, mit vier Durchbohrungen 41 a bis 41 d versehen, deren Lage denen der Anschlußstifte 40 a bis 40 d jeweils entspricht. Beim Zusammenbau des Motors werden die Anschlußstifte 40 a bis 40 d durch die Durchbohrungen 41 a bis 41 d zur Verbindung mit den Leiterbahnen an der Rückseite der Schaltungsplatte 15 mittels Befestigung durch Löten verbunden, wodurch die Schaltungsplatte 15 mit der Statoranordnung fest verbunden ist.

An der Schaltungsplatte 15 ist ein Photokoppler 42 befestigt. Der Photokoppler 42 enthält ein lichtemittierendes Element 43 und ein lichtempfangendes Element 44, die einander gegenüberliegen. Der Photokoppler 42 ragt durch einen rechteckigen Schlitz 47 der Basisplatte 28 und erstreckt sich zur Rotations-Ortskurve der Verschlußsegmente 24 a u. 24 b des Rotormagneten 11, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die Verschlußsegmente 24 a u. 24 b drehen sich über den Lichtweg zwischen dem lichtemittierenden Element 43 und dem lichtempfangenden Element 44 des Photokopplers 42, wodurch das von dem Element 43 abgegebene Licht bei jedem Drehwinkel von 180° für die Dauer eines Drehwinkels von 90° unterbrochen wird, womit ein Überganssignal zur abwechselnden Erregung mit einem elektrischen Winkel von 180° erzeugt wird. Der Photokoppler 42 ist in der Mittellage zwischen der A-Phasen- Spule 29 A und der B-Phasen-Spule 30 B angeordnet, d. h. mit der gleichen Umfangsabmessung wie die Mitte des vorspringenden Pols 38 b.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Gleichstrommotors gemäß Fig. 2 bis Fig. 7 näher erläutert.

Der Rotormagnet 11 der Rotoranordnung enthält in Umfangsrichtung beabstandet zwei Paare von Magnetpolen, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, die einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII in Fig. 2 dargestellt. Ein Paar der Pole besteht aus einem N-Pol und einem S-Pol, wobei jeder geometrisch einen Winkel von 70° auf beiden Seiten eines Lagewinkels entsprechend einem Rand des Verschlußsegments 24 a, d. h. dem Lagewinkel 0° gemäß Fig. 8, einnimmt. Desweiteren besteht ein anderes Paar von Polen aus einem N-Pol und einen S-Pol, die jeweils einem geometrischen Winkel von 70° beiderseits eines Lagewinkels entsprechend einem Rand des Verschlußsegments 24 b gegenüberliegen, d. h. einem Lagewinkel von 180°. Verbleibende gebogene zylindrische Teile des Rotormagneten 11 sind nicht magnetisiert. Die Magnetflußdichte in dem Luftspalt zwischen der inneren zylindrischen Fläche des Rotormagneten 11 und der vorspringenden Fläche der vorspringenden Pole ist in Fig. 10A dargestellt. Die Kurve gemäß Fig. 10A zeigt die Magnetflußverteilung um die Achse des Motors in einem Drehweg im Uhrzeigersinn mit Beginn an dem Lagewinkel 0° gemäß Fig. 8.

Wie in Fig. 10A dargestellt, ändert sich die Polarität der Magnetflußdichte plötzlich zu jedem Lagewinkel 0°, 180°, 360° . . . Dagegen wird die Magnetflußdichte nahe jedem Lagewinkel von 90°, 270° . . . auf Null verringert, wobei dies jeweils einem der nichtmagnetisierten Krümmungsabschnitte des Rotormagneten 11 entspricht.

Wenn die A-Phasen-Spulen 29 A u. 30 A erregt werden, werden entsprechend vorspringende Pole 36 A u. 37 A so erregt, daß sie beispielsweise S-Pole darstellen. Dagegen entstehen N- Pole bei jedem der verbleibenden, vorspringenden Pole 36 B, 37 B und 38 a bis 38 d. Fig. 9 zeigt schematisch eine äquivalente Ansicht von Fig. 8, die das Grundprinzip des Motors ergibt. Der durch die zu einem S-Pol erregten vorspringenden Pole 36 A u. 37 A erzeugte Magnetfluß ist im wesentlichen äquivalent dem Magnetfluß, der durch virtuelle Spulen L _A und L _A′ gemäß Fig. 9 erzeugt wird. Der positive sowie der negative Wegabschnitt V bzw. W einer virtuellen Spule L _A oder L _A′ sind voneinander in Umfangsrichtung um ewa 50° beabstandet, was dem Mittenwinkel von 50° jeder Polfläche der vorspringenden Pole 36 A u. 37 A gleich ist. Virtuelle äquivalente Spulen L _B u. L _B′ können für die B- Phase angenommen sein. Die virtuellen Spulen L _A oder L _A′ für die A-Phase sind in Umfangsrichtung um 90° von der virtuellen Spule L _B bzw. L _B′ beabstandet.

Das Drehmoment des Motors wird durch den Magnetfluß vom Rotormagneten 11 erzeugt, der mit dem Strom verkettet ist, der durch die virtuellen Spulen L _A, L _A′ oder L _B, L _B′ fließt. Der positive Wegabschnitt V der A-Phasen-Spule ist bei einem Lagewinkel von 20° mit Abstand von dem Lagewinkel von 0° beabstandet, der die Lage des Photokopplers 42 wiedergibt. Der negative Wegabschnitt W der A-Phasen-Spule ist um 50° von dem positiven Wegabschnitt V phasenverschoben. Wenn nun angenommen wird, daß die Spule L _A während einer vollständigen 360°-Drehung erregt wird, tritt daher ein Drehmoment auf, das durch die Magnetflußverteilung erzeugt ist, die mit dem Strom des positiven Wegabschnitts V verkettet ist, wie dies durch die Vollinienkurve v in Fig. 10B dargestellt ist. Dieses Drehmoment ist dabei um 20° mit Bezug auf die Flußverteilungskurve gemäß Fig. 10A phasenverschoben. Dagegen tritt ein Drehmoment auf, das durch den Magnetfluß erzeugt ist, der mit dem negativen Strom verkettet ist, welcher durch den negativen Wegabschnitt W fließt, wie dies durch die Strichlinienkurve w dargestellt ist. Diese Drehmoment- Kurve w ist negativ bzw. eine invertierte Form der Kurve v und ist in bezug auf die Kurve v um 50° phasenverschoben.

Das Gesamtmoment, das durch den positiven Weg V und den negativen Weg W der A-Phasen-Spule L _A erzeugt wird, ist gleich der Summe der Kurven v u. w. Das Gesamtmoment ist durch die Strich-Punkt-Kurve T _A wiedergegeben, die einen trapezförmigen Signalverlauf mit einem positiven Bereich über einen Drehwinkel von 90° bzw. 180 elektrischen Graden aufweist. Dagegen zeigt das Gesamtmoment, das durch die B- Phasen-Spule L _B erzeugt ist, zwar eine Version der Kurve T _A, jedoch um einen Drehwinkel von 90° in bezug zur Kurve T _A phasenverschoben. Folglich wird, wenn die A-Phasen-Spule L _A (29 A u. 30 A) und die B-Phasen-Spule L _B (29 B u. 30 B) abwechselnd während einer Dauer von 180 elektrischen Graden jeweils mit einem Erregungsstrom eines Signalverlaufs gemäß Fig. 10C erregt werden, ein kontinuierliches, positives Drehmoment über 360 elektrische Grade erzeugt, wie dies durch die Drehmomentkurve in Fig. 10B dargestellt ist.

Eine Motor-Ansteuerschaltung gemäß Fig. 11 erregt selektiv die A-Phasen-Spule L _A und die B-Phasen-Spule L _B. Wie erläutert, wird das Schaltsignal gemäß Fig. 10C durch den Photokoppler Fig. 42 erzeugt, indem der Lichtweg zwischen dem lichtemittierenden Element 43 und dem lichtempfangenden Element 44 durch die Verschlußsegmente 24 a u. 24 b unterbrochen wird. Das lichtemittierende Element 43 kann eine Lichtemissionsdiode oder LED sein, und das lichtempfangende Element 44 kann ein Phototransistor sein, wie dies in Fig. 11 dargestellt ist.

Im folgenden wird eine Weiterbildung des Jochgliedes 25 mit Bezug auf den Vertikalschnitt des Motors gemäß Fig. 12 erläutert. Bei dieser Ausführungsform ist die Basisplatte 28 topfförmig ausgebildet. Das Jochglied 25 ist ebenso topfförmig ausgebildet und mit einer mittigen Bohrung 25 a versehen. Das Jochglied 25 ist an der inneren zylindrischen Wand der Basisplatte 28 so befestigt, daß sich deren zylindrische Abschnitte überlappen. Das topfförmige Jochglied 25 dient als Gehäuse des Motors, was wirksam magnetische Leckflüsse nach außerhalb des Motors vom Rotormagneten 11 verringert, wenn das Jochglied aus einer Siliziumstahlplatte oder dergl. besteht.

Im folgenden wird eine Weiterbildung des Rotormagneten 11 anhand von Fig. 13 u. Fig. 14 erläutert, die eine Seitenansicht des Außenrotors 8 bzw. eine perspektivische Ansicht des Motors wiedergeben. Bei der Weiterbildung gemäß Fig. 13 u. Fig. 14 ist ein Scheibenabschnitt 45 mit einem Flansch 46 zum Antrieb eines flachen Riemens neben dem Nabenteil 26 des Rotormagneten 11 mittels Monoblockgießens beim Gießen des Werkstoffs für den Rotormagneten 11 ausgebildet. Andererseits kann eine Kontaktfläche 45 a des Scheibenabschnitts 45 auch durch Bearbeitung in die Form gemäß Fig. 13 gebracht werden. Weitere Elemente, wie ein Stirnrad, ein Schraubenradgetriebe oder ein Nocken können an dem Nabenteil 26 des Rotormagneten 11 als einstückiger Körper damit ausgebildet sein. Andererseits können andere Elemente, wie ein Schneckenantrieb, an dem Nabenteil 26 des Rotormagneten 11 mittels Einsatzformung ausgebildet sein.

Im folgenden wird eine Weiterbildung eines Ausführungsbeispiels des Motors, bei dem ein Frequenzgenerator zum Erfassen der Drehzahl des Motors vorgesehen ist, anhand von Fig. 15 bis Fig. 17 erläutert.

Der Nabenteil 26 des Rotormagneten 11 ist mit zwölf über den Umfang verteilten Polen eines magnetisierten Abschnitts 69 versehen, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist. Ein ringförmiges Frequenzdetektor-Erfassungsglied 60 ist an dem Boden 1 a des Motorgehäuses 1 über ein Tragglied 61 angebracht, das den Nabenteil 26 umgibt, wie dies in Fig. 15 dargestellt ist. Das Tragglied 61 ist mit mehreren elastischen oder nachgiebigen Schnappgliedern 66 oder dergl. versehen, die am inneren Umfangsabschnitt mit vorgegebenen Umfangsabständen nach innen vorspringen. Das Erfassungsglied 60 ist am Motorgehäuse 1 mittels der Schnappglieder 66 befestigt.

Das Erfassungsglied 60 besteht aus einem ringförmigen oberen Joch 51 einer Spulenanordnung 67 und einem topfförmigen Joch 53, wie dies in Fig. 17 dargestellt ist. Das obere Joch 51 und das untere Joch 53 bestehen aus einem Werkstoff hoher Permeabilität, wie einem Weicheisenblech, das ausgestanzt und dann zur Bildung einer Anzahl kammartiger Zahnelemente 50 u. 52, beispielsweise 22 Zahnelemente, die senkrecht am inneren Umfangsrand jeder ringförmigen Öffnung mit regelmäßigen Abständen emporstehen bzw. vorspringen, druckverformt ist. Beim Zusammenbau des Erfassungsglieds 60 werden die kammartigen Zahnelemente 50 u. 52 abwechselnd auf einer virtuellen zylindrischen Fläche angeordnet, wie dies in Fig. 15 dargestellt ist. Die äußeren Umfangskanten des oberen und des unteren Jochs 51, 53 sind miteinander zur Bildung eines magnetischen Weges verbunden.

Ein ringförmiger Raum, der zwischen oberem und unterem Joch 51, 53 gebildet ist, ist mit der Spulenanordnung 67 versehen, die einen ringförmigen Spulenkörper 57 mit Kanalquerschnitt enthält. Eine Erfassungsspule 55 ist in Umfangsrichtung auf den Spulenkörper 57 aufgewickelt. Folglich sind der Magnetweg, der durch das obere und das untere Joch 51, 53 gebildet ist, und die Erfassungspule 55 miteinander verkettet. Der Magnetweg bildet einen offenen magnetischen Kreis einschließlich Luftspalte, die zwischen den abwechselnd angeordneten, kammartigen Zahnelementen 50 u. 52 gebildet sind. Folglich nimmt das Frequenz-Erfassungsglied 60 den magnetischen Fluß über die Luftspalte auf, der durch den magnetisierten Abschnitt 69 an der zylindrischen Fläche des Nabenteils 26 des Rotormagneten 11 erzeugt ist. Ein Erfassungssignal einer Frequenz abhängig von der Drehzahl der Motors wird daher von der Erfassungsspule 55 erhalten.

Die kammartigen Zahnelemente 50 u. 52 vom oberen und unteren Joch 51 u. 53 liegen der Umfangsfläche des magnetisierten Abschnitts 69 des Nabenteils 26 des Rotormagneten 11 mit kleinem Luftspalt dazwischen gegenüber. Der N-Pol und der S-Pol des magnetisierten Abschnitts 69 liegen abwechselnd den abwechselnd angeordneten kammartigen Zahnelementen 50 u. 52 abhängig von der Drehung des Rotors gegenüber. Ein Magnetfluß tritt in einer Richtung in dem Magnetweg hindurch, der sich von den kammartigen Zahnelementen 50 des oberen Jochs 51 zu den verbindenden Rändern von oberem und unterem Joch 51, 53 und dann zu den kammartigen Zahnelementen 52 des unteren Jochs 53 erstreckt, wobei dann der Fluß in der Gegenrichtung in dem Magnetweg hindurchgeht. Folglich wird eine Spannung mit einer Frequenz proportional der Drehzahl des Rotors ausgegeben, die mit dem Magnetweg verkettet ist. Die Spannung wird als Frequenzerfassungssignal über Anschlüsse 56 a, 56 b zu einer Drehzahl-Servoschaltung herausgeführt.

Eine andere Weiterbildung des Motors mit einem anderen Frequenzgenerator ist in Fig. 18 bis Fig. 20 dargestellt. Der Motor gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist mit einem eine sog. variable Reluktanz oder einen variablen magnetischen Widerstand aufweisenden Frequenzgenerator versehen. Wie in Fig. 19 u. Fig. 20 dargestellt, ist eine Anzahl zahnradartiger Zähne 59 an der zylindrischen Oberfläche des Nabenteils des Rotormagneten 11 ausgebildet. Ein ringförmiges stationäres Erfassungsglied 60 ist am Boden 1 a des Motorgehäuses 1 über ein Tragglied 61 angebracht und umgibt den Nabenteil 26. Das Tragglied 61 ist mit mehreren elastischen Schnappgliedern 66 versehen, die mit vorgegebenen Umfangsabschnitten nach innen ragen. Das Frequenz- Erfassungsglied 60 ist am Motorgehäuse 1 mittels der Schnappglieder 66 befestigt.

Die Frequenzdetektoranordnung mit dem Erfassungsglied 60 enthält ein Ringjoch 62 aus einem Werkstoff hoher Permeabilität, wie gesintertes Weichferrit oder einem plastischen Werkstoff oder Kunststoff einschließlich Weichferrit-Pulver. Das Ringjoch 62 besitzt einen nach innen vorspringenden Flanschabschnitt 63, an dessen innerer Umfangsfläche eine Anzahl zahnradähnlicher Zähne 64 ausgebildet sind. Die Zähne 64 haben die gleiche Schrittweite wie die Zähne 59, die an der zylindrischen Fläche des Nabenteils 26 des Rotormagneten 11 vorgesehen sind, wie dies in Fig. 20 dargestellt ist.

Die Zähne 59 am Nabenteil 26 und die Zähne 64 am Ringjoch 62 liegen einander mit geringem Luftspalt dazwischen gegenüber. Die untere Fläche 62 a des Ringjochs 62 und die obere Fläche des Bodens 11 b des Rotormagneten 11 liegen sich axial mit geringem Spalt dazwischen gegenüber. Folglich wird ein Magnetweg 58, der in Fig. 18 in Strich-Punkt-Linie dargestellt ist, gebildet, der sich durch den Nabenteil 26, den Boden 11 b des Rotormagneten 11 und das Ringjoch 62 erstreckt.

Eine Erfassungsspule 55 ist in Umfangsrichtung an der unteren Fläche des Flanschabschnitts 63 des Ringjochs 62 vorgesehen und mit dem Magnetweg 58 verkettet. Die Erfassungsspule 55 ist in Umfangsrichtung auf einem Spulenkörper 57 mit Kanalquerschnitt aufgewickelt, und zwar in der gleichen Weise, wie dies in Fig. 17 dargestellt ist. Der Nabenteil 26 des Rotormagneten 11 ist in axialer Richtung zur Bildung eines Magnetflusses magnetisiert, der durch den Magnetweg 58 hindurchgeht, der durch die Strich-Punkt-Linie in Fig. 18 dargestellt ist. Der Fluß ist mit der Erfassungsspule 55 verkettet. Wenn sich der Rotor dreht, liegt jedes Oberende der Zähne 59 des Nabenteils 26 abwechselnd jedem Oberende bzw. jedem Bodenteil der Zähne 64 des Ringjochs 62 gegenüber, wodurch die Länge des Luftspalts zwischen dem Nabenteil 26 und dem Ringjoch 62 abwechselnd abhängig von der Drehzahl des Rotors geändert wird. Folglich ändert sich der magnetische Widerstand des Magnetwegs 58, was den Magnetfluß ändert, der mit der Spule verkettet ist. Folglich wird eine Spannung einer Frequenz in der Erfassungsspule 55 erzeugt, die proportional der Drehzahl des Rotors ist. Die Spannung wird als ein Frequenz-Erfassungssignal über Anschlüsse 56 a u. 56 b zu einer Drehzahl-Servoschaltung herausgeführt.

Der Nabenteil 26 des Rotormagneten 11 kann in radialer Richtung im Abschnitt der Zähne 59 zur Bildung eines Magnetflusses zur Frequenzerfassung magnetisiert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Welle 6 in einem Teil des Magnetwegs enthalten sein. Darüber hinaus kann bei diesem Ausführungsbeispiel das Ringjoch 62 aus einem Kunstharz- Magnetwerkstoff gegossen sein, wie er für den Rotormagneten 11 verwendet ist, so daß die Magnetisierung in dem Ringjoch 62 erfolgt. Andererseits kann ein ringförmiges Magnetteil in einem Teil des Magnetwegs 58 ohne eine derartige Magnetisierung des Nabenteils 26 oder des Ringjochs 62 eingesetzt sein.

Im folgenden wird eine andere Ausführungsform des Jochglieds 25, das an der inneren zylindrischen Fläche des Motorgehäuses 1 befestigt ist, mit Bezug auf Fig. 21 erläutert, die den Motor im Querschnitt zeigt.

Im allgemeinen wird bei einem Gleichstrommotor, der mit Nuten versehen ist, die eine volle Öffnung wie bei diesem Ausführungsbeispiel besitzen, der magnetische Widerstand zwischen dem Rotor und dem Drehwinkelbereich einer derartigen Öffnung jeder Nute größer. Beispielsweise nimmt die Reluktanz in dem Winkelbereich einer Öffnung zu, die zwischen den vorspringenden Polen 36 A u. 36 B gebildet ist. In diesem Fall wird, wenn eine Grenze der magnetischen Polarität des Magneten 11 nahe der Öffnung vorbeitritt, die Magnetflußverteilung zwischen dem Rotor und dem Stator gestört, wodurch eine unstetige Drehung einschließlich "ruckweiser Bewegung" bei jedem Drehwinkel der Öffnungen verursacht wird. d. h. daß der Rotor die Neigung hat, in dem entregten Zustand anzuhalten, wenn eine der Grenzen der magnetischen Polarität des Rotormagneten 11 in der Winkellage R₀ ist, die die Mitte der Öffnung darstellt. Diese Neigung wird durch zwei kleine statische Drehmomente erreicht, die einander entgegenwirkend auf den Rotor zum Anhalten an dem Ausgleichspunkt R₀ ausgeübt werden.

Bei dem Motor gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Änderung des magnetischen Widerstands zwischen dem Rotor und dem Stator durch das Joch kompensiert, das in einer stationären Lage dem Rotormagneten nahe gegenüberliegend so angeordnet ist, daß die statischen Drehmomente verringert werden können. Wie in Fig. 21 dargestellt, sind sich axial erstreckende Vorsprünge 70, die jeweils nach innen dem Rotormagneten 11 gegenüberliegen, an den zylindrischen Flächen des Jochglieds 25 in jeder Winkellage, die den Öffnungen zwischen den vorspringenden Polen entsprechen, ausgebildet.

Der magnetische Widerstand wird im Winkelbereich des Vorsprungs 70 verringert, wodurch der erhöhte magnetische Widerstand im Winkelbereich jeder Öffnung der Nuten kompensiert wird. Dadurch wird ein im wesentlichen gleichmäßiger magnetischer Widerstand über dem gesamten Drehungsweg im Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator erreicht. Bei diesem Aufbau werden die statischen Gegendrehmomente auf den Rotor durch die Vorsprünge 70 so ausgeübt, daß der Rotor sich von dem Lagewinkel R₀ im entregten Zustand des Motors wegdreht.

Diese statischen Gegendrehmomente treten in umgekehrter Polarität auf. Folglich werden die durch die Öffnungen und die Vorsprünge 70 ausgelösten statischen Drehmomente gegeneinander ausgelöscht. Im Ergebnis werden eine unstetige Drehung, eine Schwingung und eine Drehmomentwelligkeit des Motors beseitigt.

Selbstverständlich sind noch weitere Ausbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung möglich. Beispielsweise ist die Erfindung auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit Innenrotor oder auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit axialem Luftspalt, bei dem sich der Rotor und der Stator axial gegenüberliegen, anwendbar. Schließlich ist die Erfindung auch auf andere Arten von rotierenden elektrischen Maschinen anwendbar, die einen rotierenden Feldmagneten besitzen, wie ein Synchromotor oder ein Tachometer bzw. ein Drehzahlmesser.

Claims

1. Kollektorloser Elektromotor mit einem topfförmigen Außenrotor, wobei der Außenrotor einen hohlzylindrischen Rotormagneten mit in Kunststoff gebundenen Magnetwerkstoffen enthält, der in Umfangsrichtung angeordnete Magnetpole besitzt, mit einer drehbaren Welle, an der der Außenrotor befestigt ist, mit einer Statoranordnung mit zugehöriger Statorwicklung, die den Innenflächen des Rotormagneten mit geringem Luftspalt gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Statoranordnung (1, 15, 16) ein äußeres Jochglied (25) enthält, das einer äußeren Fläche (11 a) des Rotormagneten (11) mit kleinem Luftspalt dazwischen gegenüberliegt, und daß der Rotormagnet (11) selbst in seinem Boden (11 b) einen Nabenteil (26) und eine Mittelbohrung (27) um seine Drehachse besitzt, wobei der Boden (11 b) an der Welle (6) in dem Nabenteil (26) mittels eines Klebstoffs oder einer kraftschlüssigen Verbindung bzw. Preßpassung verbunden ist.

2. Kollektorloser Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotormagnet (11) zumindest ein durch Gießen damit einstückig ausgebildetes Verschlußsegment (24 a, 24 b) besitzt, daß ein Paar aus einem lichtemittierenden Element (43) und einem lichtempfangenden Element (44) an der Statoranordnung (15) vorgesehen ist und daß sich das Verschlußsegment (24 a, 24 b) über den Lichtweg dreht, der zwischen dem lichtemittierenden Element (43) und dem lichtempfangenden Element (44) gebildet ist, wodurch die Lage in Drehrichtung des Außenrotors (8) durch das lichtempfangende Element (44) erfaßbar ist.

3. Kollektorloser Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl in Umfangrichtung angeordneter erster Zähne (59) an einem Teil des Rotormagneten (11) vorgesehen ist, daß ein stationäres Erfassungsglied (60) eine Anzahl in Umfangsrichtung angeordneter zweiter Zähne (64) enthält, die den ersten Zähnen (59) mit geringem Luftspalt dazwischen gegenüberliegen, und daß eine Erfassungsspule (55) vorgesehen ist, wobei ein magnetisierter Nabenteil (26) in einem Teil eines Magnetpfades vorgesehen ist, der den Luftspalt enthält, wobei sich der mit der Erfassungsspule (55) verkettete Magnetfluß durch die Drehung der ersten Zähne (59) so ändert, daß ein Signal einer Frequenz abhängig von der Drehzahl des Außenrotors (8) von der Erfassungsspule (55) ableitbar ist (Fig. 18).

4. Kollektorloser Elektormotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein stationäres Erfassungsglied (60) einschließlich mehrerer in Umfangsrichtung angeordneter, kammartiger Zahnelemente (50, 52), die dem magnetisierten Abschnitt (69) des Nabenteils (26) mit schmalem Luftspalt dazwischen gegenüberliegen, vorgesehen ist und daß eine Erfassungsspule (55) mit einem Magnetweg verkettet ist, der mehrere Luftspalte enthält, die zwischen jedem kammartigen Zahnelement (50, 52) gebildet sind, wodurch der durch die im magnetisierten Abschnitt (69) des Nabenteils (26) erzeugte Magnetfluß durch die kammartigen Zahnelemente (50, 52) so erfaßt wird, daß ein Signal einer von der Drehzahl des Außenrotors (8) abhängigen Frequenz von der Erfassungsspule (55) ableitbar ist (Fig. 15).