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Bürstenloser Gleichstrommotor.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor
mit einem aus gestanzten Blechen aufgebauten Stator. Der Stator dient zur Aufnahme
einer oder mehrerer Statorwicklungen, wobei zu diesem Zweck vorzugsweise Nuten im
Stator ausgebildet sind. Ein auf der Motorachse angeordneter Rotor weist mehrere
Permanentmagnete auf, die durch einen Luftspalt getrennt gegenüber dem Stator angeordnet
sind. Die Statorwicklungen sind aufeinanderfolgend derart erregbar, daß ein den
Rotor in Drehung versetzendes Drehfeld erzeugt wird.
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Derartige bürstenlose Gleichstrommotore sind bereits aus der DE-OS
28 34 523 sowie der folgenden Literaturstelle bekannt: Engineering Handbook der
Electrocraft Corporation mit dem Titel "DC-Motors Speed Control Service Systems",
4. Auflage 1978.
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Diese bekannten bürstenlosen Gleichstrommotoren sind, wie auch der
Motor gemäß der Erfindung, insbesondere für Servo-Antriebe geeignet. Ein wichtiger
Vorteil dieser bekannten Motoren besteht darin, daß die in den Wicklungen erzeugte
Wärme jedenfalls dann leicht abgeführt werden kann, wenn die Wicklungen im Stator
ausgebildet sind. Weitere Vorteile sind die folgenden: Absolute Wartungsfreiheit
wegen des Fehlens elektromechanischer Verschleißteile. Hohes Leistungsgewicht. Keine
Einschränkung des Beschleunigungsmoments durch Kommutierungsgrenzen und mehrfaches,
auch im Stillstand verfügbares, Nennmoment im Kurzschlußbetrieb. Allerdings kann
es bei den bekannten bürstenlosen Gleichstrommotoren zu Einbauschwierigkeiten
in
andere Maschinen kommen, und ferner können die Herstellungskosten für einen gewünschten
Anwendungszweck von Nachteil sein.
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Sogenannte Scheibenläufer-Gleichstrommotoren haben für viele Anwendungsfälle
eine günstige Baugröße, zeigen jedoch insbesondere den Nachteil, daß ihre Wicklungen
schlecht kühlbar sind, was beispielsweise die Einschaltdauer dieser Motore wegen
der thermischen Belastung begrenzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes
der Technik zu überwinden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung insbesondere bei einem
bürstenlosen Gleichstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vor, daß Stator
und Rotor derart bezüglich einander angeordnet sind, daß das den Luftspalt durchsetzende
Magnetfeld axial verläuft.
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Bevorzugte Ausgestaltungen derErfindung ergeben sich insbesondere
aus den Unteransprüchen.
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Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich
aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung
zeigt: Fig. 1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
bürstenlosen Gleichstrommotors mit zwei Wicklungsanordnungen; Fig. 2 ein zweites
Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung einer Wicklungsanordnung; Fig.
3 einen bürstenlosen Cleichstrommotor im Schnitt, und zwar ausgebildet gemäß dem
prinzipiellen Ausführungsbeispiel der Fig. 1;
Fig. 4 einen erfindungsgemäßen
Gleichstrommotor im Schnitt, und zwar ausgebildet gemäß dem prinzipiellen Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 2; Fig. 5a einen Schnitt durch eine von einem Stator getragene Wicklungsanordnung;
Fig. 5b die Wicklungsanordnung gemäß Fig. 5a in "abgewickeltem" Zustand; Fig. 6
eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Stators; Fig. 7 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Permanent-Magneten.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen kollektorlosen oder bürstenlosen
Permanent-Magnet-Servo-Antrieb.
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Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines gemäß der Erfindung ausgebildeten
Permanentmagnet-Drehstrom-servo-Motorss der nach dem Gesetz von Lorenz wie ein konventioneller
Gleichstrommotor arbeitet. Der erfindungsgemäße Motor 1 weist einen Rotor 2 sowie
benachbart dazu angeordnete Statorwicklungsanordnungen 5 und 6 auf, die jeweils
von einem Stator 3 bzw. 4 getragen werden. Ein Gehäuse 7 umgibt den Rotor 2 sowie
die Statoren 3 und 4. Die beiden Statoren sind aus Blech aufgebaut, und zwar vorzugsweise
aus gestanztem und gewickeltem Blech. Die elektrischen Leiter der Wicklungsanordnungen
5 und 6 sind vorzugsweise in, in Fig. 1 nicht gezeigten, Statornuten radial angeordnet.
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Der Rotor 2 wird von einer Motorwelle 8 getragen und weist Magnetabschnitte
9, 10 mit abwechselnder Polarität auf. Beispielsweise haben die Abschnitte 9 jeweils
einen in Richtung der Ankerwicklungsanordnung 6 weisenden Nordpol und einen in Richtung
der Ankerwicklungsanordnung 5 weisenden Südpol. Für die Abschnitte 10 gilt entsprechend
das Umgekehrte.
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Bei Erregung der Wicklungsanordnungen 5 und 6 in an sich bekannter
Weise über eine (nicht gezeigte) elektronische Komnutienu7gseinrichtung kann der
Rotor 2 in Drehungen versetzt werden. Nachdem es sich bei dem erfindungsgemäßen
Motor um einen sogenannten kollektorlosen Motor handelt, kann die Kommutierungseinrichtung
beispielsweise in der Art vorgesehen sein, wie dies für den bereits in der Beschreibungseinleitung
erwähnten kollektorlosen Gleichstrommotor in der DE-OS 28 34 523 beschrieben wurde.
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Auf eine Beschreibung der Kommutierungseinrichtung kann daher hier
verzichtet werden.
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Erfindungsgemäß sind die Statoren 3 und 4 einerseits und der Rotor
2 andererseits derart bezüglich einander angeordnet, daß das den Luftspalt zwischen
Rotor und Statoren durchlaufende Magnetfeld axial, das heißt in Richtung der Motorwellenachse
11 verläuft. Jeder der Statoren 3 und 4 in Fig. 1 weist einen nicht näher bezeichneten
Rückschlußring auf, der den magnetischen Kreis schließt.
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Fig. 2 veranschaulicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
welches als ein Spezialfall der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 1 angesehen
werden kann. Soweit sinnvoll, wurden beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 die gleichen
Bezugszeichen wie beim Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 verwendet. Beim Ausführungsbeispiel
gem. Fig. 2 ist nur ein Stator 3 vorgesehen, bei dem die zur Aufnahme einer drei
Wicklungen 0 2 und 03 aufweisenden Wicklungsanordnung dienenden Nuten 12 deutlich
zu erkennen sind. Ferner ist der Blechaufbau des Stators 3 gut zu sehen.
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Zusammen mit dem Stator 3 ist ferner an der vom Rotor 2 abgewandten
Seite ein Rückschlußring 13 einstückig mit dem Stator 3 ausgebildet.
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Ein weiterer Rückschlußring 14, ebenfalls aus Blech aufgebaut, befindet
sich auf der entgegengesetzt liegenden Seite des Rotors 2. In etwa stabförmig ausgebildete
Magnete 15, 16 mit abwechselnder Polarität wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.
1
werden vom Rotor getragen und sind durch ein um den Umfang des
Rotors 2 herum verlaufendes Band 20 gehaltert.
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Fig. 3 zeigt in konkreterer Darstellung einen erfindungsgemäßen Motor
1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Der Motor 1 weist ein aus einem nichtmagnetischen
Material bestehendes Gehäuse 21 auf, in dem die Welle 8 drehbar gelagert ist. Durch
Befestigungsmittel in der Form von Schrauben 22 ist Stator 4 zusammen mit der von
ihm getragenen Wicklungsanordnung 6 an einer Wand des Gehäuses 21 befestigt. Eine
entgegengesetzt liegende Wand des Gehäuses 21 trägt einen Stator 3, der mit der
Wicklungsanordnung 5 ausgestattet ist. Die Befestigung des Stators 3 an der Seitenwand
des Gehäuses 21 erfolgt durch Befestigungsmittel 23 in der Form von Schrauben. Die
beiden Statoren weisen mit ihren genuteten Flächen aufeinander zu, wobei zwischen
diesen Flächen unter Bildung zweier Luftspalte ein Raum zur Aufnahme des Rotors
2 vorhanden ist, der von der Motorwelle 8 getragen wird. Der Rotor 2 weist einen
aus Al, Messing oder Plaskik bestehenden Ankerkörper 60 auf, der Permanentmagnete
15,16 vorzugsweise der in Fig.2 gezeigten Form trägt,so daß der Rotor 2 bei Erregung
der Statorwicklungsanordnungen 5, 6 in Drehung versetzt wird. Ersichtlich sind Rotor
2 und die Statoren 3,4 derart bezüglich einander angeordnet, daß das die Luftspalte
durchlaufende Magnetfeld axial, d.h. in Richtung der Achse 11 des Motors verläuft.
Ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 für den Stator 3 dargestellt, weist
der Stator 3 gem. Fig. 3 einen Rückschlußring 13 auf, und der Stator 4 weist einen
Rückschlußring 44 auf. Von der an sich bekannten Kommutierungssteuerung ist - vgl.
Fig. 3 - eine Kodierscheibe 24 auf der Welle 8 und eine Gabellichtschranke 29 am
Gehäuse befestigt dargestellt.
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Diese Bauteile sind wohlbekannt, so daß hier auf eine nähere Beschreibung
verzichtet werden kann.
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Vorzugsweise besteht das Gehäuse 21 aus zwei Gehäusehälften, die durch
Schraubverbindungen 61 miteinander verbindbar sind. Die Schraubverbindungen 61 ermöglichen
auch eine Justierung des bzw. der Ankerspalte.
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Fig. 4 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, welches
den Prinzipaufbau der Fig. 2 verwendet. In nicht näher dargestellter Weise ist ein
Stator 3 mit seinem Rückschlußring 13 am Motorgehäuse 21 befestigt. Eine Wicklungsanordnung
5 ist in in Radialrichtung verlaufenden Nuten 12 angeordnet und erzeugt ein Magnetfeld,
welches in Richtung der Achse 11, aber radial gegenüber dieser versetzt, verläuft.
Ein Rückschlußring 14 bildet zusammen mit der darauf hinweisenden Seite des Stators
3 einen Spalt zur Aufnahme des Permanent-Magneten 15, 16 tragenden Rotors 2, der
seinerseits auf der Motorwelle 8 sitzt.
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Bei allen Ausführungsbeispielen kann, wie erwähnt, der Körper 60 des
Rotors 2 aus einem nichtmagnetischen Leichtmetall oder Kunststoff bestehen, da durch
die Anordnung der Rotormagnete 9, 10, 15, 16 kein magnetischer Fluß durch den Rotorkörper
60 verläuft. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 kann der Körper des Rotors insbesondere
als ein Gußteil hergestellt werden. Dies ermöglicht es, daß der Körper des Rotors
2 gleichzeitig noch als Codierscheibe oder Codiertrommel 24 mit einer Gabellichtschranke
29 zusammenarbeitet, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
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Fig. 5a zeigt die schematische Draufsicht auf einen Stator, und zwar
von den Einschnitten der Nuten 12 her. Es ist dabei dargestellt, wie die Wicklungsanordnung
vorgesehen sein kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Wicklungsanordnung
aus drei gegeneinander in entsprechender Weise versetzten Wicklungen 0 2 und 03.
Wenn zwei Statoren verwendet werden, wie dies im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.
1 dargestellt ist, so sind die beiden Wicklungsanordnungen 5 und 6 in entsprechender
Weise geschaltet, so daß ein in gleicher Richtung wirkendes Drehmoment auf den Rotor
2 ausgeübt wird.
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Fig. 5b stellt die Wicklungsanordnung bestehend aus den Wicklungen
2 , und 03 "abgewickelt" dar.
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Da der Rotor 2 mit sehr hoher Drehzahl rotieren kann, ist zum Schutz
der Magnete 9, 10 und 15,16 ein Halteelement vorgesehen, welches beispielsweise
ein in Fig. 2 gezeigtes Band 20 sein kann.
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Im übrigen können die Magnete einen Außenmantel aus Glasfasern aufweisen
und mit Kunstharz versteift sein. Dies ist besonders bei Motoren mit hohen Drehzahlen,
d.h. hoher Fliehkraft, der Fall. Dieser Mantel, der beispielsweise die Stelle des
in Fig.2 gezeigten Bandes 20 einnehmen kann, liegt vorteilhafterweise im Gegensatz
zu bekannten Motoren nicht im Luftspalt, was eine höhere Luftspaltinduktion und
ebenso eine höhere mechanische Festigkeit ermöglicht.
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Wie oben erläutert, kann bzw. können gemäß der Erfindung ein bzw.
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zwei Statoren 3, 4 verwendet werden, wobei die Wärmeabfuhr in effektiver
Weise durch ein bzw. zwei Flansche des Motorgehäuses erfolgen kann. Vorzugsweise
ist der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator durch ein Stellglied veränderbar.
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Obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, so kann doch eine
Trennwand im Luftspalt derart angeordnet werden, daß der Rotor 2 sich in einem anderen
Medium, beispielsweise in einem anderen Gas oder einer anderen Flüssigkeit als der
Stator drehen kann. Die Phasencodierung kann durch magnetische oder optische Sensoren
oder durch elektromagnetische Kraft, wie bei der Phasen-Gegenspannung erzeugt werden.
Allerdings ist die EMK-Codierung nicht für Servoantriebe, wohl aber für Pumpen und
dgl. geeignet.
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Diese Anordnung erlaubt die Lösung von Sonderproblemen, wie zum Beispiel
bei der Verwendung einer Pumpe oder eines Antriebs in einer agressiven Umgebung.
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In Fig. 6 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des
Magnetblechs für einen Stator 3 dargestellt. Der von einer Vorratsrolle kommende
Blechstreifen 30 wird an einer Stanzvorrichtung 31 vorbeigeführt, die einen auf
und ab bewegbaren Stempel 33 sowie eine Matritze 32 aufweist, zwischen denen das
Blech 30 hindurchgeführt wird. Im Anschluß an den Durchgang durch die Stanzvorrichtung
31 wird der nunmehr gestanzte Blechstreifen 34 in der Form eines Stators mit Rückschlußring
aufgewickelt. Nachdem mit zunehmendem Durchmesser des Stators beim
Wickelvorgang
die Ausschnitte 35 zunehmend einen größeren Abstand aufweisen müssen, wird eine
nicht gezeigte Steuervorrichtung vorgesehen, welche entsprechend dem wachsenden
Außendurchmesser des in Wicklung befindlichen Stators die Auf- und Abbewegung des
Stempels 33 steuert. Im übrigen können die bei der Blechverarbeitung üblichen Maßnahmen
verwendet werden.
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Fig. 7 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Herstellung der
erfindungsgemäßen auf dem Rotor 2 vorgesehenen Magnete. Der Rotor kann Magnete in
unterschiedlicher Zahl und unterschiedlicher Form tragen. Beispielsweise finden
sechs Magnete, wie in Fig. 2 gezeigt, Verwendung. Vorzugsweise sind die Magnete
stabförmig wie in Fig. 2 ausgebildet. Eine andere zweckmäßige Form für die Magnete
ist in Fig. 7 dargestellt.
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Dort sind die Magnete in Form rechteckiger Platten 40 ausgebildet.
Die Magnete 40 können gemäß der Erfindung aus einer Magnetplatte 41 hergestellt
sein, die an ihrer Oberseite beispielsweise die Polarität eines Nordpols besitzt,
während sie an der Unterseite die Polarität eines Südpols besitzt. Diese Magnetplatte
41 kann in ihrer noch unzerteilten Form geschliffen und poliert werden, so daß sich
dann nach der Montage der Einzelmagnete 40 auf dem Rotor 2 eine außerordentlich
kleine Luftspalttoleranz ergibt. Da der Luftspalt im Motor planar ist, ergibt sich
so ein besonderer Vorteil der Erfindung. Die Herstellung der Einzelmagnete 40 ist
erfindungsgemäß besonders -einfach, da die Magnetplatte 41 einfach längs der Linien
42, 43 zerschnitten werden muß, wobei die Einzelmagnete 40 die erwünschte Planarität
auf beiden Seiten beibehalten. Fig. 7 zeigt zum Zertrennen der Magnetplatte 41 beispielsweise
zwei Schneidscheiben 44. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich ein außerordentlich
geringer Abfall an Magnetmaterial. Ferner liegen die Werkzeugkosten für diese Art
Magnetherstellung sehr niedrig. Vorzugsweise besteht die Magnetplatte aus einer
seltenen Erde.