DE3200664A1

DE3200664A1 - "kommutatorloser elektromotor mit hilfsmagnetpolen"

Info

Publication number: DE3200664A1
Application number: DE19823200664
Authority: DE
Inventors: Ken Kawasaki Enami; Yukimi Atsugi Kanagawa Hirose; Kinzo Yokohama Wada
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1981-01-13
Filing date: 1982-01-12
Publication date: 1982-08-12
Also published as: FR2498026A1; GB2091948A; KR830003395U; JPH036149Y2; JPS57115575U; CH654151A5; FR2498026B1; DE3200664C2; ATA10682A; US4417186A; GB2091948B; KR890001476Y1; AT376330B

Description

Kornmutatorloser Elektromotor mit Hilfsmagnetpolen

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf konimutatorlose Elektromotoren und insbesondere auf den Aufbau eines Magnetläufers eines Motors, der Drehstellungs-Erfassungselemente hat.

bei herkömmlichen konimutatorlosen Elektromotoren sind Hallgeneratoren zur Erfassung der Lar.e des Läufers in der Weise vorgesehen, daß jeweils über an dem Ständer angeordnete Ankerwicklungen fließende Ströme umgeschaltet werden. Die Ausgangsspannungen der Hallgeneratoren v/erden in einen Schaltkreis eingegeben, in welchem die Speisung der Ankerwicklungen in Aufeinanderfolge herbeigeführt wird. Die Spannungen aus den Hallgeneratoren sind jedoch nicht gleichförmig, so daß es daher schv/ierig ist, eine genaue Schaltzeitsteuerung zu erzielen. Ferner ist die Ausgangsspannung der Hallgeneratoren verhältnismäßig

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niedrig, da die Magnetflußdichte urn die Stirnseite des zylindrischen magnetischen Läufers geringer ist als diejenige in der Umgebung der Innenfläche des Zylinders bzw. zylindrischen Läufers. Niedrige Spannungen aus den Hallgeneratoren ergeben ein langsames Schalten der Ankerströme, so daß daher der der Speisungszeitdauer entsprechende Ankerwicklungs-Stromf lußwinkel erweitert werden ^t! kann, wodurch die Leistungsfähigkeit des Elektromotors verschlechtert wird. D.h., bei herkömmlichen kommutatorlosen Elektromotoren tritt aufgrund eines Fehlers hinsichtlich der Drehstellungs-Erfassung eine Drehmoment-Welligkeit, nämlich eine Schwankung hinsichtlich des Drehmoments auf. Zur Kompensierung dieser Unzulänglichkeiten der kommutatorlosen Elektromotoren mit Hallgeneratoren als Drehstellungs-Erfassungselemente wurden bei einigen herkömmlichen Motoren die Eingangsströme der Hallgeneratoren gesteigert. Bei diesen herkömmlichen komrnutatorlosen Elektromotoren entsteht jedoch die

Schwierigkeit, daß der von den Hall generatoren verbrauchte Strom sehr groß ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Ausschaltung der voranstehend beschriebenen Mangel und Unzulänglichkeiten der herkömmmlichen kommutatorlosen Elektromotoren einen kommutatorlosen Elektromotor zu schaffen, bei dem eine auf einem Fehler hinsichtlich der Drehstellungs-Erfassung beruhende Drehmoment-Welligkeit verringert ist, während der von den Drehstellungs-Erfassungs-

elementen verbrauchte Strom gering ist.
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Der erfindungsgemäße kornmutatorlose Elektromotor hat einen Ständer, der mit Mehrphasen-Ankerwicklungen versehen ist, einen zylindrischen Läufer, der Drehantriebsmagneten mit Hauptmagnetpolen hat, die durch Magnetisierung

in der Weise erzeugt sind, daß N- und S-PoIe abwechselnd

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in Umfangsrichtung angeordnet sind und eine Achse, die durch den N-PoI und den S-PoI eines jeweiligen Magneten verläuft, sich radial erstreckt, eine Mehrzahl von Hilfsmagnetpolen, die an einem Ende bzw. einer Stirnseite des Läufers durch Magnetisierung in der Weise ausgebildet sind, daß eine durch deren N-PoI und S-FoI hindurchlaufende Achse sich axial erstreckt und daß ihr Magnetisierungsbereich-Winkel bezüglich der Mittelachse des Läufers weitaus kleiner als derjenige der Hauptmagnetpole ist und hinsichtlich des elekrtrischen Winkels kleiner als mindestens τι /2 rad ist, mehrere Drehstellungs-Erfassungselemente, die zur Ermittlung der Lage der Hilfsmagnetpole des Läufers angebracht sind, und eine Stromschalteinrichtung, mit der entsprechend den Signalen aus den mehreren Drehstellungs-Erfassungselementen die über die Mehrphasen-Ankerwicklungen fließenden Ströme umschaltbar sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert .

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines herkömmlichen kommutatorlosen Elektromotors in Ansicht von " einer Seite der Drehwelle desselben her.

Fig. 2 ' ist eine Darstellung einer Schaltung zum Schalten der Ankerströme des Elektromotors nach Fig. 1.

Fig. 3 A ist ein Kurvenformdiagramm, das die Ausgangs-

Spannungen von Hall generatoren nach Fig. 2 zeigt.

Fig. 3 B ist ein Kurvenformdiagramm, das über die Ankerwicklungen nach Fig. 2 fließende elektrische

Ströme zeigt.

: * ' " -6- " ' ' DE 1828

Fig. 4 ist eine Darstellung, die den Fall veranschau-.·■ -;...'■. —licht,vdaß die, Aw-s^aRgssRannung e;ines;,Hallp,enera-

^5Q■t.ρ■c·:.·■>gΓ^ßeΓ als die Hall generators wird.

Fig. 5 ist eine Darstellung, die bei dem herkömmlichen".

; ■ /: Motor ^ und,. dew ,AMßführungsb.eispiel wd.es Motors

den . Untjersctiied:. ZiWiserten^^der Magnetflußdichte

in der Umgebun'gi, der,.-H-ia;up^niagne:tpole--des Läufers und der Magnetflußdich.te in der Umgebung der

Stirnfläche der Läufermagneten zeigt. —

Fig. -6-.-.,ist
. -:...... rungsbeispie'ls"'des-.;kommu.tatorl.Qsen :E'lektromotors.

, Fig. 7 A -rißti .elfte Aufsicht.«.aufi-·. Lauferrnagneteen.,.' die. den' Läufer bei dem Ausfuhrungsbeispiel nach eoFig. 6 bilden.

Fig. 7 B 4-;&fc-ve^n.e/.rS.c.hiR-itt-?'Ss-itB.n-an-s,i-ßh-t der. Laufertnagneten,·;: die- den Läufer -gerrräß .den Fig.-, 6^: und 7Ä .. ν bilden,; und-ziyiar-längs; 4er Linie VIIBr-VIJB' «. ;

Fig. 8 ist ei,ne_: vDaPstellufigV die:..die^ Magnetflußdicjhte-Verteilung, -in-,.? djer;; ,Umgeb/ungrveine-r - Stir nf. Lache . eines. ZyMnd^fcsGto^n " Lauifsrs mit Hilf;smagnetpoleh veranscßauliGht,-, dereii^: Magnet is ie rung sbereich-. ■< , Winkel .kleiner ,ale -.ein., elektrischer Winkel, von TL/Q rad": ist. . :--■.·.. .'■·'■· '·.--·- ·>- -^;, -"-.--.

Fig.; 9- ist eine Darstellung j- tile -den Fall jveranschau--' .-■... . licht, daß b&ir dem iAusiühFUhgsbelspiel . die Aus-

. - . ■ , gangsspannung eines*:■. Hallgenerators^ größer, als

.die Ausgangsspannung -des. anderen Hall gene mtors 35

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^ Fig. 10 A ist eine Darstellung der Kurvenformen der Ausgangsspannungen der Hallgeneratoren in dem Elektromotor gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6.

Fig. 10 B ist eine Darstellung der Kurvenformen der durch die Ankerwicklungen des Elektromotors gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 fließenden Ströme

In der Zeichnung sind durchgehend gleiche oder einander entsprechende Elemente oder Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Vor der Beschreibung des· Ausführungsbeispiels des Elektromotors wird zur Verdeutlichung

^5 ein herkömmlicher kommutatorloser Elektromotor beschrieben.

Die Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels für einen herkömmlichen kommutatorlosen Elektromotor

*Q in Ansicht von einer Seite seiner Drehwelle her» la, Ib, Ic und Id sind 4-Phasen-Ankerwicklungen, die einen Ständer bilden, wobei die jeweiligen Wicklungen hinsichtlich des elektrischen Winkels voneinander in einem Abstand von Kl2 stehen. 2a, 2b, 2c und 2d sind 4-Pol-Haupt-

·" magnetpole von Drehantriebsmagneten, die einen Rotor bzw. Läufer bilden, wobei die N-und S-PoIe der Magneten in Umfängsrichtung abwechselnd angeordnet sind und eine Achse, die durch den N-PoI und den S-PoI eines jeweiligen Magneten· hindurchverläuft, sich in der Richtung des Ra-

dius des Läufers erstreckt. HGl und HG2 sind Hallgeneratoren, die als Drehs tellungs-Erfassungselemente wirken, welche die Drehstellung der den Läufer bildenden vierpoligen Magnete ermitteln, wobei die Hallgeneratoren in einem Abstand eines elektrischen Winkels von <(-/2 angeordnet sind.

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Die Fip;. 2 ist ein Schaltbild eines Stromschaltkreises zum Umschalten der über die Ankerwicklungen des Elektromotors dieser Art fließenden Ströme. Es wird hier zwar beschrieben, daß der Schaltkreis nach Fig. 2 zusammen mit dem herkömmlichen Motor nach Fig. 1 arbeitet, jedoch kann dieser Schaltkreis auch für den Motor gemäß dem

später beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet werden. Transistoren Xl, X2, X'3 und X4 haben einen gemeinsamen Emitter, während ihre Basen jeweils an Ausgangsan-Schlüsse a, b, c und d der Hallgeneratoren HGl und HG2 so angeschlossen sind, daß diese vier Transistoren Xl, X2, X3 und X4 einen Differenzverstärker mit vier Eingängen bilden. VRl ist ein veränderbarer Widerstand für den Ausgleich der Gleichstrompotentiale an den Ausgangsanschlüssen der Hallgeneratoren HGl und HG2; der Widerstand ist so ausgebildet, daß die Gleichstrompotentiale an den Ausgangsanschlüssen der Hallgeneratoren einander gleich sind, wenn die beider} Hallgeneratoren HGl und

HG2 in einem magnetisch freien Feld angeordnet sind.
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Die Hallgeneratoren HGl und HG2 entwickeln an ihren Ausgangsspannungs-Anschlüssen a, b, c, und d Ausgangsspannungen auf den Empfang von Magnetfluß aus den Magnetpolen 2a, 2b, 2c und 2d hin, die den Läufer bilden. Die Fig.

*^J 3A zeigt die Kurvenformen der Ausgangsspannungen an den Ausgangsanschlüssen a, ■ b, c und d der Hallgeneratoren HGl und' HG2.

An den Auspangsanschlüssen a, b, c, und d der Hallgenera-

toren HGl und HG2 werden Spannungen entwickelt, die sich in Übereinstimmung mit dem Umlauf der den Läufer bildenden Magneten verändern. Die Emitter-Kollektor-Strecke eines der Transistoren Xl, X2, X3 oder X4, der der niedrigsten Spannung aus den Spannungen an den Anschlüssen

a, b, c und d entspricht, wird leitend bzw. durchgeschal-

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tet, während die übrigen Transistoren gesperrt werden. Ein von den gemeinsamen bzw. zusammengeschalteten Emittern der Transistoren Xl, X2, X3 und X4 her zugeführter Steuerstrom I fließt über den Kollektor des leitenden
Transistors zur Basis eines entsprechenden Transistors aus Transistoren X5, X6, X7 und X8, so daß ein Strom, der dem !^„-fachen des Basisstroms des Transistors entspricht, in eine entsprechende Ankerwicklung aus den Ankerwicklungen la, Ib, lc und ld fließt; ein dadurch erzeugtes Magnetfeld wirkt an dem Magnetfeld der Magneten, die den Läufer bilden, so daß der Läufer ein Drehmoment erzeugt. Da danach sich die Ausgangsspannungen an den Ausgangsanschlüssen a, b, c und d der Hallgeneratoren HGl und HG2 gemäß den Kurven 20a, 20b, 20c und 2Od nach Fig. 3A aufgrund der Drehung des Läufers, nämlich der Magneten verändern, werden die Ströme gemäß der Darstellung durch die Kurven 21a, 21b, 21c und 21d ' nach Fig. 3B in Aufeinanderfolge an den Ankerwicklungen la, Ib, lc und ld umgeschaltet, womit in dem Läufer ein kontinuierliches Drehmoment entsteht.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrads des herkömmlichen gewöhnlichen kommutatorlosen Elektromotors, der auf die vorstehend beschriebene Weise arbeitet, ist es notwendig, daß der Magnetfluß der den Läufer bildenden Magneten hohe Intensität hat.

Dieser Magnetfluß ¹Pg wird ausgedrückt durch:
. y'-g = Bg . A

wobei Bg die Magnetflußdichte der Magneten des Läufers ist und

A die wirksame Fläche ist. '"
D.h., der Magnetfluß ^g ist proportional zu der wirksamen

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Fläche, so daß daher eine Rechteck-Magnetisierung wirksam für das Anheben des Wirkungsgrads der Elektromotoren ist.

Bei den herkömmlichen kommutatorlosen Elektromotoren wird ein zylindrischer Permanentmagnet durch Magnetisierung in der Weise geformt, daß N- und S-PoIe abwechselnd an seiner Innenseite in Umfangsrichtung angeordnet werden, um an seiner Innenseite in Umfangsrichtung eine rechteckwellenartige Magnetflußverteilung zu schaffen; daher wird der Flußwinkel, der der Speisungszeitdauer entspricht, des über die jeweiligen Ankerwicklungen fließenden Stroms dadurch bestimmt, daß die Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsspannungen der Hallgeneratoren verwendet wird.

Die Fig. 4 ist ein Kurvenformdiagramm, das die Ausgangsspannungen an den Ausgangsanschlüssen a und b der Hallgeneratoren HGl und HG2 zeigt, wobei die Ausgangsspannungen mit 20a bzw. 20b bezeichnet sind. Ein Ort P ist der

Schnittpunkt zwischen den Ausgangsspannungs-Kurven 20a und 20b und stellt einen Schaltpunkt bzw. Schaltmoment für die durch die Ankerwicklungen la und. Ib fließenden Ströme dar. Da gemäß dieser Darstellung die Hallgeneratoren HGl und HG2 Ausgangsspannungen im Ansprechen auf den Magnetfluß aus den Magnetpolen erzeugen, die durch eine derartige Magnetisierung geformt wurden, daß die Magnetflußverteilung an der Innenseite des zylindrischen Läufers eine Rechteckwelle darstellt, nehmen auch die

™ Kurvenformen der Ausgangsspannungen der jeweiligen Hallgeneratoren HGl und HG2 eine rechteckförmige· Kurvenform an. Daher ist in der Umgebung des Schnittpunkts und der Ausgangsspannungs-Kurven die Neigung der Ausgangsspannungs-Kurvonform gering, so daß daher der Stromflußwinkel des Stromr. durch die Ankerwicklungen fehlerhaft sein

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kann, was aufgrund des Unterschieds zwischen den Ausgangsspannungen der beiden Hallgeneratoren HGl und HG2, eines Fehlers bei der mechanischen Anbringungslage der Hallgeneratoren oder Fehlerspannungen bei dem auf die Ausgangsspannungen der Hallgeneratoren HGl und HG2 ansprechenden Spannungsvergleichsteil beruhenden Auftreten von Drehmoraent-Welligkeits bzw. Schwankungen des Drehmoments in dem Läufer ergibt.

Eine in Fig. 4 als gestrichelte Linie dargestellte Kurve 20b' zeigt· den Zustand, bei dem der Ausgangsanschluß b des Hallgenerators HG2 eine höhere Ausgangsspannung als der Ausgangsanschluß a des Hallgenerators HGl hat. In diesem Fall wird der Schaltpunkt des über die Ankerwicklungen fließenden Stroms von P um *?e auf P' verschoben.

Die Ausgangsspannung eines jeden der Hallgeneratoren HGl und HG2, die als Hallspannung bezeichnet wird, ist durch die folgende Gleichung gegeben:

VH * KH . Bg . IH

wobei VH die Hallspannung ist, KH eine Hallkonstante ist, Bg die Flußdichte ist und IH der Eingangsstrom ist.

D.h., die Hallspannung ist proportional zur Flußdichte Bg des den Hallgenerator HGl oder HG2 durchsetzenden Hagnetflusses und zu dem Eingangsstrom IH des Hallgenerators.

Die Fig. 5 zeigt die Magnetflußdichte-Verteilung der

den Läufer bildenden Magneten und die Magnetflußdichte-Verteilung an der Fläche "des Hallgenerators HGl oder ^ HG2, der diesen Magnetfluß aufnimmt; mit A ist die Fluß-

W * W

^ - -'^:--^: : L -12- DE 1828

dichte in der Umgebung der--Innenfläche der Magneten bezeichnet,, die den zylindrischen Läufer bilden} mit B ,.ist. . die Flußdichte" in' der Umgebung der Stirnseite der Permanentmagneten bezeichnet, an der die Hallgeneratoren S angeordnet sind»'Wie' aus dieser Darstellung --ersichtlich ist, ist die Magnetflußdichte' in der """ Umgebung der Stirnfläche der Magneten, an der die Hall generatoren HGl und HG2 angeordnet sind, geringer als diejenige in der Umgebung der Innenfläche der Magneten, die den Cäufer-bilden. Demgemäß, sind..bei den herkömmlichen Elektromotoren die Ausgangsspannungen der Hall generatoren HGl und HG2 nied-. r_tig..Da im. Falle der Verwendung des Änkersirbm-Sfch&lt-" kreis.es der Differenzausführung mit vier Eingängen gemäß der Darstellung „in Piβ. 2" der Spannungiuntersehied' zwisehen den Baslaspannungeh der Transistoren XIv Xg, X3 und X.4 wegen der geringen"Ausgangaspannungen der Hai Ige-..neratoren HGl und HGiT klein ist""," wird das Umsehalten" .. .,der .Ankerströme langsam bzw. Verzögert,!wodurch der Flußwinkel verbreitert wird; dies kann au e'iner'^;'Versc"hIeehterung de.B Wirkungsgrads und zu einer Abweichung hin» . , sichtlich des Sehaltpunkts 'der Anke rs tröme" führen.^;

Daher werden bei dem herkömmliehin Elektromotor die Eingangsströme der "Hallgeneratoren' HGl und HG2 gesteigert und so eingeregelt, daß die Ausgangaspannuhgen der HaIlgeneratoren HGl und HG2 nicht absinken. Hierin bestehen jedoch Problerne Insofern, als hinsichtlich" des maximalen Ein^angsstroma der .Hallgeneratoren HGl und HG2 eine Grenze . besteht, und der "Stromverbrauch der Hall generatoren

^- ansteigt.

Bei,.dem AuafUhrungabeiBpiel des Elektromotors- werden diese vorstehend beschriebenen herkömmliehen Unzuläng» lichkei,ten behoben, was anhand des Ausführungsbeispiels erläutert wird. "

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Die Fig. 6 ist eirte Darstellung des Aufbaus des komrnutatorlosen Elektromotors gemäß dem Ausführungsbeispiel, während die Fig. 7A und 7B eine Draufsicht bzw. eine Schnitt-Seitenansicht von Magneten sind, die einen zylindrischen Läufer des Motors nach Fig. 6 bilden, wobei die Gestaltung des Läufers das wesentliche Merkmal des Elektromotors darstellt.,

Bei diesen Darstellungen ist 3 ein mit Mehrphasen-
^O Ankerwicklungen versehener Ständer, der an einem Ständerjoch 4 befestigt ist, das einen Lagerteil 4a mit einer Drehwelle in dessen Mitte hat. 5 ist die Drehwelle, die drehbar mittels des Lagerteils 4a gelagert ist; an diese Drehwelle 5 ist an der Oberseite ein Laufer-Außenjoch ^ 6 befestigt, das die Form eines umgekippten Bechers hat; an der Innenfläche des Läufer-Außenjochs 6 ist ein Läufer 7 aus zylindrischen Magneten mit einem vorgegebenen Zwischenraum zwischen seiner Innenfläche und der Außenfläche des Ständers 3 befestigt. 6' ist ein Laufer-Innenjoch,

^ζυ das die Form eines umgekippten Bechers hat und dessen Oberseite an der Drehwelle 5 mit einem vorgegebenen Zwischenraum zwischen seiner Außenfläche und der Innenfläche des Ständers 3 befestigt ist.

^iJ Der Läufer aus zylindrischen Permanentmagneten ist durch Magnetisierung in der Weise geformt, daß in der Umfangsrichtung N- und S-PoIe abwechselnd angeordnet sind, während eine durch den N-PoI und den S-PoI eines jeweiligen Hauptmagnetpols 7a, 7b, 7c und 7d für den Drehantrieb

laufende Achse sich radial von der Mittelachse des zylindrischen Läufers 7 weg erstreckt. Diese Anordnung der Magneten ist die gleiche wie bei dem vorangehend beschriebenen herkömmlichen Elektromotor; der bei dem

Ausführungsbeispiel verwendete Läufer 7 unterscheidet

sich von dem herkömmlichen Läufer darin, daß zusätzlich

isaa

sind. Diese Hil£gmagn@tp©l§ 7a¹, 7fe^l, 7e» und Td¹ sind an einer Stirnseite d©g Läufer 7 (nämlieh dem unteren Ende dgs Läufers 7 gemäß den Fig, 6 und 71) dureh ttilwtiees Magnetisieren dee LMufftr© 7 ausgebildet, der sehen im Voraus gur Bildung der Hauptrnagnetp©!® 7a, 7b, 7e und 7d magnetisiert wurde. Jtder der Hllfimagnttpole 7a¹, 7b¹, 7e' und 7d' igt derart tu
daß iin© dureh den N-PoI und den S-P©i ©in©i

Magn@ti§i§runggb©Piiehi lauftnde Aehü lieh axial ©rstreckt (namlieh parallel au der Mitfe§laeh§§ de§ Läuftn 7); der Map,nstiiiefunggbiP©iQh«V/inkil, dtp dtm i©gtnau§- maß ©iriig jeweiligsn magn©tisl©rt©n Bereiehg ©ntiprieht, ist weitaus kleiner als der Magnttig.itruniibtPtieh-Win»' kel von ilnem d©r Hauptmagn§tp©li 7a, 7b, 7e und 7d. Der Magneti@ierunggbersieh°Wink§l wird auf ilnen W©rt gewühlt, der hlnilehtlleh du tliktrisehtn Winktli annähernd gwisehin 't/g und %/B rad liegt. Di§ Anzahl dti* Hauptmagnitpoli 7a, 7b, 7e und 7d igt gltieh der Ansahl der Hilfsmagnetpole 7a¹, 7b¹, 7e' und 7d'. Wi§ aui d©r Fig. 7A greiehtlieh life, igt j©d§r= dtr Hilfimagn©tp©lt 7a¹, 7b¹, 7e' und Vd¹ in dir Mitte einig indti bgw. tingr Stirnüiti sines jeweiligen H&uptmagnttpeli 7a, 7b, 7e bgw. 7d angsorän©t_a

In der [Hg. 7A Lit SM dir Main§tiii§rungib§rtieh«Wink§l der flaupfcm.-ifinetpeie 7a, 7b, 7e und 7d, wtthrtnd # i dtr Maöii@tiiiyrungsbirileh=Wink©l dir gtnannten Hilfsfflag=· netpele igI.

D©r Magnetieiiruniibirgieh^Wlnkel Θ B dir Hilfimagnttp©« Ii 7a¹, 7b¹, 7β· und 7d' hat wtnigtr als yt/2 rad, da ©in© V^rb§si@rung hiniiehtlieh dir Drihmemtnt»Willigkeit girlng wfelro, wenn hiniiehtlieh dgl §l§ktriieh©n Winkel©

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wäre. Falls jedoch der Magnetisierungisbereich-Winkel kleiner als ti-/8 rad gewählt wird, tritt eine Schwierigkeit insofern auf, als gemäß der Darstellung in der Fig. 8 die Magnetflußverteilung an der Stirnseite des zylindrischen Läufers 7 gestört wird.

Auch wenn der Magnetisierungsbereich-Winkel kleiner als 7t/8 rad ist, kommt die Magnetflußdichte-Verteilung an den Stirnseiten der Läufermagneten der trapezartigen Magnetflußdichte-Verteilung gemäß der Darstellung durch die Kurve C in Fig. 5 nahe, wenn die Magnetisierungskraft gesteigert wird. Da jedoch die Magnetflußdichte der Hauptmagnetpole 7a bis 7d für den Drehantrieb abnimmt, würde das Drehmoment abnehmen.

Wenn gemäß Versuchen die Magnetisierung der genannten Hilfsmagnetpole 7a¹ bis 7d' mit einem Magnetisierungsbe reich-Winkel zwischen TC-/2 und /^/8 hinsichtlich des elektrischen Winkels herbeigeführt wird, ergibt sich eine zufriedenstellende Magnetflußverteilung ohne Absenkung des Drehmoments.

Die Magnetflußdichte-Verteilung in der Umgebung der Stirnseiten der Permanentmagneten mit den durch die Magnetisierung gebildeten Hilfsmagnetpolen 7a¹ bis 7d' ist mit der Kurve C in der Fig. 5 dargestellt. Vergleicht man diese Magnetflußdichte-Verteilung (Kurve C) mit der Magnetflußdichte-Verteilunp, (Kurve B) bei

dem herkömmlichen Elektromotor,· so ist die maximale on
^ov/ Magnetflußdichte bei der ersteren Verteilung größer als das Doppelte der letztgenannten Verteilung, wobei die Verteilung die Form eines Trapezes hat.

Die Fig. 9 ist eine Kurvenformdarstellung von Ausgangs-

spannungen 22a und 22b an den Ausgangsanschlüssen a

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und b der Hallgeneratoren HGl und HG2 in dem Fall, daß der Läufer 7 mit den Hilfsmagnetpolen 7a¹ bis 7d* gemäß der vorangehenden Beschreibung verwendet wird und ein dem in Fig. 2 dargestellten gleichartiger Ankerstrom-Schaltkreis angewandt wird. Falls in diesem Fall die Ausgangsspannupg an dem Ausgangsanschluß b des Hallgenerators HG2 größer als die Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluß a des anderen Hallgenerators HGl wird, wie es durch die Kurve 22b' dargestellt ist, wird der Ankerstrom-Schaltpunkt von dem Ort 0 um Qe* zu dem Ort Q¹ versetzt. Diese Versetzung ist jedoch beträchtlich geringer als die Versetzung Ge des Ankerstrom-Schaltpunkts bei. dem herkömmlichen Motor (siehe -Fig.4). Damit ist eine beträchtliche Verbesserung erzielt.

22a, 22b, 22c und 22d in Fig. 1OA sind Kurvenformen von Ausgangsspannungen an den Ausgangsanschlüssen a, b, c und d der Hallgeneratoren HGl und HG2, die bei dem Ausführungsbeispiel des Elektromotors an einen Ankerstrom-Schaltkreis wie denjenigen nach Fig. 2 angeschlossen sind, während 23a, 23b, 23c und 23d nach Fig. 1OB Kurvenformen der Ankerströme sind. Bei diesen Kurvenformdarstellungen zeigen gestrichelte Linien Ausgangsspannungs-Kurvenformen in dem Fall, daß die Ausgangsspannung eines Hallgenerators größer als diejenige des anderen ist, und Kurvenformen von Ankerströmen, deren Flußwinkel dementsprechend verändert ist. Da in einem derartigen Fall die Abweichung des Stromschaltpunkts des Ankerstroms bei dem AusfUhrungsbeispiel ge ring ist, wie es anhand der Fig. 9 beschrieben wurde, ist die Flußwinkel-Änderung der Ankerströme bei dem Ausführungsbeispiel geringer als diejenige bei dem
vorangehend beschriebenen herkömmlichen Elektromotor, der durch Schwankungen hinsichtlich der Ausgangsspannun-

°^ gen der HaL!generatoren HGl und HG2 beeinträchtigt ist.

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Daher ist ersichtlich, daß bei dem Ausführungsbeispiel die auf Flußwinke1-Änderungen der Ankerströme beruhende Drehmoment-Welligkeit beträchtlich verbessert werden kann.
5

Ferner können Flußwinkel-Schwankungen der Ankerströme verbessert werden, die auf Fehler bei der mechanischen Anbringungslage der Hallgeneratoren HGl und HG2 und auf Fehlerspannungen in dem Vergleichsteil für die Ausgangsspannungen der Hallgeneratoren HGl und HG2 beruhen (beispielsweise auf Änderungen der Basis-Ernitter-Spannung V_ßE der Transistoren Xl bis X4 nach Fig. 2).

Da darüberhinaus durch das Ausbilden der Hilfsmagnetpole 7a¹ bis 7d' die Magnetflußdichte an der Stirnseite des zylindrischen Läufers 7 auf einen Wert gesteigert werden kann, der annähernd doppelt so groß ist wie der Wert bei dem herkömmlichen Elektromotor, können die Eingangsströme der Hall generatoren HGl und HG2 auf die Hälfte derjenigen bei dem. herkömmlichen Elektromotor verringert werden, so daß es daher möglich ist, den Stromverbrauch zu verringern.

Der Läufer 7 bei dem Ausführungsbeispiel soll zwar in der Weise hergestellt werden, daß die Hauptmagnetpole 7a bis 7d und die Hilfsmagnetpole 7a¹ bis 7d' durch Magnetisieren eines isotropen Ferritmagneten geformt werden, jedoch kann auch ein anisotroper Ferritmagnet so verwendet werden, daß zwei anisotrope Achsen jeweils

3" den sich radial erstreckenden Hauptma^netpolen bzw. den sich axial erstreckenden Hilfsmagnetpolen entspre-

. chen.

Als Ausüihrungsbeispiel wurde *ein kommutatorloser Vierpha- *" sen-Elektromotor mit Hallgeneratoren als Läufer-Dreh-

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stellungs-Erfascungru; lementen beschrieben; die vorstehend erläuterten Ergebnisse sind jedoch auch in dem Fall vorauszusehen, daß Magnetwiderstand-Elemente verwendet werden, sowie auch für kommutatorlose Elek.tromotorcn, die nicht vierphasig sind.

Aus dorn Vorstehenden ist ersichtlich, daß bei dem Elektromotor die Drohstellung des Läufers genau erfaßt werden kann und daher der Stromschal.tkreis für das Umschalten dor Ankeratrönio mittels der genauen Information aus aen Erfassungselementen gesteuert wird, so daß ein auf einem Kehler hinsichtlich der Drehstellungs-Erfassung beruhender Fehler bezüglich des Flußwinkels der Ankert".tröinc; sehr gering ist. Demzufolge werden die Ankerwicklungen in der anzustrebenden Weise erregt, wodurch die unerwünschte Drehmoment-Welligkeit verringert wird.

Es itit ferner möglich, die Ausgangssignale der Drehstellungs-Erfussungselemente zu steigern und die von den Drehstellunga-Erfassungselementen verbrauchten Ströme zu verringern.

Ein kommutcitorlooer Elektromotor hat einen zylindrischen Magnet-Läui'er (7) mit Hauptmagnetpolen (7a, 7b, 7c, 7d), bei denen N- und S-PoIe in der Unifangsrichtung abwechselnd angeordnet sind und eine Achse des N- und 13-Po K¹:; ei in; ti Jeweiligen Magneten «ich radial erstreckt, und Hi 1 fisiiiiii'nutpale (V¹) an einer StJ riuseitu dos zylin -

driuclien L.iuferu. Üio Hi If üinagnetpole sind derart angeordnet, daß sich die N- und S-PoIe eines jeweiligen magnetisieren Bereichs axial erstrecken. Der einen jeweiligen Hilfsmagnetpol bildende magnetisierte Bereich hat hinsichtlich des elektrischen Winkels ein Bogenaus-

maß (^ S) von TC/2 oder weniger. Jeder der einen jewei-

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ligen Hilf stnagne tpol bildenden magnet!;; i orten Bereiche ergibt eine vorgegebene Änderung der Magnetflußdichte-Verteilung in der Umgebung von Drehstellungs-Erfassungselementen (HGl, HG2) in der Weise, daß die Drehstellung des Läufers genau erfaßt werden kann. Demzufolge wird ein Stromschaltkreis für das Umschalten von Ankerströmen mittels der genauen Informationen aus den Erfassungcelementen gesteuert, so daß daher jede Ankerwicklung in der anzustrebenden Vie i se erregt wird und damit eine unerwünschte Drehmoment-Welligkeit verringert wird.

Claims

Patentansprüche

1. Kommutatorloser Elektromotor, gekennzeichnet durch einen mit Mehrphasen-Ankerwicklungen (la bis Id) versehenen Ständer (3), einen zylindrischen Läufer (7) mit Hauptmagnetpole (7a bis 7d) enthaltenden Drehantriebsmagneten, die durch Magnetisierung in einer
Weise gebildet sind, daß in Umfangsrichtung abwechselnd I\I- und S-PoIe angeordnet sind und eine durch den K-PoI und den S-PoI eines jeweiligen Magneten laufende Achse sich radial erstreckt, mehrere Hilfsmagnetpole (7a¹ bis 7d'), die an einer Stirnseite des Läufers durch Magnetisierung in der Weise gebildet sind, daß sich eine durch den N-PoI und den S-PoI derselben verlaufende Achse axial erstreckt und daß der Magnetisierungsbereich-V/inkel
(Os) derselben in Bezug auf die Mittelachse des Läufers weitaus kleiner als der Magnetisierungsbereich-Winkel ( Θ M) der Hauptmagnetpole ist und im elektrischen Winkel kleiner als "TC-/2 rad ist, mehrere Drehstel-

lungs-Erfassungselemente (HGl, HG2), die zur Ermittlung der Lage der Hilfsmagnetpole des Läufers angebracht sind, und eine Stromschalteinrichtung (Fig.2), mit der entsprechend den Signalen aus den mehreren Drehstellungs-Erfassungselementen die durch die Mehrphasen-Ankerwicklungen

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fließenden Ströme umschaltbar sind.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetisierbereich-Winkel (Q S) der Hilfsrnagnetpole (7a¹ bis 7d') einen elektrischen Winkel von mehr als TC/8 rad hat.

3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstellungs-Erfassungselemente (HGl, HG2) Hallgeneratoren sind.

4. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Hilfsnragnetpo-Ie (7a¹ bis 7d') in der Mitte von jeweiligen Hauptmagnetpolen (7a bis 7d) angeordnet sind.

5. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Hilfsmagnetpo-Ie (7a¹ bis 7d') gleich der Anzahl der Hauptmagnetpole (7a bis 7d) ist.