DE3633241A1 - Elektromotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, und zwar einen bürstenlosen Motor.

In der Industrie werden die unterschiedlichsten Arten bürstenloser Motoren angewandt. Bei diesen Motoren müssen die Statorwindungen mit elektrischer Energie versorgt werden, und zwar in geeigneter Sequenz, um ein Drehmoment für die Rotorwelle zu erzeugen.

Es ist bekannt, den Hall-Effekt ausnutzende Einrichtungen zu benutzen, um die Rotorposition abzutasten und damit die Erregung der Statorwindungen durch geeignete Steuer- und Schaltkreise zu steuern. Hall-Digital-Schalter, die durch den Induktionsfluß angeregt werden, wurden dazu benutzt, ein Signal zu erzeugen zur Schaffung einer richtigen Sequenz für die Energieabgabe an die Statorwindungen mittels einer elektronischen Steuerung, an die die Hall-Digital-Schalter angeschlossen waren. Eine geeignete Hall-Digital-Einrichtung ist der bipolare Hall-Effekt-Digital-Schalter, wie er in "Engineering Bulletin 27608 des Semiconductor Division of Spraque Electro Company of Concord, New Hampshire" gezeigt ist. Wie bei den meisten dieser Hall-Digital-Schalter benötigt diese Einrichtung die Abtastung bestimmende Flußdichten zum Schalten und bewirkt damit die richtige Ausgangsspannung für die Schaltung der elektronischen Steuerung, die mit den Statorwindungen verbunden ist.

Beim Einsatz der bürstenlosen Motoren wurde festgestellt, daß dann, wenn die erreichbare Flußdichte nicht ausreicht, um den Hall-Schalter zu betätigen, die elektronische Halbleitereinrichtung nicht in geeigneter Weise ein- und ausgeschaltet werden kann. Hierdurch treten hohe Ströme auf, die beträchtlich über deren Kapazität liegen, so daß sich daraus letztlich Ausfälle ergeben. Ferner wurde festgestellt, daß schnellvergehende Felder von den Statorleitern und den Kernabschnitten zu Fehlschaltungen der digitalen Hall-Schalter führen und daß sich daraus falsche Funktionen der Steuerkreise und evt. Beschädigungen dieser ergeben. Insgesamt wurde somit festgestellt, daß auf dem Hall-Effekt basierende Sensoren oder Schalter, die in bürstenlosen Motoren benutzt werden, in einer starken Magnetbahn mit niedriger Reluktanz gehalten werden müssen, während sie vom Streufluß im Motor selbst abgeschirmt sein müssen.

Die vorstehend genannten Probleme, die untrennbar mit bürstenlosen Motoren zusammenhängen, werden noch dadurch verstärkt, daß die rotierenden Magneten dieser Motoren gekuppelt mit dem Fluß durch den Statorkern ein dynamisches Flußfeld erzeugen, das schwer abzuschirmen und zu kontrollieren ist. Hinzu kommt, daß man versucht, die Größe der Packung dieser bürstenlosen Motoren zu verringern, wodurch die Statorwindungen nahe dem Schalter angeordnet sein müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Halter zur Aufnahme des Hall-Schalters zu schaffen, der so ausgelegt ist, daß er an den Schalter nur den Fluß abgibt, der vom Rotormagnetkreis kommt, wodurch zum großen Teil die Einflüsse anderer Flußquellen auf den Schalter begrenzt werden sollen.

Weiterhin soll der Halter zur Aufnahme des Hall-Schalters einen guten Magnetflußweg und eine wesentlich verringerte Reluktanz haben und einen Rückweg für den Fluß an die Rückseite des Rotormagneten schaffen.

Schließlich soll dieser Halter noch als Abschirmung wirken, der einen Streufluß vom Statorkern und den Windungen bis zu einem Sättigungspunkt aufnimmt, bevor dieser auf den Hall-Schalter wirken kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Vorzugsweise Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zum besseren Verständnis soll die Erfindung nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch einen erfindungs­ gemäßen bürstenlosen Motor,

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Motor nach Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des den Schalter aufnehmenden Halters und

Fig. 4 eine Teilschnittansicht einer anderen Ausführung des Halters gemäß der Erfindung.

Unter Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere die Fig. 1 und 2 ergibt sich, daß der erfindungsgemäße bürstenlose Motor allgemein mit 10 bezeichnet ist. Dieser Motor 10 enthält einen Rotor 12 umgekehrter Kappenform. Obwohl nicht dargestellt, ist es klar, daß sich die Welle vom Rotor 12 bis zu einem äußeren Punkt erstreckt, an dem eine Verbindung hergestellt werden kann zu einer Welle oder dgl. zur Abgabe des durch den Motor erzeugten Drehmomentes. An der Innenoberfläche des Rotors 12 sind in gleichmäßigem Abstand eine Mehrzahl von Permanentmagneten 14 befestigt. Die Polarität dieser Magneten ist in der Zeichnung angedeutet. Es ist erkennbar, daß es sich bei dem Motor 10 um einen vierpoligen Motor handelt, d.h. es sind 4 Permanentmagneten vorgesehen. Mittig gehalten in dem Rotor 12 ist der Statorkern 16 mit den Statorwindungen 18. Der Kern 16 und die Windungen 18 sind herkömmlicher Art, so daß Einzelheiten hier nicht erläutert werden müssen. Es reicht aus, darauf hinzuweisen, daß die Windungen 18 üblicherweise drei untereinander verbundene Windungen in bekannter Art enthalten.

Die Bestimmung der Position des Rotors 12 und die entsprechende Anregung der Paare der drei Spulen der Statorwindungen 18 wird durch die gleichmäßige Anordnung von drei Hall-Schaltern oder -Zungen 20 erreicht. Die Schalter 20 sind mit dem Steuerkreis des Motors 12 verbunden, um die gewünschte selektive Anregung der Statorwindungen zu erreichen. Wie sich aus der Fig. 1 ergibt, werden die Hall-Schalter 20 von Haltern oder Clips 22 aufgenommen, die später beschrieben werden sollen. Die Haltet 22 und der Rotor 12 bestehen vorzugsweise aus Stahl mit hohem Eisengehalt, um einen guten Fluß zu erreichen, der sehr permeabel für den Magnetfluß ist. Weiterhin ergibt sich aus der Fig. 1, daß der Fluß zwischen den Permänentmagneten 15 und dem Hall-Schalter 20 gestrichelt und mit 24 bezeichnet dargestellt ist. Der Fluß geht vom Magneten 14 zum Schalter 20 über einen Luftspalt dazwischen. Er tritt dann in den Halter 22 ein, geht durch dessen rechtwinklige Füße, tritt in den Rotor 12 ein, wobei der Luftspalt zwischen dem Halter 22 und dem Rotor 12 überwunden wird, und kehrt zurück zum Magneten 14.

Der Hall-Schalter 20 und der Halter 22 werden vom Rotor 12 aufgenommen, wobei die Abmessungen vom Rotor 12 selbst bestimmt sind.

Wie sich aus der Fig. 3 ergibt, weist der Halter 22 eine Grundfläche 26 auf, von deren einem Ende sich rechtwinklig eine Rückwand erstreckt mit einem mittleren Abstand 28 und zwei Seitenteilen 30, 32. Der mittlere Abschnitt 28 weist eine größere Höhe auf als die Seitenteile 30, 32, weil dieser mittlere Abschnitt mit dem Schalter 20 ausgerichtet ist.

Der magnetische Fluß vom Magneten 14 geht insbesondere auf diesen Abschnitt 28, wobei dieser größer ist und eine größere Masse besitzt, so daß der Magnetfluß direkt durch den fühlenden Teil des Hall-Schalters 22 geht. Die Seitenteile 30, 32 bewirken einen Fluß von dem mittleren Abschnitt 28 entlang jeder Seite der Öffnung 34 in der Basis 26, die zur Aufnahme des Schalters 20 dient. Es sei hervorgehoben, daß der Clip oder Halter 22 einen ausgezeichneten Fluß vom Magneten 14 zum Schalter 20 und zurück zum Magneten 14 bewirkt. Der Halter 22 schafft aber auch eine Abschirmung gegen äußere oder kurzlebige Flüsse, die in dem Umfang oder Bereich des Rotors 12 über den Statorkern und die Windungen 16, 18 erzeugt werden. Nebenflüsse werden daher auf den gut leitenden Halter 22 statt auf den Schalter 20 gezogen. Bevor sie auf den Schalter einwirken, muß der Halter 22 erst eine magnetische Sättigung erreicht haben. Die starke kurzlebige Natur und die kurze Dauer der äußeren Flüsse vom Stator schaltet allerdings die Möglichkeit aus, daß eine Sättigung erreicht wird. Daher schirmt der Halter 22 den Schalter 20 von diesen Flußfeldern ab.

Der Fluß geht von dem Magneten 14 durch den Schalter 20 in den Rückenteil 28-32 des Halters 22 und nicht direkt vom Magneten 14 zur Basis 26 des Halters. Um diesen kurzen Weg auszuschließen, muß der Halter 22 so ausgebildet und angeordnet sein in bezug auf die Magneten 14 und den Rotor 12, daß eine niedrige Reluktanz von den Magneten 14 und den Rückenteilen 28 bis 32 und dann von den Magneten 14 zur Basis 26 gegeben ist. Ebenso muß die Reluktanz von der Basis 26 zum Rotor 12 niedriger sein als von dem Magneten 14 zur Basis 26.

Unter Berücksichtigung der spezifischen Struktur der Erfindung muß das System so ausgebildet sein, daß der notwendige Fluß zum Anregen des Hall-Schalters 20 gleich der magnetomotorischen Kraft des Magneten 14 dividiert durch die Summe der Reluktanz des Spaltes zwischen den Magneten 14 und dem Schalter 20 plus der Reluktanz des Hall-Schalters 20 plus der Reluktanz des Schalters plus der Reluktanz des Spaltes zwischen dem Halter 22 und dem Rotor 12 plus der Reluktanz des Rotors plus der Reluktanz des Magneten sein muß. Mit dem Halter 22 und dem Rotor 12 aus Stahl mit hohem Eisengehalt ist die Reluktanz des Halters 22 und des Rotors 12 wesentlich geringer als die Summe der anderen genannten Reluktanzen.

Dementsprechend muß die Geometrie des bürstenlosen Motors gemäß der Erfindung so entworfen sein, daß der zur Betätigung des Hall-Schalters 20 notwendige Fluß etwa gleich der magnetomotorischen Kraft des Magneten 14 durch die Summe der Reluktanzen des Spaltes zwischen Magnet 14 und Hall-Schalter 20 plus der des Spaltes zwischen Halter 22 und Rotor 12 und plus der des Magneten 14 ist. Die physikalische Struktur des Halters 22 sollte ausreichend zur Optimierung der Flußkonzentration durch den Hall-Schalter 20 sein. Um dies zu erreichen, muß die Breite des Halters 22 zwischen den äußeren Kanten und den Seitenteilen 30, 32 klein gehalten sein. Weiterhin wird auch die Höhe des Halters 22 von der Basis zur Spitze der Seitenteile 30, 32 klein gehalten. Durch Verringerung dieser Abmessungen wird die Flußkonzentration durch den empfindenden Bereich des Schalters zum mittleren Abschnitt 28 erhöht, und jeder parallele Fluß, der den Fluß vom Hall-Schalter ablenken könnte, wird minimiert. Wie oben erwähnt, wird der Halter 22 auch dazu benutzt, den Hall-Schalter 20 von Nebenflüssen vom Stator 16, 18 abzuschirmen. Durch geeignete Anordnung, Form und Größe des Halters 22 wird der Schalter 20 abgeschirmt werden. Einfach ausgedrückt, der Nebenfluß von der Stator-Anordnung 16, 18 kann im wesentlichen zwei parallele Flüsse einnehmen. Beim ersten Weg verläßt der Fluß die Statoranordnung 16, 18, kreuzt den Spalt zum Hall-Schalter 20, geht durch die Enden des Halters 22 und zurück über den Spalt zur Stator-Anordnung. Ein anderer Weg des Nebenflusses geht durch die Stator-Anordnung 16, 18, kreuzt den Luftspalt, geht durch den Rückenteil des Halters 22 und über einen weiteren Luftspalt zurück zum Stator.

Es ist klar, daß durch Schließen des Spaltes zwischen der Stator-Anordnung 16, 18 und dem Rückenteil 28 bis 32 des Halters 22 bei gleichzeitiger Vergrößerung des Spaltes zwischen der Stator-Anordnung und dem Hall-Schalter 20 der Nebenfluß den Weg geringster Reluktanz nimmt unter Meidung des Hall-Schalters 20.

Da das Rückenteil 28 bis 32 des Halters 22 den primären Schaltfluß vom Magneten 14 durch den Hall-Schalter 20 wie auch den Nebenfluß von der Stator-Anordnung 16, 18 aufnehmen muß, muß für die Zusammensetzung dieses Rückenteiles ein Material niedriger Reluktanz genommen werden.

Durch Erhöhung der Breite oder Dicke dieses Teiles kann eine ausreichende Flußleitung erreicht werden. Um also die hohe Flußkonzentration durch den Hall-Schalter 20 beizubehalten, ist vorzugsweise - wie oben gewünscht ­ die Breite des Rückenteiles des Halters ausreichend gering. Dementsprechend kann die Dicke des Rückenteiles so eingestellt werden, daß sowohl der Schaltfluß vom Magneten 14 als auch der Nebenfluß der Stator-Anordnung 16, 18 bewältigt wird. Eine weitere günstige Eigenschaft wird erreicht, wenn die Dicke der Mitte des Rückenteiles 28 über die Dicke der Seitenteile 30, 32 vergrößert wird.

In der Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Teilquerschnitt dargestellt, das jetzt erläutert werden soll. In diesem Fall ist ein U-förmiger Halter 36 zur Aufnahme des Hall-Schalters 20 außerhalb des Rotors 12 gegenüber den sich bewegenden Magneten 14 vorgesehen. Der Halter oder Clip 36 weist eine Basis 42 auf, die an jedem Ende sich senkrecht dazu erstreckende Endabschnitte 38, 40 besitzt. Der Fluß ist mit der gestrichelten Linie 44 markiert. Aus dieser Fig. 4 ergibt sich auch, daß bei dieser Ausführung der Schalter 20 separat und getrennt vom Stator gehalten wird, wobei die Statorwindungen mit 18 bezeichnet sind. Dementsprechend besteht nur eine geringe Chance, daß der Schalter nachteilig von streu- oder kurzlebigen Flüssen beeinflußt wird. Die Flußlinien 46 von der Windung 18 erreichen die Endbereiche 38 des Halters 36, beeinflussen aber nicht den Schalter 20. Auch in dieser Ausführung sind die Reluktanzen der verschiedenen Magnetflüsse entsprechend den vorher beschriebenen Parametern bestimmt, um die ausreichende Flußkonzentration zur Betätigung des Hall-Schalters 20 zu erreichen, ohne daß irgendein Kurzschluß auftritt.

Claims (18)

1. Motor gekennzeichnet durch einen Rotor (12) mit einer Mehrzahl von Magneten (14), die gleichmäßig um eine Oberfläche dieses Rotors verteilt sind, eine Mehrzahl von Fühlanordnungen (20) in festem Abstand von dieser ersten Oberfläche und den Magnetfluß leitende Elemente (22), die sich jeweils von diesen magnetischen Fühlanordnungen bis zu einem Punkt in angrenzender Stellung zum Rotor (12) erstrecken.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlanordnungen jeweils Hall-(effekt)Sensoren (20) aufweisen, die direkt anliegend an einem Fuß jedes der Flußsammelelemente gehalten sind.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluß leitenden Elemente einen zweiten Fuß aufweisen, der senkrecht zum ersten Fuß vorliegt.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Statorkern und -windungen in dem Rotor vorgesehen sind, daß die erste Oberfläche eine Innenfläche des Rotors ist und daß der erste Fuß in dem Rotor gehalten ist, und zwar im wesentlichen parallel zu der ersten Oberfläche.

5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Fuß einen mittleren Abschnitt zur Anlage des Hall-Sensors aufweist und daß sich die Seitenteile zu beiden Seiten des mittleren Abschnittes erstrecken.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich eine geringere magnetische Reluktanz aufweist als jedes der Seitenteile und daß der zweite Fuß eine Öffnung zur Aufnahme des Hall-Sensors aufweist, wobei die Seitenteile einen Magnetfluß vom mittleren Abschnitt um die Öffnung bewirken.

7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reluktanz der magnetischen Elemente zu dem den Fluß leitenden Element größer als die beiden Reluktanzen von den magnetischen Elementen zum ersten Fuß und die Reluktanz vom zweiten Fuß zum Rotor ist.

8. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reluktanz zwischen dem Stator und dem ersten Fuß geringer ist als die Reluktanz zwischen dem Stator und dem Hall-Sensor.

9. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das den Fluß leitende Element einen U-förmigen Halter aufweist, der einen Fuß innerhalb und einen Fuß außerhalb des Rotors besitzt.

10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hall-Sensor nahe dem Fuß des U-förmigen Halters gehalten ist, der außerhalb des Rotors liegt.

11. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuß des U-förmigen Halters, der innerhalb des Rotors liegt, sich benachbart dem Statorkern und -windungen in dem Rotor erstreckt.

12. Bürstenloser Motor mit einem Rotor, der an seinem Umfang Permanentmagnete in festem Abstand voneinander aufweist und einen Statorkern sowie darin angeordnete Windungen gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von magnetischen Sensoren im festen Abstand voneinander und in einem gemeinsamen Abstand von dem Weg, der von den Permanentmagneten bei der Drehung des Rotors definiert ist, und durch Mittel zur Aufnahme jedes der Sensoren, die einen magnetischen Fluß von den Magneten und durch die Sensoren definieren.

13. Bürstenloser Motor dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmemittel rechtwinklige Füße aufweisen, von denen sich ein erster Fuß im wesentlichen parallel zu der Umfangsfläche des Rotors und ein zweiter Fuß im wesentlichen senkrecht dazu erstreckt.

14. Bürstenloser Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Fuß mit den Permanentmagneten in leitender Magnetflußverbindung steht und daß der zweite Fuß mit dem Rotor in leitender Magnetflußverbindung steht.

15. Bürstenloser Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Fuß der Aufnahmemittel auch mit dem Stator in leitender Magnetflußverbindung steht, daß die Reluktanz zwischen dem ersten Fuß und dem Stator geringer ist als die Reluktanz zwischen dem Stator und den dazugehörigen Magnetsensoren.

16. Bürstenloser Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Reluktanz zwischen dem zweiten Fuß und den Permanentmagneten größer ist als die beiden Reluktanzen zwischen dem Rotor und dem zweiten Fuß und zwischen den Permanentmagneten und den dazugehörigen Magnetsensoren.

17. Bürstenloser Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Fuß einen mittleren Abschnitt und zwei Seitenteile aufweist, jedes an einer Seite des mittleren Abschnittes, daß die Seitenteile in der Größe kleiner und in der Reluktanz größer als der mittlere Abschnitt sind und daß die dazugehörigen Magnetsensoren mit dem mittleren Abschnitt ausgerichtet sind.

18. Bürstenloser Motor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Fuß eine Öffnung aufweist, daß diese Öffnung mit dem mittleren Abschnitt ausgerichtet ist und einen dazugehörigen Magnetsensor aufnimmt und daß die Seitenteile einen magnetischen Fluß bewirken von dem mittleren Abschnitt zu dem zweiten Fuß und um die Öffnung herum.