DE2927958C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tachogenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Tachogeneratoren dieser Art sind bekannt z. B. aus der DE-26 47 675 A1.

Diese Tachogeneratoren werden vorzugsweise zur Drehzahlregelung von kollektorlosen Gleichstrommotoren mit flachem Luftspalt verwendet. Bei solchen Motoren kann es konstruktiv bedingt sein, daß die Windungen der Tachowicklung neben der Statorwicklung im flachen Luftspalt des Hauptmagneten liegen und Stromänderungen in der Statorwicklung induzieren daher in der Tachowicklung Spannungen, die bei einer präzise arbeitenden Regelung stören.

Dieser Nachteil tritt z. B. bei der Konstruktion gemäß DE 26 47 675 A1 auf, so daß trotz einfacher Bauweise die zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine langsame Drehzahl mit geringsten Drehzahlschwankungen zu erzeugen, nicht optimal gelöst werden kann. In bekannten konstruktiven Alternativen wird der entsprechende Drehzahlsensor so plaziert, daß Magnetfeldänderungen der Arbeitsspulen des Motors nur noch geringen Einfluß auf die Qualität des Tachosignals haben. Je nach Anordnung kann es dabei zu einer Verlängerung der Bauform von Motor und Tachogenerator kommen, wie dies in gewissem Maße ebenfalls bei der DE 26 47 675 A1 erkennbar ist.

Konstruktionen, die eine Lösung dieses Problems angestrebt haben, sind bekannt und z. B. im deutschen Gebrauchsmuster 66 01 913 beschrieben, nutzen jedoch verfügbare und ohnehin vorhandene Konstruktionselemente eines Motors nicht optimal aus, z. B. in Hinblick auf die Bereitstellung eines magnetischen Rückschlusses.

Je nach konstruktiver Ausgestaltung der Lager solcher Motoren besteht darüber hinaus die Problematik, daß solche Lager zwar gute Gleiteigenschaften aufweisen, jedoch je nach Werkstoff sich setzen können. Dies ist zwar in der Regel für den Betrieb des Motors ohne Bedeutung, kann aber eine deutlich bemerkbare und unerwünschte Auswirkung auf die Langzeitqualität des Reglersignals haben.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein störarmes Tachosignal bereitzustellen, d. h. die von dem Tachogenerator in Form eines Signals abgegebene Information soll trotz eingestreuter Störanteile möglichst hoch sein, so daß ein möglichst guter Gleichlauf eines drehzahl­ geregelten Direktantriebsmotors für Plattenspieler oder dergleichen bewirkt werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Die grundlegende Verbesserung der Qualität der Drehzahl­ information, die im Drehzahlsignal enthalten ist, wird durch eine Vorgehensweise erreicht, die auf folgenden Überlegungen beruht:

Bei einem solchen Tachogenerator ist die Ausgangsspannung bei niedrigen Drehzahlen und bei den fertigungsmäßig bedingt begrenzten Annäherungen des Permanentmagneten des Tachogenerators zum Mäander sehr gering. Die Ausgangsspannung liegt in der Größenordnung einiger Millivolt bei Plattenspieler­ drehzahlen und realistisch in der Massenproduktion machbaren Luftspaltbreiten, vor allem dann, wenn man keine zu teuren Magnete verwendet. Es ist natürlich bekannt, daß eine möglichst große Ausgangsspannung erwünscht ist.

Die Ausgangsspannung steigt mit zunehmender Polpaarzahl des Rotors des Tachogenerators. Letztere ist im Prinzip frei wählbar. Macht man sie größer, nimmt die Ausgangsspannung zunächst zu, sinkt dann aber jenseits eines Maximums wieder ab.

So gilt in der Regel für Tachogeneratoren dieser Art, daß ein großes Verhältnis von Signalfrequenz zu Motorumdrehungsfrequenz nur auf Kosten kleinerer Signalspannungen zu erreichen ist, während maximale Signalspannungen mit einem eher niedrigen Verhältnis von Signalfrequenz zu Motordrehfrequenz einhergehen.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man aber nicht nur das Maximum der Ausgangsspannung anstreben sollte, sondern gleichzeitig auch die Ausgangsfrequenz des Tachogenerators für bessere Regelungseigenschaften möglichst hoch legen sollte. Die erfinderische Anweisung nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 kommt nun diesen beiden Bedürfnissen im Sinne einer Produkteigenschaft von Spannungsamplitude mal Spannungsfrequenz vorteilhaft entgegen.

Durch die Anordnung des Tachogenerators im Raum zwischen Dreh­ achse und Rotormagnet des zugeordneten Motors gemäß Anspruch 2 ergibt sich vorteilhaft eine kompakte, gedrungene Kombination von Tachogenerator und Motor, wobei Streufelder von der Statorwicklung oder dem Rotor des Motors in diesem Bereich weniger stark wirken als im Luftspalt des Motors und bei Bedarf auch noch in der üblichen Weise durch Eisenbleche oder dergleichen abgeschirmt werden können.

Sinkt das Axiallager des zugehörigen Motors wegen dessen konstruktiven Eigenschaften mit zunehmendem Alter noch etwas ein und wird auf diese Weise der Luftspalt des Tachogenerators noch kleiner, so erhöht sich dessen Ausgangsspannung mit zunehmendem Alter des Motors, so daß sich die Gleichlauf­ eigenschaften mit zunehmender Betriebsstundenzahl verbessern.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Kombination von bevorzugter Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tachogenerators mit zugeordnetem Motor, gesehen längs der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Statorwicklung des zugeordneten Motors nach Fig. 1, gesehen etwa längs der Linie II-II der Fig. 1, wobei Einzelheiten der Welle und ihrer Lagerung weggelassen sind,

Fig. 3 eine Darstellung der Tachowicklung in gegenüber Fig. 1 und 2 vergrößertem Maßstab und gesehen etwa längs der Linie III-III der Fig. 1, wobei ebenfalls Welle und Lageranordnung des Motors nicht dargestellt sind,

Fig. 4 ein Schaubild zur Erläuterung einer bevorzugten Ausbildung des Tachogenerators.

Der Motor 10 nach den Fig. 1 und 2 ist im Prinzip gleich aufgebaut wie der Motor nach Fig. 8 und 9 der DE 27 30 142 A1.

Da die konstruktiv bedingten Verbesserungen des Tachogenerators gekoppelt sind an konstruktive Einzelheiten des zugehörigen Motors, wird zunächst auf diese Einzelheiten eingegangen.

Der mit 11 bezeichnete Stator weist eine Basisplatte aus einem weichferromagnetischen Werkstoff, typisch Eisen, auf, die als magnetisches Rückschlußteil 12 dient und gleichzeitig die vier Statorspulen 13, 14, 15, 16, ein Anlauflager (Axiallager 17) und ein Lager­ rohr 18 für die mit 9 bezeichnete Rotorwelle trägt. Das Lager­ rohr 18 ist, wie bei langsamlaufenden Motoren üblich, als Gleit­ lager ausgebildet, könnte naturgemäß aber auch Wälzlager auf­ nehmen. Das Axiallager 17 ist ebenfalls ein Gleitlager und weist eine Kunststoffscheibe 19 auf, gegen die eine Spurkuppe 20 der Welle 9 anliegt. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß diese Spurkuppe 20 mit der Zeit noch etwas in die Kunststoffscheibe 19 einsinkt, z. B. um 0,2 . . . 0,3 mm, und dieser Umstand wirkt sich bei der vorliegenden Erfindung in einer Verbesserung der Qualität des Motors aus, wie nachfolgend erläutert wird. - Zur Ein­ stellung des Axiallagers 17 ist eine Einstellschraube 23 vorge­ sehen.

Die Basisplatte (Rückschlußteil 12) ist, wie dargestellt, mit einem Kunststoff- Formstück 24 umspritzt, welches

• a) das Lagerrohr 18 durch Eindringen in dessen Ringnuten 25, 26, 27 sicher befestigt,
• b) die Schraube 23 des Axiallagers 17 in ihrer zentralen Aus­ nehmung 28 faßt,
• c) zur Führung der als umspritztes Teil vorgesehenen, schwer gängigen Einstellschraube 23 dient,
• d) die Spulen 13 bis 16 durch einen oberen Kragen 29 festhält,
• e) Hohlräume 32, 33 aufweist, die von Vorsprüngen im Spritz­ werkzeug für die Fixierung der Statorspulen herrühren und
• f) eine Leiterplatte 34, die als Träger für einen Hallgenerator 35 oder ein sonstiges galvanomagnetisches Sensorelement dient, mittels zweier Kunststoffniete 36, 37 festhält, welche nach dem Montieren dieser Leiterplatte durch Warmtauschen von Vorsprüngen des Formstücks 24 erzeugt werden.

Ferner enthalten das Formstück 24 und die Basisplatte 12 eine Durchführung 38 zum Durchleiten der Anschlußdrähte 39 eines insgesamt mit 40 bezeichneten Tachogenerators, wobei die Drähte 39 zur Leiterplatte 34 geführt und dort angelötet sind.

Die Basisplatte 12 und das Kunststoff-Formstück 24 einschließ­ lich der vier Spulen 13 bis 16 bilden also zusammen einen kompakten Stator 11 einschließlich eines magnetischen Rück­ schlusses für den mit 44 bezeichneten Rotor des Motors 10.

Die Leiterplatte 34 ist auf ihrer Oberseite mit einer gedruck­ ten Schaltung versehen und trägt ferner elektrische Bauele­ mente 45, z. B. die Leistungstransistoren für die Ansteuerung der Spulen 13 bis 16, Widerstände etc. Sie ist in ihrer Form an die der Spulen 13 bis 16 angepaßt und erstreckt sich mit einer Zunge 46 bis weit in den Luftspalt 47 des Rotors 44, um am Hallgenerator 35 ein hohes Ausgangssignal zu erhalten, vgl. Fig. 1. Die Leiterplatte 34 kann z. B. in Form von sogenannten IC's auch die gesamte Regelschaltung des Motors aufnehmen, was dazu führt, daß dann nur wenige Zuleitungen zur Leiterplatte 34 für die betriebsmäßige Funktion erforderlich sind. Werden die Nietstümpfe 36, 37 außerdem durch lösbare Befestigungsmittel, z. B. Schrauben, ergänzt, so stellt eine solche Ausgestaltung der Leiterplatte eine sehr fertigungs- und servicefreundliche Anord­ nung dar. Sind die lösbaren Mittel von außen separat lösbar an­ geordnet (z. B. Schrauben radial außerhalb des Rotors 44, wobei die Platte 24 oder 73 radial entsprechend vorsteht), kann der Motor separat fertiggestellt und die gesamte Elektronik zusätz­ lich anschließend auf einfache Weise montiert werden, was für den Service in gleicher Weise wichtig ist.

Die Statorspulen 13 bis 16 sind nach der Lehre der DE 27 30 142 A1 etwa fünfeckförmig gewickelt, und sie sind äquidistant angeordnet. Der Rotormagnet 52 ist vierpolig. Er weist eine Rückschlußplatte 50 aus Eisen auf, die an einer Buchse 51 angebördelt ist, welche ihrerseits auf die Welle 9 aufgepreßt und dadurch fest mit dieser verbunden ist. Auf die Rückschlußplatte 50 ist ein Magnetring (Rotormagnete 52) aus einem Oxidmagnetmaterial aufgeklebt und axial magnetisiert.

In seinem Inneren bildet der Magnetring 52 einen Hohlraum 53, in dem der Tachogenerator 40 raumsparend untergebracht ist. Dieser weist einen Dauermagneten 54 auf, der zweckmäßig aus einem sogenannten Gummimagneten bestehen kann, also aus einer Mischung aus Hartferriten und einem Elastomer. Er ist direkt auf die Rückschlußplatte 50 aufgeklebt und rotiert deshalb im Betrieb mit dieser. Der Dauermagnet 54 ist an seiner Unterseite abwechselnd mit Nord- und Südpolen magne­ tisiert und weist zweckmäßig eine große Zahl von Polpaaren auf, um für eine Frequenzregelung eine ausreichend hohe Fre­ quenz zu erhalten. Fig. 3 zeigt in einem Ausschnitt bei 55 die Art der Magnetisierung des Dauermagneten 54.

Dem Dauermagneten 54 gegenüberliegend ist am oberen Ende des Lagerrohrs 18 an einer Ausdehnung 56 eine Isolierplatte 57 festgebördelt, die auf ihrer Oberseite 58 mit einer Mäander­ wicklung 59 in Form einer gedruckten Schaltung versehen ist und deren Form aus Fig. 3 hervorgeht. Bei Fig. 3 hat z. B. die Mäanderwicklung 59 insgesamt 96 radial verlaufende Abschnitte 60, und die Magnetplatte 54 hat 48 Nordpole 63 und 48 Südpole 64, also 48 Polpaare. Die Mäanderwicklung 59 hat einen ersten Anschluß 65, der direkt zu einem radial ver­ laufenden Abschnitt 60′ führt. Der diesem Abschnitt 60′ benach­ barte Abschnitt 60′′ führt zu einer Kompensationswicklung 66, die auf der Innenseite der Mäanderwicklung um etwa 320° rückwärts zurückgeführt ist bis zu einem zweiten Anschluß 67, der eng beim Anschluß 65 liegt. Die Leitungen 39 sind an diese Anschlüsse 65 und 67 angelötet.

Wenn Streuflüsse, z. B. von der Statorwicklung 13 bis 16, die Mäanderwicklung 59 durchdringen, so induzieren sie in dieser eine Störspannung u₁. Gleichzeitig induzieren sie in der Kompensationswicklung 66 eine Störspannung u₂, die etwa gleich -u₁ ist. Durch die Serienschaltung der beiden Spannungen, die natürlich auch auf andere Weise erreicht werden kann, erreicht man, daß (u₁ + u₂) ungefähr gleich Null ist, d. h. an den Ausgangsklemmen 65, 67, ist die Störspannung weit­ gehend unterdrückt und erhält nur die gewünschte Nutzspannung, die von dem Dauermagneten 54 in der Tachowicklung 59 induziert wird.

Bei der Wahl der Polzahl p der Magnetscheibe 54, und folglich auch der Zahl der radial verlaufenden Abschnitte 60 der Mäander­ wicklung 59, geht man gemäß Fig. 4 so vor, daß man bei gleichbleibendem Luftspalt (Ls) 68 und gleichbleibender Drehzahl n die Ausgangsspannung u für verschiedene Polzahlen p er­ mittelt. Die ermittelte Kurve 70 hat ein Maximum, und für eine Frequenzregelung wählt man eine Polzahl im Bereich oberhalb dieses Maximums, da im wesentlichen das Produkt aus Frequenz und Spannung u optimiert werden muß, weil sich bei höherer Frequenz ein kleineres Funkelrauschen ergibt und dadurch die Regelung - und folglich der Gleichlauf - besser werden. Dieser Bereich ist in Fig. 4 mit p_opt angegeben.

Bei der Montage wird einfach der Rotor 44 mit seiner Welle 9 in das Lagerrohr 18 gesteckt und dort durch den magnetischen Zug festgehalten. Man stellt dann mit der Schraube 23 den Luftspalt 68 des Tachogenerators 40 auf z. B. 0,8 mm ein und läßt den Motor etwa einen Tag ruhen. Dabei drückt sich die Spurkuppe 20 etwas in die Kunststoffscheibe 19 ein, wodurch sich die Ausgangsspannung des Tachogenerators 40 vergrößert und der Gleichlauf besser wird, wenn dieser z. B. am nächsten Tag gemessen wird. Anschließend sinkt die Spurkuppe 20 erfahrungs­ gemäß noch etwas weiter ein, d. h. der Gleichlauf wird mit zunehmender Alterung des Motors 10 immer besser, was natur­ gemäß außerordentlich wünschenswert ist.

Um den Rotor 44 herum ist ein hohlzylindrisches Teil 70 aus Kunststoff so angeordnet, daß es den Rotor 44 mit sehr geringem Abstand umgibt und so das Eindringen von Fremdkörpern in den Motor 10 verhindert. Das Teil 70 ist mit einem verbreiterten Fuß 71 versehen, der am Stator 11 in der dargestellten Weise befestigt ist.

Zur Befestigung an einem bei 72 angedeuteten Chassis dienen seitliche Flansche 73 der Basisplatte 12. In diesen Flanschen sind Befestigungslöcher 74 vorgesehen. Die Basisplatte 12 dient also gleichzeitig als Rückschluß und zur Befestigung.

Zur Aufnahme der Einstellschraube 23 für das Axiallager 17 bildet das Kunststoff-Formstück 24 in seiner Mitte einer Art Vorsprung 75, der eine Ringschulter 76 bildet. Die metallene Einstellschraube 23 wird vor dem Spritzen des Kunststoff-Formstücks 24 in die Spritzform so eingelegt, daß axial unterhalb ihres Gewindes kein Kunststoff sein kann. Dann wird gleichzeitig durch das Spritzen auf einfache Weise das Gewinde für sie erzeugt. Nach dem Spritzen kann sie nur axial nach unten bewegt werden. Das Lagerrohr 18 könnte am unteren Ende ein Gewinde tragen, in das die Einstellschraube 23 zur Halterung vor dem Spritzen eingedreht ist.

Zwischen dem Rotormagneten 52 und dem Rückschlußteil 12 ist für den Motorluftspalt ein relativ großer Abstand absichtlich vorgesehen, damit die axial gerichtete magne­ tische Kraft nicht zu groß wird. Sie würde sonst auf das axiale Punktlager zu stark drücken und dort ein verstärktes Einlaufen und damit unter Umständen eine unerwünscht große axiale Posi­ tionsverschiebung des Rotors 44 bewirken, auch die Reibung erhöhen.

Man hat den Abstand so gewählt, daß die Lagerbelastung der Spurkuppe 20 nicht zu groß wird und der Motor die geforderte Leistung andererseits noch erbringt. Zu diesen Zwecken macht man auch den Krümmungsradius der Abrundung der Welle 9 möglichst groß.

Dieser Abstand erlaubt andererseits einen rela­ tiv großen Abstand zwischen den Spulen 13, 14, 15, 16 und dem Rückschlußteil 12, so daß axial zwischen diesen, beispielsweise in einer Ausnehmung des Kunststoff-Formteils 24 lokalisiert, Magnetfeld-Sensoren (beispielsweise ein oder zwei Hallgeneratoren 35) günstig ange­ ordnet werden können.

Wenn die Anlaufstelle für die Spurkuppe 20 der Welle 9 aus einem relativ billigen Kunststoff für das größere Gehäusespritz­ gußteil, beispielsweise das Formteil 24, besteht, ist das Problem gravierender. Man sieht deshalb eine Polyurethanscheibe (Scheibe 19) als Gegenstück zur Spurkuppe 20, d. h. als Anlaufgleitelement, vor. Eine solche hochwertige Kunststoffscheibe, die z. B. noch einen Molybdän-Sulfidzusatz aufweist, wird gegenüber der Spurkuppe 20 eingelegt.

Der große Luftspalt gestattet eine großzügige Handhabung der axialen Toleranzen in der Serienfertigung, so daß zwischen dem Rotormagneten 52 und den Spulen 13, 14, 15, 16 des Stators 11 auch ein großer Luftspalt sein kann, der auf diese Fertigungstoleranz praktisch keine Rücksicht nehmen lassen muß. Dadurch ist anderer­ seits aber möglich, die Justierung des Rotors 44 z. B. durch die Einstellschraube 23 relativ genau und ausschließlich nach dem für den Tachogenerator 40 erforderlich und dort vorteilhafter­ weise sehr kleinen Luftspalt zu richten. Das bedeutet Signalge­ winn des Tachogenerators 40. Der Motorluftspalt ist etwa doppelt so groß wie die axiale Dicke der Spulen 13, 14, 15, 16. Anfangs wird der tachogeneratorische Luftspalt auf 0,8 mm eingestellt, wobei durch das Einlaufen über die Lebensdauer des Motors 10 um max. 0,3 mm ein effektiver Luftspalt von 0,5 mm sich bildet.

Claims (10)

1. Tachogenerator, insbesondere zur Drehzahlregelung eines kollektorlosen Gleichstrommotors, wobei ein flacher rotierender mehrpoliger Dauermagnet (54) und jenseits eines parallelen Luftspalts (68) von diesem eine Wellen- oder Mäanderwicklung (59) angeordnet ist, in der im Be­ trieb durch den mehrpoligen flachen Dauermagneten (54) eine Spannung induzierbar ist, deren Frequenz der Motor­ drehzahl proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Pol­ zahl (p) des mehrpoligen flachen Dauermagneten (54) und die Zahl der magnetisch aktiven Abschnitte (60, 60′, 60′′) der Wellen- oder Mäanderwicklung (59) so gewählt sind, daß in dem über der Polzahl (p) aufgetragenen Diagramm (70) der in der Wellen- oder Mäanderwicklung (59) bei konstanter Drehzahl (n) induzierten Spannung (u) die Polzahl (p) im Bereich oberhalb derjenigen Polzahl liegt, die durch das Spannungsmaximum gekennzeichnet ist.

2. Tachogenerator für einen kollektorlosen Gleichstrom­ motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im Raum zwischen der Drehachse (9) und den Rotormagneten (52) des Motors (10) angeordnet und mit dem Rotor (44) drehfest verbunden ist.

3. Tachogenerator für einen kollektorlosen Gleichstrom­ motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (47) des Motors (10) auf der vom Rotormagneten (52) abgewandten Seite von einem oder mehreren stationären, weichferromagnetischen Rückschlußteilen (12) be­ grenzt ist, und daß diese Rückschlußteile (12) und der Stator (11) eine Durchführung (38) für die Anschlußelemente (39) der Wellen- oder Mäanderwicklung (59) aufweisen.

4. Tachogenerator für einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen- oder Mäanderwicklung (59) an einem die Rotorwelle (9) aufnehmenden Lagerrohr (18) des Motors befestigt ist.

5. Tachogenerator für einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen- oder Mäanderwicklung (59) auf ihrer von dem mehrpoligen flachen Dauermagneten (54) abgewandten Seite mit einer weichferromagnetischen Abschirmung (80) versehen ist.

6. Tachogenerator für einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrpolige flache Dauer­ magnet (54) auf einem weichferromagnetischen Teil (50) des Rotors (44) befestigt ist.

7. Tachogenerator für einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrpolige flache Dauermagnet (54) als sogenannter Gummimagnet ausgebildet und auf dem weichferromagnetischen Teil (50) des Rotors (44) aufgeklebt ist.

8. Tachogenerator für einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Welle (9) gegen ein sogenanntes Anlauflager (17) - vorzugsweise axial justierbar - anläuft.

9. Tachogenerator für einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (9) ein kuppenförmiges Ende (Spurkuppe) (20) aufweist und auf einer Scheibe (19) aus Polyurethan gelagert ist.

10. Tachogenerator für einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (19) einen zusätzlichen Anteil von Molybdändisulfid aufweist.