DE3037724C2

DE3037724C2 - Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE3037724C2
Application number: DE19803037724
Authority: DE
Inventors: Teruaki Hirakata Kitamori; Yuho Osaka Morimune
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1979-10-09
Filing date: 1980-10-06
Publication date: 1985-01-03
Also published as: GB2062976B; FR2467504B1; JPS5656162A; GB2062976A; DE3037724A1; FR2467504A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die meisten herkömmlichen Gleichstrommotoren mit Schaltvorrichtungen haben mehrere Ständerwicklungen und einen Läufer mit dergleichen Anzahl von Polen eines Dauermagneten, die bei den gleichen Winkelteilungen wie diejenigen der Ständerwicklungen angeordnet sind. Dabei sind die Ständerwicklungen und die Pole der Dauermagneten des Läufers mit einer gleichmäßigen Winkelteilung um die Achse des Motors vorgesehen. Wenn bei einem derartigen herkömmlichen Gleichstrommotor der Läufer in einer bestimmten Stellung ist, in der die Pole des Dauermagneten des Läufers den Polen des Ständers gegenüberliegen und die Polaritäten der jeweils einander gegenüberliegenden Pole gleich sind, wird der Läufermagnet leicht in einer der beiden Drehrichtungen zurückgestoßen. Wenn jedoch die jeweils einander gegenüberliegenden Pole gerade zugekehrt sind, macht es der Ausgleich der magnetischen Rückstoßungskraft unmöglich, daß der Läufer eine Drehung beginnt. Wenn die Polaritäten der jeweils einander gegenüberliegenden Pole entgegengesetzt sind, wird jeder Läufermagnet durch den Ständer in die Stellung gezogen. Daher gibt es zwei Arten von Totpunkten im herkömmlichen Gleichstrommotor; der erste Totpunkt ist ein instabiler Totpunkt, und der letzte Totpunkt ist ein stabiler Totpunkt Wenn der Läufer in derartigen Totpunkten ist kann der Motor nicht anlaufen, selbst wenn elektrische Leistung in den Motor eingespeist wird.

Um die mit derartigen Totpunkten verknüpften Probleme zu überwinden und insbesondere Totpunkte ohne zusätzliche Bauteile zu vermeiden, hat ein aus der DE-AS 12 76 796 (- US-PS 32 99 335) den eingangs erwähnten Aufbau, der sich durch einen Läufer auszeichnet der aus magnetischen Teilen und nicht-magnetisehen Teilen um den Läuferumfang besteht wobei die nicht-magnetischen Teile zwischen aufeinanderfolgenden Paaren von Magnetpolen der magnetischen Teile liegen. Durch einen derartigen Aufbau kann dieser herkömmliche Motor unabhängig von der Winkelstellung des Läufers anlaufen.

Jedoch besteht bei diesem herkömmlichen Gleichstrommotor der Läufer aus mehreren Teilen, wobei zwei verschiedene Arten von Materialien, nämlich die magnetischen Teile und die nicht-magnetischen Teile, miteinander verbunden sind. Daher hat dieser Motor den Nachteil, daß der Läufer nicht einfach herstellbar ist da verschiedene A/ten bogenförmigtr Bauteile verbunden werden sollten, um einen Ring mit einem genauen Ausgleich zur Drehung zu bilden; außerdem zerbricht der Läufer leicht infolge der Zentrifugalkraft

Aus der DE-OS 23 06 595 ist eine Steuerschaltung für einen selbstanlaufenden Elektromotor bekannt bei dem die Polzahl des Magneten des Läufers gleich der Anzahl der Hauptpole im Ständer ist, wodurch ebenfalls ein Anlaufen des Elektromotors aus jeder Drehwinkellage sichergestellt werden soll.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Gleichstrommotor anzugeben, der keine Totpunkte aufweist und unabhängig von der Stellung des möglichst materialeinheitlichen Läufers anlaufen kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Der Läufer des Gleichstrommotors kann mit einem einheitlichen Material um seine Winkelstellung ausgeführt werden, wodurch der Läufer sehr einfach und haltbar herstellbar ist. Wenn ein Magnetfühler zur Erfassung einer Drehung des Läufers verwendet wird, kann

se einer der Läufermagneten an sich benutzt werden, um dort einen Wechselmagnetfluß zu liefern.

Der Gleichstrommotor hat also einen Ständer, der einen Ständer-Magnetfluß mit einer Dichteverteilung einschließlich einer Grundkomponente und einer Hilfskomponente erzeugt, und einen Läufer mit zwei ringförmigen Magneten, von denen der erste Läufer Pole besitzt, die mit geraden Winkelteilungen um eine Welle angeordnet sind, und von denen der zweite Pol eines geradzahligen Vielfachen des ersten Magneten aufweist, wobei der Spitzenwert der Flußdichte-Verteilung des zweiten Magneten in der Lage verschieden von den Spitzenwerten der Hilfskomponente ist, wenn der eine Pol der Magnete der Stellung der Flußdichte-Verteilung-Spitzenwerte der Grundkomponente des Ständers

bi gegenüberliegt, wodurch der Motor selbst von Totpunkten der Läuferstellungen durch ein Drehmoment anlaufen kann, das durch die Magnetkräfte zwischen dem zweiten Magneten des Läufers und der Hüfskom-

ponente des Ständers erzeugt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Draufsicht der Grundstruktur des erfindungsgemäßen Gleichstrommolores;

F i g. 2(a) bis 2(f) Kurven, die Flußdichte-Verteilungen des Gleichstrommotors bezüglich der Winkelstellung um die Achse des Läufers angeben;

F i g. 3 eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfinduag;

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung von Magnetringen eines Läufers eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig.5 eine Draufsicht eines Ständers des zweiten Ausführungsbeispieles;

Fig.-6 einen senkrechten Schnitt des Motors des zweiten Ausführungsbeispieles und

Fig.7(a), 7(b) und 7(c) Kurven, die die Flußdichte-Verteilungen des Motors des zweiten Ausführungsbeispieles bezüglich der Winkelstellung um die Achse des Läufers angeben.

Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip wird im folgenden anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert In F i g. 1 hat ein Ständer 1 einer zylindrischen Form zwei Hauptpole 2a und 2b, die in diagonaler Stellung, d. h. 180° voneinander bezüglich der Achse des Läufers entfernt sind und zwei Feldspulen 2a'und 2b'sind jeweils um die Hauptpole 2a und 2b gewickelt Ein Läufer 3 ist direkt oder indirekt an einer Welle 4 des Ständers 1 befestigt Der Läufer 3 umfaßt zwei Dauermagneten 5 und 6, die koaxial angeschlossen oder entlang der Welle 4 verbunden sind. Der Dauermagnet 5 hat zwei Hauptpole (N'- und S-PoIe) in der diagonalen Stellung, d. h. 180° voneinander bezüglich der Achse entfernt, wie dies in F i g. 1 gezeigt ist Der Dauermagnet hat vier Hilfspo-Ie, die in einer Weise in einem Kreuz angeordnet sind, daß Pole entgegengesetzter Art voneinander bezüglich der Achse um 90° entfernt sind, wobei jeder Pol des Dauermagneten 5 zwischen den Polen des Dauermagneten 6 bezüglich einer Winkelstellung um die Achse des Läufers 3 liegt Die Fläche des in F i g. 1 gezeigten Dauermagneten 5 ist größer als die Fläche des Dauermagneten 6, und folglich ist die Magnetkraft des Dauermagneten 5 größer als die Magnetkraft des Dauermagneten 6. Die Feldspulen 2a' und 2b' werden abwechselnd aufgrund der Drehung des Läufers 3 durch einen Läuferstellungsdetektor mit beispielsweise einem Hallelement ein- und ausgeschaltet. Die Schaltintervalle der Feldspulen 2a'und 2ö'sind synchron zu einer Polaritätsänderung des Magnetflusses bei den Hauptpolen 2a und 2b durch den Magneten 5. Um ein derartiges synchronisiertes Schalten auszuführen, ist das Hallelement an einer Stelle angebracht, die gerade dem Magneten 5 gegenüberliegt

Wenn die Feldspule 2a' erregt ist, wird ein Magnetfluß im Ständer 1 induziert, und die Flußdichte-Verteilung bezüglich der Winkelstellung um die Welle 4 des Ständers 1 ist in F i g. 2(a) gezeigt. Die auf der Abszisse der F i g. 2(a) bis 2(f) aufgetragene Winkelstellung entspricht der in Fig. 1 gezeigten Winkelstellung. In Fig.2(a) hat die Flußdichte-Verteilung des Ständers 1 eine derartige Form, daß sie in zwei Komponenten aufgelöst werden kann, von denen eine eine in Fig. 2(b) gezeigte Grundkomponente und die andere eine in F i g. 2(c) dargestellte Hilfskomponente ist. In der Stellung von 0°, in der die Mitte des Hauptpoles 2a vorliegt, haben die Grundkomponente und die Hilfskomponente beide ihre Spitzenwerte der Flußdichte-Verteilung, und die Hilfskomponente hat eine Form einer sekundären harmonischen Welle von derjenigen der Grundkomponente. Zu der in den F i g. 1 und 2 gezeigten Zeit ist der Hauptpol 2a zu einem N-PoI und der andere Hauptpol 2b zu einem S-PoI erregt Dagegen haben in dem Läufer 3 in F i g. 1 die Dauermagneten S und 6 eine in F i g. 2(d) bzw. 2(e) gezeigte Flußdichte-Verteilung. Insbesondere ist die Verteilung des Flusses des Dauermagneten S im wesentlichen gleich wie diejenige der Grundkomponente des Ständers 1, und diejenige des Dauermagneten 6 ist im wesentlichen gleich wie diejenige der Hilfskomponente, wobei jedoch die Phase der Flußdichte-Verteilung des Dauermagneten 6 um 45° von derjenigen der Hilfskomponenten verschoben ist wie dies in den

F ig.2(c) und 2(e) dargestellt ist

Unter diesen Umständen ist der Dauermagnet 5 des Läufers 3 im instabilen Totpunkt, da der Ausgleich der magnetischen Rückstoßungskraft zwischen dem Dauermagneten 5 und dem Ständer 1 bewahrt wird, wie dies in den F i g. 2(b), 2(c), 2(d) gezeigt ist Jedoch läßt eine zwischen dem Dauermagneten 6 und d'.-:ri Ständer 1 erzeugte Magnetkraft, d.h. die Magnetkraft zwischen dem Dauermagneten 6 und der Hilfskomponenten der Flußdichte-Verteilung den Läufer 3 in der durch einen Pfeil A in F i g. 1 angegebenen Richtung im Uhrzeigersinn umlaufen. Wenn der Läufer 3 umläuft, wird ein Drehmoment für die Richtung des Uhrzeigersinnes zwischen dem Dauermagneten 5 und der Grundkomponenten der Flußdichte-Verteilung erzeugt, damit der Läufer 3 weiter umläuft Wenn sich der Läufer 3 um 180° dreht und den stabilen Totpunkt erreicht in dem der Dauermagnet 5 durch den Ständer 1 angezogen wird, um dort ruhig zu halten, wird die Erregung der Feldspule 2a' unterbrochen, und die Feldspule 2b' wird erregt Dann nimmt die Flußdichte-Verteilung des durch die Feldspule 2b' erregten Ständers \ den in Fig.2(f) gezeigten Verlauf an. Zu dieser Zeit tritt durch das Schalten der Erregung wieder ein instabiler Totpunkt zwischen dem dann N-erregten Hauptpol 2b und dem Pol N des Dauermagneten 5 auf. Jedoch dreht sich der Läufer 3 weiter in der gleichen Uhrzeigerrichtung durch die Magnetkrafl zwischen dem Dauermagneten 6 und dem Ständer 1 und durch die Trägheitskraft. Somit wird nach einem Durchgang durch den instabilen Totpunkt em Drehmoment für die Uhrzeigerrichtung zwischen dem Dauermagneten 5 und der Grundkomponente der Flußäichte-Verteilung in ähnlicher Weise erzeugt, wie dies oben erläutert wurde. Daher läuft der Motor weiter um.

Beispiel 1

F i g. 3 zeigt einen Gleichstrommotor mit einem zweipoligen Innenläufer nach der Erfindung. In Fig.3 hat de- Ständer 11 zwei Hauptpole 21a und 21 b in der diagonalen Stellung und zwei Ergänzungs- oder Zusatzpole 21c und 21 d, die jeweils zwischen diesen He.uptpolen 21a und 2\b angeordnet sind. Die Ergänzungspole 21c und 21</ dienen zum Erzeugen einer Hilfskomponenten der Flußdichte-Verteilung des Ständers 11. Feldspulen 21a' und 21 b' sind um Halsteile der Hauptpole 21/? und 216 gewickelt. Die einen Enden der beiden Feldspulen 21a'und 21 b' sind mit einem Schalttransistor Tr 1 bzw. Tr 2 verbunden, und die anderen Enden der beiden Feldspulen 21a' und 21 b' sind mit einer Gleichspannungsquelle fzusanmengeschaltet. Der Läufer 31 dieses Ausführungsbeispiels ist gleich v/ie der Läufer der F i g. 2. Eine Detektoreinrichturig, wie beispielsweise ein Haüelement HD, liegt vor dem Ergänzungspol 21c zum

Erfassen der Drehung des Läufers 31. Durch das Hallelement HD synchron mit der Änderung des Magnetflusses des Läufermagneten S erhaltene Drehungssignale werden zu einem Schaltglied 71 gespeist, das beispielsweise ein Flip-Flop aufweist und die Schalttransistoren Tr i und Tr 2 so steuert, daß sie abwechselnd einschalten. Durch einen derartigen Aufbau wird der Strom zu den Feldspulen synchron mit der Drehung des Läufers 31 durch die Schalttransistoren Tr 1 und Tr 2 geschaltet.

Beispiel 2

Die Fig.4, 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines AuDengleichstrommotores. Bei diesem Ausfüh- is rungsbeispiel hat der Außenläufer 32 eine zylindrische Gestalt mit einem Loch, d. h. er bildet ein kurzes Rohr oder einen Ring, wie dies in F i g. 4 gezeigt ist. Der Läufer 32 dieses Ausführungsbeispiels besteht aus einem ersten ringförmigen Dauermagneten 52 mit vier Polen und aus einem zweiten ringförmigen Dauermagneten 62 mit acht Hilfspolen. Die N- und S-PoIe der Dauermagneten 52 und 62 sind abwechselnd entlang des Randes hiervon angeordnet, und jede andere Randfläche der Pole des Dauermagneten 62 liegt gerade auf demjeni- 2s gen der Pole des Dauermagneten 52, wie dies in F i g. 4 gezeigt ist. Die Dauermagneten 52 und 62 haben die gleichen Außen- und Innendurchmesser und die gleichen Dicken. Jedoch ist die Höhe »a« des Dauermagneten 52 größer als die Höhe »b« des Dauermagneten 62, wodurch die Magnetkraft des Dauermagneten 52 größer als diejenige des Dauermagneten 62 ist. Beide ringförmigen Dauermagneten 52 und 62 sind koaxial um die Achse des Läufers 32 verbunden. Der Ständer 12 dieses Ausführungsbeispiels hat vier Hauptpole 22a, 22b, 22c und 22d und vier Ergänzungspole 22e, 22/, 22g und 22Λ, die abwechselnd angeordnet sind. Die Ergänzungspole 22e, 22/, 22g und 22h dienen zum Erzeugen der Hilfskomponenten der Flußdichte-Verteilung. Die Feldspulen 22a'und 22c' die entlang den jeweiligen Hauptpolen 22a und 22cgewickelt sind, sind in Reihe von der Gleichspannur-.gsqueüe £zu einem Schalttransistor Tr 3 verbunden. Die Feldspulen 226' und 22d', die entlang den jeweiligen Hauptpolen 22b und 22c/gewickelt sind, sind in Reihe von der Gleichspannungsquelle E zu einem Schalttransistor 7r4 verbunden. Eine Hallelement HD zum Erfassen einer Drehung des Läufers 32 ist neben dem Ergänzungspol 22/gehalten und sendet erfaßte Signale zu einem Schaltgiied 72. Das Schaltglied 72 hat beispielsweise ein Flip-Flop und steuert die Schalttransistoren 7>3 und 7r4 derart, daß sie abwechselnd bezüglich der Drehung des Läufers 32 einschalten. Wie in F i g. 6 gezeigt ist, ist der Ständer 12 auf einer Motorgehäuseunterlage 13 befestigt Der Läufer 32 ist um den Ständer 12 angeordnet und in einem Flanschteil 33 einer Haube 34 befestigt Die Haube 34 ist drehbar auf der Motorgehäuseunterlage 13 gehalten, indem eine Welle 42 durch ein Lager 14 gelagert ist.

Für dieses Ausführungsbeispiel ist die Flußdichte-Verteilung des Ständers 12 zu der Zeit, wenn die Feldspulen 22a' und 22c' erregt sind, in F i g. 7(a) angegeben. Wie in F i g. 7(a) gezeigt ist, hat diese Flußdichte-Verteilung einen ähnlichen Verlauf wie in Fig.2(a), wobei jedoch die Frequenz doppelt so hoch wie die Frequenz des ersten Beispiels ist. Ähnlich zum ersten Beispiel kann die Flußdichte-Verteilung des Ständers 12 in zwei Komponenten, d. h. in die Grundkomponente und die Hilfskomponente, aufgelöst werden. Die Rußdichte-Verteilung des Dauermagneten 52 und 62 des Läufers 32 ist ebenfalls ähnlich zu den Verläufen in F i g. 2(d) und 2(e), wobei jedoch beide eine verdoppelte Frequenz haben. Daher kann der Motor dieses Ausführungsbeispiels in ähnlicher Weise unabhängig von der Winkelstellung des Läufers anlaufen, wie dies oben beschrieben wurde.

In den obigen Ausführungsbeispielen ist die Hilfskomponente der Flußdichte-Verteilung des Ständers eine sekundäre harmonische Welle der Grundkomponenten hiervon. Jedoch kann die Hilfskomponente irgendeine harmonische Welle eines geradzahligen Grades der Grundkomponenten sein.

Der erfindungsgemäße Gleichstrommotor hat keine Totpunkte wie der herkömmliche Motor, so daß er bei jeder Winkelstellung des Läufers anlaufen kann. Weiterhin besteht der Läufer bei der Erfindung lediglich aus zwei ringförmigen magnetischen Materialien, die sehr fest gegen die Zentrifugalkraft sind, und damit kann der äußerst haltbare Motor einfach hergestellt werden. Wenn weiterhin ein Hallelement für die Drehungs-Detektoreinrichtung benutzt wird, ist es nicht erforderlich, andere Magnete zu verwenden, damit ein Wechselmagnetfluß für das Hallelement vorliegt, um die Drehung des Läufers synchron zu gestalten.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleichstrommotor mit einem Dauermagnet-Läufer und einem Ständer mit wenigstens zwei Erregerspulen, die in Reihe zu je einem Schakglied liegen, bei dem der in die Erregerspulen zu speisende Gleichstrom abwechselnd abhängig von der Winkelstellung des Läufers schaltbar ist, bei dem der Ständer eine vorbestimmte Anzahl von durch die Erregerspulen zu erregenden Hauptpolen und Ergänzungspolen zwischen den Hauptpolen aufweist, und bei dem der Läufer einen ersten Magneten hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (32) in axialer Richtung neben dem ersten Magneten angeordnet zusätzlich einen zweiten Magneten (62) aufweist, daß der erste Magnet (52) ebensoviele Läuferpole wie der Ständer Hauptpole (22a, 226, 22c, 22d) hat, daß der zweite Magnet (62) die gleiche Anzahl von Hilfsläuferpolen wie die Summe der Hauptpolc IJßa, 22b. 22c, 22d) und der Ergänzungspole (22e, 22/; 22g, 22h) hat, und daß der Spitzenwert der Flußdichte-Verteilung des zweiten Magnetes (62) um einen vorbestimmten Winkel bezüglich des Spitzenwertes der Flußdichte-Verteilung des ersten Magneten (52) verschoben ist.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Magnet (52) eine größere Magnetkraft als der zweite Magnet (62) aufweist

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Magnet (52,62) des Läufer-, (32) Dauermagneten sind.

4. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste ■ ta der zweite Magnet (52,62) miteinander verbunden sind.

5. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltglieder (TR 3, TR 4) eine Einrichtung (72, HD) aufweisen, die eine Änderung des Magnetflusses des ersten Magneten (52) des Läufers (32) zum Schalten der Schaltglieder (TR 3, TR 4) erfaßt.