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Kollektorloser Gleichstrommotor
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Zusatz zu P 31 12 360.0 Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen
Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Motor ist Gegenstand
der zugehörigen Hauptanmeldung P 31 12 360.0, auf deren gesamten Inhalt zur Vermeidung
unnötiger Längen ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Gegenstand der Hauptanmeldung
weiterzubilden und einen zweipulsigen kollektorlosen Gleichstrommotor zu schaffen,
der in beiden Drehrichtungen betreibbar ist.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die im Anspruch
1 angegebenen Maßnahmen. Man erhält hierdurch eine bevorzugte Ruhestellung des Motors,
die in beiden Drehrichtungen einen gleich guten Anlauf ermöylicht und die in beiden
Drehrichtungen angenähert dieselbe Form des an der Welle abnehmbaren Drehmoments
erzeugt.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten,
in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispiel,
sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt: Fig. 1 eine Darstellung eines kollektorlosen
Außenläufermotors, in vergrößertem Maßstab und teilweise geschnitten, Fig. 2 eine
Draufsicht auf den Rotormagneten des Motors nach Fig. 1, welche dessen Polschrägung
zeigt,
Fig. 3 einen Schnitt, gesehen längs der Linie III-III der
Fig. 1, und Fig. 4 ein Schaubild zur Erläuterung der Wirkungsweise des Motors nach
den Fig. 1 - 3.
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Der in den Fig. 1 - 3 dargestellte Motor 10 ist ein vier poliger kollektorloser
Außenläufermotor der zweisträngigen, zweipulsigen Bauart (zu diesen Definitionen
vergleiche den Aufsatz von Müller "Zweipulsige kollektorlose Gleichstrommotoren"
in asr Heft 1 bis 2, 1977). Selbstverständlich läßt sich die Erfindung in gleicher
Weise auch bei anderen Motorbauarten anwenden und ist nicht auf Außenläufermotoren
beschränkt.
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Der Motor 10 läuft im Betrieb z.B. mit 1500 U/min und hat einen Rotor
12 mit einer Außenläuferglocke 13, in deren Innenumfang ein vierpoliger Dauermagnetring
14 (bevorzugt ein sogenannter Gummimagnet, also eine Mischung aus Hartferriten und
elastischem Material) eingeklebt ist. Der Ring-14 ist trapezförmig magnetisiert,
d.h. im Bereich seiner Pole ist die Magnetflußdichte jeweils über einen großen Winkelbereich
praktisch konstant und nimmt erst in der Nähe der Pollücken 15 stark ab, so daß
sich schmale Pollücken 15 ergeben, welche gemäß Fig. 2 unter einem 0 Winkel beta
von etwa 30 geschrägt sind. Ihr Schrägungsschritt kann bevorzugt gleich der Breite
einer Nutöffnung des Stators sein. Mit 16 ist ein Rotorstellungssensor bezeichnet.
Dieser ist bevorzugt ein Hall-IC, doch kann man gegebenenfalls auch Feldplatten,
Magnetdioden, optische Sensorelemente oder dergleichen verwenden.
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In der Mitte der Rotorglocke 13 ist eine Hülse 17 durch Stumpfschweißen
befestigt, in die eine Welle 18 bis zum Anschlag an einen Sprengring 19 mit Preßsitz
eingeschoben ist. Die Welle 18 ist hier an dem anzutreibenden Gerät
gelagert,
z.B. in einem Videorekorder, könnte aber natürlich ebensogut im Stator 22 in üblicher
Weise gelagert sein, wie das z.B. die DE - PS 26 12 464 in Fig. 2 zeigt.
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- In Fig. 3 der vorliegenden Anmeldung sind Hülse 17 und Welle 18
nicht dargestellt.
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Der Stator 22 ist ein geblechter Stator, dessen Blechpaket 21 vier
ausgeprägte Pole 231 - 234 aufweist, die durch Nuten getrennt sind. Die Indizes
1 bis 4 beziehen sich auf die Quadranten, in denen sich diese Pole befinden. Die
Statorpole 23 haben die übliche T-Form, und sie sind am Statorumfang nicht gleichmässig
verteilt.
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Der Stator 22 ist nämlich unterteilt in a) einen linken Teil (Statorpole
232 und 233) mit einer zweisträngigen Wicklung 24, deren beide Stränge vorzugsweise
bifilar gewickelt sind, und b) einen rechten Teil (Statorpole 231 und 234) mit einer
zweisträngigen Wicklung 25, deren beide Stränge ebenfalls vorzugsweise bifilar gewickelt
sind.
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Die Statorpole 232 und 233 des linken Teils sind um einen Winkel alpha
im Uhrzeigersinn versetzt, und die Statorpole 231 und 234 des rechten Teils sind
um einen Winkel alpha entgegen dem Uhrzeigersinn versetzt, so daß also der Stator
22 nicht punktsymmetrisch ist. Dieser Winkel alpha 0 kann bevorzugt 5...in mech.
betragen.
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Die beiden linken Statorpole 232 und 233 sind für die eine Drehrichtung
wirksam, und die beiden rechten Statorpole für die entgegengesetzte Drehrichtung,
d.h. man verwendet im Betrieb jeweils nur eine der beiden Statorhälften.
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In der oberen Nut 26 (zwischen den Polen 231 und 232) ist der Hall-IC
16 angeordnet. Durch die Verdrehung um den
Winkel alpha würde an
sich die obere Nut 26 verschwinden.
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Diese wird aber für das Einbringen der Wicklungen benötigt.
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Dadurch werden die Statorpole 231 und 232 etwas kürzer als 1800 el.,
und folglich erhält man eine leichte Sehnung, und die induzierte Spannung zeigt
im Ubergangsbereich eine leichte Flachstelle.
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Die rechte Nut 27 und die linke Nut 28 sind wie dargestellt aus der
Symmetrielage jeweils um den Winkel alpha in Richtung gegeneinander versetzt. Die
untere Nut wird hierdurch -zu groß, und deshalb ist in ihr ein Füllstück 29 aus
weichferromagnetischem Material vorgesehen, das bevorzugt, wie mit der gestrichelten
Linie 29' angedeutet, einen größeren Luftspalt zum Rotormagneten 14 bildet als die
Statorpole, deren Umfang hier bevorzugt zylindrisch ausgebildet ist,-wobei durch
die Nuten der magnetisch wirksame Luftspalt jeweils in Richtung zur Nut größer wird
und in Polmitte am kleinsten ist.
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Das Füllstück 29 bildet mit den inachbarten Statorpolen 23 und 234
je eine Nut 41 bzw. 42.
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Die Statorpole 23 sind in der dargestellten Weise mit den Wicklungen
24 bzw. 25 bewickelt, wobei die Stromflußrichtung in den einzelnen Wicklungen in
der üblichen Weise mit Punkten bzw. Kreuzen bezeichnet ist, vergleiche hierzu die
DE - OS 28 35 210, in der dies ausführlich erläutert ist.
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Am Statorblechpaket 21 ist mittels vier Dornen 30, von denen in Fig.
1 nur einer dargestellt ist, und mittels entsprechender Distanzglieder 31, eine
runde, isolierende Platte 32 befestigt, auf der eine gedruckte Schaltung vorgesehen
ist, an die die Anschlüsse des Hall-IC 16 und der beiden Wicklungen 24, 25 angeschlossen
sind. Zum Befestigen der Platte 32 dienen Sprengringe 33, welche auf die Dorne 30
aufgepreßt
sind. Auch der Hall-IC 16 ist auf der Platte 32 befestigt.
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In Fig. 1 ist unterhalb des Statorblechpakets 21 ein Montageteil 34
angeordnet, das auf ein entsprechendes Gegenstück aufgesetzt werden kann, wonach
eine Befestigung mittels dreier Schrauben 35 erfolgt, von denen in Fig. 1 nur eine
dargestellt ist und welche Löcher 36 im Blechpaket 21 durchdringen. Zur Isolation,
insbesondere in den Nuten, und zum Schutz gegen Korrosion, ist das gesamte Blechpaket
21 mit einer Wirbelsinterschicht 37 überzogen.
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Fig. 4 zeigt den Drehmomentenverlauf bei einem erfindungsgemäßen Motor.
Das Drehmoment Md1 wird von der Wicklung 25 erzeugt und gilt für den Vorwärtslauf,
also im Uhrzeigersinn, bezogen auf Fig. 3. Das Drehmoment Md2 wird von der linken
Wicklung 24 erzeugt und gilt für den Rückwärtslauf, also entgegen dem Uhrzeigersinn
(bezogen auf Fig. 3), und ist deshalb negativ dargestellt.
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Die bevorzugte Nullstellung des Rotors 12 ist in Fig. 4 mit N bezeichnet.
In dieser Stellung kann man also die Wicklung 24 oder die Wicklung 25 bestromen
und wird in jedem Fall ein Drehmoment erhalten, das für den Anlauf ausreicht, da
in dieser Rotorstellung der Strom rasch ansteigt.
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Der Hall-IC 16 befindet sich, symmetrisch bezüglich des linken und
des rechten Statorteils, in der neutralen Stellung in der Nut 26. Diese Stellung
ist bezüglich beider Wicklungen 24 und 25 asymmetrisch.
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Eine Schwirigkeit ergibt sich dadurch, daß der Hall-IC 16 in der Neutralstellung
(Pollücke liegt ihm gegenüber) eine Hysterese aufweist, das heißt sein Ausgangssignal
kann entweder hoch oder tief sein. Der Anlauf kann folglich in der richtigen oder
der falschen Drehrichtung erfolgen, gewöhnlich in der falschen Drehrichtung. Während
des Beginns dieser falschen Drehung kippt dann aber der Hall-IC 16, d.h. er gibt
dann das richtige Rotorstellungssignal ab, der Motor 10 kehrt die Richtung seines
Drehmoments um und läuft richtig an. Allenfalls ist also dem richtigen Anlauf ein
kurzer Ruck in der Gegenrichtung vorgeschaltet. Da aber der Hall-IC 16 (oder ein
äquivalentes Bauelement) in jeder Winkelstelluny des Rotors 12 ein Rotorstellungssignal
abgibt, kann der Rotor 12 auch aus jeder Drehstellung heraus anlaufen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Motor brauchen die Schenkel der ausgeprägten
Pole 23 1 icht asymmetrisch zu sein, sondern wesentlich ist die asymmetrische Lage
der Pollücken 27 und 28.
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Bezüglich der Schaltung des Hall-IC 16 kann z.B. auf die DE - OS 30
10 435.9(1) 130 = DT - 259) verwiesen werden, weshalb diese Schaltung zur Vermeidung
unnötiger Längen nicht dargestellt ist.
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Im Bereich der Polenden der Statorpole 23 kann der tatsächliche Luftspalt
jeweils etwas vergrößert werden, um eine günstige Startstellung des Rotors 12 zu
erhalten.
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Zur Definition des magnetisch wirksamen Luftspalts" vergleiche das
DBP 23 46 380.
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Naturgemäß sind zahlreiche weitere Abwandlungen und Modifikationen
eines erfindungsgemäßen Motors möglich, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung
zu verlassen.
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Die in Fig. 4 mit N bezeichnete Rotorstellung, die gleich günstig
für den Anlauf in beiden Drehrichtungen ist, ist die in Fig. 3 dargestellte Stellung,
bei der je eine Rotorpollücke 15 der oberen, symmetrischen Nut 26 und dem Füllstück
29 gegenüberliegt. Der vergrößerte Luftspalt 29' dient zur Erreichung dieser Stellung
N.
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Zusätzlich kann man bevorzugt zum gleichen Zweck Maßnahmen treffen,
um die Versetzung der seitlichen Statornuten 27 und 28 zu "kompensieren".
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Hierzu wird in dem der Nut 27 benachbarten Polhorn des 4 Statorpols
23 eine z.B. linsenförmige Aussparung 43 vorgesehen, welche für die dortige Rotorpollücke
15 ähnlich wie eine zweite Nut wirkt, so daß diese Pollücke in die in Fig. 3 dargestellte
Lage gezogen wird. Genau dasselbe geschieht spiegelbildlich bei der gegenüberliegenden
Nut 28 durch Vorsehen einer Aussparung 44, die für die dortige Rotorpollücke 15
wie eine zweite Nut wirkt und dazu beiträgt, den Rotor 12 in die Stellung N zu ziehen,
aus der er in beiden Drehrichtungen gleich gut anlaufen kann.
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Sofern beide Motorhälften mit einer Vollbrückenschaltung betrieben
werden, benötigen natürlich die Wicklungen 24 und 25 jeweils nur einen einzigen
Strang.
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Wird die Erfindung bei einem Flachmotor mit eisenlosem Stator verwendet,
so werden die Statorpole der beiden Motorhälften in der gleichen Weise in Richtung
gegeneinander versetzt, und es werden Mittel zur Gewährleistung der Ruhestellung
N des Rotors vorgesehen, z.B. Weicheisenelemente, die mit dem Magnetfeld des Rotors
in Wechselwirkung treten und diesen in die Ruhestellung N ziehen.