DE3245033C2 - Kollektorloser Gleichstrommotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor.

Ein solcher Motor soll bei extremer axialer Kompaktheit zum Direktantrieb von Spei­ cherplatten in signalverarbeitenden Geräten, insbesondere sogenannten Mini-Floppys, dienen. Diese Speicherantriebe haben eine Drehzahl von einigen Hundert Umdrehun­ gen pro Minute, vorzugsweise 360 oder 300 U/min. Dabei soll das Drehmoment mög­ lichst konstant sein. Aus diesem Grunde ist bei der im übrigen geforderten extrem gro­ ßen axialen Kompaktheit die Anordnung der Rotormasse so vorzusehen, daß sich ein großer Trägheitsradius für eine hohe Schwungenergie im Betrieb ergibt, außerdem ein guter Wirkungsgrad, d. h. große Leistung.

Aus der DE 28 35 210 A1, die als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird, ist ein axial kompakter kollektorloser Gleichstrommotor bekannt, bei dem die radiale Dicke des Permanentmagneten etwa das 0,34fache seiner axialen Breite beträgt. Aus dem Aufsatz des selben Erfinders Müller, Rolf: "Zweipulsige kollektorlose Gleichstrommoto­ ren" erschienen in DE-Z "asr-Digest", Heft 1 bis 2/77 ist bekannt, die Statorspulen mit einer Vollbrückenschaltung zu bestromen.

Weitere Hintergrundinformationen können der DE 26 40 899 A1 der DE 24 19 292 A, der DE 29 01 676 A1, der DE 25 27 744 A1, der DE 24 63 006 C2, der DE 24 03 432 A1 sowie dem Fachbuch Moeller-Werr "Leitfaden der Elektrotechnik, Band II, Teil 1, Gleichstromma­ schinen", Teubner, Leipzig 1950, Seite 36 entnommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den aus der DE 28 35 210 A1 bekannten Gleichstrommotor derart weiterzubilden, daß eine extrem große axiale Kompaktheit erzielt wird.

Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren Ausgestal­ tungen betreffen weitere Vorteile der Erfindung.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Dieses ist durch die folgenden Figuren dargestellt:

Fig. 1 zeigt den Schnitt durch die Nut mit dem Hall-IC und durch einen Statorpol.

Fig. 2 zeigt die Ausbildung der Statorpole, die jeweils dem Hall-IC benachbart sind.

Fig. 3 zeigt einen Statorpol, der eine Tachowindung teilwei­ se aufnimmt,

Fig. 4 einen Schnitt ähnlich der Fig. 1,

Fig. 5 zeigt den Statorblechschnitt des Ausführungsbeispiels.

Auf die zeichnerische Darstellung und ihre Maße, insbesondere auf die Bemessungsangaben, wird ausdrücklich hingewiesen.

Der in Fig. 1 dargestellte bürstenlose Gleichstrommotor 10 weist ein mit der Rotorwelle 11 fest verbundenes und zur Rotorwelle 11 konzentrisches Rotorgehäuse 18 auf. Dieses Rotorgehäuse 18 ist aus einem magnetisch gut leitenden Werk­ stoff, insbesondere Weicheisen, gefertigt und vorzugsweise als Tiefziehteil topfartig ausgebildet. Es dient als magne­ tischer Rückschluß für den Permanentmagneten 15.

Der Permanentmagnet im Rotor hat normalerweise einen weich­ magnetischen Rückschluß rotorseitig, der bei zylindrischem Luftspalt ein umfangmäßig diesen Permanentmagneten umgebender weichmagnetischer Teil ist, der ihn, den Permanentmagnete radial außerhalb umfaßt.

Wenn diese radiale Umfassung radial sehr dünnwandig ist oder eventuell ganz entfällt, kann gerade bei einem kunststoffgebundenen Permanentmagneten, der an sich dann auch eine gewisse radiale Dicke selbst braucht, axial seitlich davon z. B., ein ferromagnetischer, also ein weichmag­ netischer, ringartiger oder scheibenartiger Rückschlußteil vorgesehen sein, der eine ebene Erstreckung hat, die senkrecht zur Rotorachse verläuft. Er ist also dann u. U. axial seitlich im Streuflußbereich des Rotormagneten ange­ ordnet. Bei bestimmten Anwendungsfällen dürfte eine solche Anordnung des Rückschlußeisens zweckmäßig sein, insbesondere, wenn man mit dem radialen Einbaumaß begrenzt ist.

Das Statorblechpaket 12 wird in bekannter Weise aus einzelnen Blechen gebildet, wobei die Endbleche 13, 14 im Bereich der Polköpfe jeweils axial abgebogen sind, so daß sich die am Luft­ spalt magnetisch wirksame Höhe h des Statorblechpaketes 12 er­ höht. Der äußerste Abstand (axial) der abgebogenen Enden der Endbleche 13, 14 entspricht in etwa der axialen Erstreckung der Statorspulen 16. In Fig. 4 sind je zwei Bleche in dieser Weise aufgebogen, das Endblech jeweils etwas stärker.

Die Endbleche des Statorblechpaketes sind im Bereich der Polköpfe axial vom Blechpaket weggebogen oder es sind dort besondere End­ bleche vorgesehen, an denen Polbleche angeformt oder befestigt sind, die axial am Luftspalt sich vom Zentrum des Statorblech­ pakets weg erstrecken, damit das Statorblechpaket axial aufge­ weitet wird und somit der Fluß mit möglichst gleichmäßiger Ver­ teilung aus dem rotorseitigen Permanentmagnetring, der nur eine begrenzte Induktion aufweist, ins Statoreisen hinein- oder von dort zurückgeleitet wird, wodurch sich am Luftspalt 28 eine grös­ sere, magnetisch wirksame Statoreisenlänge h ergibt.

Im Sinne großer Leistung macht man den Permanentmagneten 15, gerade wenn er kunststoffgebunden als sogenannter Gummimagnet ausgebildet ist, axial möglichst lang, d. h. 1 groß.

Die magnetisch wirksame Höhe h des Statorblechpaketes 12 paßt man möglichst an die axiale Länge 1 des Permanentmagne­ ten 15 an, d. h. h ist möglichst groß, d. h. h ist möglichst gleich 1.

Das Statorblechpaket 12 ist fest auf das eine Ende des Lager­ rohrs 20 aufgebracht, das mit dem Montageflansch 21 ein ein­ stückiges Druckgußteil bildet. Die Rotorwelle 11 ist im Lager­ rohr 20 mit Hilfe von zwei Lagern 22, 23 gelagert. Diese Lager 22, 23 sind durch Klebung oder Preßsitz mit dem Lagerrohr 20 fest verbunden.

Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen 12-poligen Motor, wobei jeder Statorpol mit einem magnetischen Wechselfeld bzw. einem pulsierenden Gleichfeld erregt wird (sogenannter zwei- oder einpulsiger Betrieb), wobei z. B. beim zweipulsigen Betrieb benachbarte Statorpole, gegensinnig erregt, mit ungleichen benach­ barten Rotorpolen drehmomentbildend zusammenwirken und die Aus­ bildung des Statoreisens, hier konkret durch Veränderung des Luftspalts 28, über den Drehwinkel abhängig derart verläuft, daß im Betrieb in den Drehmomentpausen, in denen durch das erregende Wechsel- bzw. durch das pulsierende Gleichfeld kein elektrodynami­ sches Drehmoment erzeugt wird, ein wenigstens annähernd gagen­ phasiges Reluktanzhilfsmoment durch Kraftwirkung zwischen dem Rotormagneten und dem Statoreisen entsteht. Solche Motoren sind in ihrer Funktionsweise in der DE-OS 22 25 442 (bzw. DE-OS 28 35 210) beschrieben. Die DE-PS 23 46 380 beschreibt die vorteilhafte, in Umfangsrichtung trapezförmige Magnetisierung des Rotormagneten für solche Motoren, gemäß der DE-OS 22 25 442.

Entsprechend der Rotorpolzahl sind die 12 Statorpole 71 bis 82 des Statorblechpakets 12 mit 12 Statorspulen 16 bewickelt. Diese sind fortlaufend, aber jeweils abwechselnd gegensinnig ge­ wickelt ausgeführt (Fig. 6)

Falls die Statorwicklung bifilar ausgeführt ist, wird sie mit einer sogenannten Halbbrückenschaltung betrieben. Das hat zur Folge, daß jeweils nur der eine der beiden Drähte bestromt wird, also das Kupfervolumen nur halb ausgenutzt wird, was natürlich einen Nachteil dann bedeutet, wenn man eine möglichst große Leistung haben möchte. Im Falle möglichst großer Leistung ver­ wendet man eine eindrähtige Wicklung und betreibt diese dann mittels einer sogenannten Vollbrückenschaltung. Zur Bifilari­ tät siehe auch DE-OS 28 35 210.

Fig. 2 bis 4 zeigen teilweise die Anordnung der Statorspulen 16 auf dem Statorblechpaket 12. Der magnetische Rotorstellungs­ geber 29, hier ein sogenannter Hall-IC, ist in Fig. 2 angrenzend an den Luftspalt 28 in einer Nut zwischen zwei benachbarten Sta­ torpolköpfen 30, 31 und innnerhalb der axialen Länge des Sta­ torblechpaketes 12 angeordnet (Fig. 1), in Fig. 5 jedoch an der mit 59 bezifferten Stelle vorgesehen. Diese Nut 59 sollte, wie in Fig. 2 dargestellt, ausgebildet sein. Diese Anordnung des Rotor­ stellungssensors 29 in der Nut zwischen benachbarten Statorpol­ köpfen 30, 31 erfordert Änderungen im Bereich der angrenzenden Polenden 32, 33 der Statorpolköpfe 30, 31, die in Verbindung mit Fig. 5 noch näher beschrieben sind.

Fig. 3 zeigt die Polkopfausbildung mit quasi ganzen Polkopf­ enden 34', 34", jedoch ist in der Mitte des Polkopfes eine Nut 50 vorgesehen.

Die nichtdargestellte Tachowicklung wird in zwei Nuten, die jeweils in der Mitte zweier benachbarter Statorpolköpfe vorge­ sehen sind, eingebracht. Zwei solche benachbarte Nuten 51, 52 zeigt Fig. 5.

Um ein verbessertes Tachosignal zu gewinnen, ist die Tachowick­ lung in zwei in Reihe geschaltete Teilwicklungen c, d aufgeteilt, die um 18 mechanische Grade versetzt in je zwei benachbarten Statorpolköpfen 71, 72; 77, 78 im Bereich des Luftspaltes 28 angeordnet sind, wie das in Fig. 5 dargestellt ist. Zur Vermeidung von Unsymme­ trien der Tachospannung ist es erforderlich, daß für die Nuten 50 nur Polköpfe verwendet werden, deren beide Polkopfenden der Ausführung 34', 34" entsprechen (Fig. 2).

Fig. 4 zeigt geschnitten das Statorblechpaket 12, die Stator­ spule 16 und den Rotorstellungsgeber 29. Bei diesem Ausführungs­ beispiel sind jeweils zwei Endbleche 13, 13' bzw. 14, 14' axial abgebogen. Auch entspricht die Abbiegung der Endbleche in etwa der axialen Erstreckung der Statorspulen über das Blechpaket 12 hinaus. Des weiteren ist gezeigt, daß Distanzbolzen 60 mit ihrem einen Ende die Bleche des Statorpakets 12 fixieren, während das andere Ende jeweils eine Leiterplatte 61 trägt.

Typisch und vorteilhaft für den Gleichstrommotor sind nach­ folgende Abmessungen:
10 h < d < 20 h
h = magnetisch wirksame Höhe des Statorblechpakets am Luftspalt
d = mittlerer Durchmesser des Statorblechpakets
0,5 l < b < l
1 = axiale Erstreckung des Magneten
b = radiale Erstreckung des Magneten
h ≈ l

Ausführungsbeispiel

l	7,5 mm
b	4,0 mm
d	70,0 mm
h	5,0 mm

Fig. 5 zeigt den Blechschnitt für den Stator des 12-poligen Ausführungsbeispiels, einen sogenannten 12T-Ankerschnitt. Dieser Schnitt zeigt die Gesamtanordnung einer tachogene­ ratorischen Wicklung c, d in zwei einander diametral gegenüber­ liegenden, jeweils benachbarten Statorpolpaaren. Etwa in der Mitte dieser Statorpole ist je eine Ausnehmung vorgesehen, in welche die Tachowindungen, die zwischen zwei benachbarten Nuten 51, 52 oder 53, 54 verlaufen, eingelegt werden. Diese Tachowindungen, die zwischen den Nuten 51, 52 und den Nuten 53 und 54 sich jeweils als Ringspule erstrecken, sind somit angenähert 90° el. zur Statorhauptwicklung, die auf den Stator­ polzähnen konzentrisch aufgebracht ist, versetzt. Würden nun diese Nuten 51 bis 54 exakt in der Mitte des Polkopfes liegen, würde infolge des unterschiedlichen Luftspalts beiderseits der Polmitte die Flußverteilung über einem solchen Statorpol ge­ stört, weil dann unverhältnismäßig viel magnetischer Fluß über die gem. Fig. 5 jeweils linke Hälfte eines Statorpoles (mit dem kleineren Luftspalt) ginge. Aus diesem Grunde sind die beiden Nuten um ein gewisses kleines Maß in Drehrichtung (von der Mittellinie eines Statorpolzahnes aus gesehen) ver­ setzt. Das sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem Luftspaltdurchmesser von etwa 70 mm nur 0,5 mm, wodurch man neben einer besseren Flußverteilung im Luftspalt über einem Polkopf mit einer solchen Tachonutausnehmung außerdem erreicht, daß die Windungen, die die Nuten 51, 52 durchlaufen und induzierende Leiter darstellen, gleichmäßiger mit Fluß durchsetzt werden, so daß also der Fluß, der z. B. in der linken Polkopfhälfte links neben der Nut 52 in den Luftspalt austritt, nicht wesentlich größer ist als derjenige, der rechts neben dem Leiter in der Nut 51 in den Luftspalt austritt.

Die Fig. 5 zeigt die Anordnung einer stark, jedoch unsymme­ trisch geöffneten Nut zur Aufnahme des sogenannten Hall-IC's, wie in Fig. 2. Diese Nut (im Falle der Fig. 5 die Nut 55) ist in Richtung gegen die Drehrichtung (Pfeil 56) stärker er­ weitert als auf der anderen Seite in Drehrichtung. Das hat einmal den Zweck, daß man dadurch wieder eine Symmetrierung des Luftspaltflusses zur Mitte des Zahnes 57 erhält, weil die Sta­ torpolhälfte mit dem kleineren Luftspalt stärker reduziert ist als die rechte, quasi volle Hälfte des Zahnkopfes 57, die ge­ gen die Drehrichtung sich erstreckt.

Durch die starke, unsymmetrische, quasi gegen die Drehrichtung 56 des Rotors versetzte Nutöffnung hat man zusätzlich die Mög­ lichkeit, den Hall-IC in der Nut aus der Nutsymmetrielinie 58 gegen die Drehrichtung 56 um einen gewissen Betrag (das ist beim hier vorliegenden Luftspaltdurchmesser 1 mm) zu versetzen, damit man zur Erhöhung des Wirkungsgrades den Schaltvorgang zur Erregung der Statorwicklung etwas früher einleitet, um somit die Stromkurve und damit das elektrodynamische Drehmoment besser zu positionieren.

Die Nut 55 sollte eigentlich nicht gleichzeitig durch ihre starke Nutöffnung am Luftspalt den Statorpolzahn mit der Nut 54 schwächen und ist deshalb in einer vorteilhaften Weiterbildung nicht wie gezeichnet, sondern z. B. anstelle der Nut 59 vor­ zusehen. Die Polkopffläche hat zweckmäßigerweise eine zylindrische Form, bei einem maximalen Statordurchmesser von 70 mm mit einem Radius von etwa 36 mm, deren Mittelachse 61 senk­ recht zur Zahnmittellinie 60 aus in Drehrichtung 56 um einen gewissen Betrag (von etwa 2 mm) und senkrecht hierzu, d. h. vom Zahn weg, um einen gleichen Betrag (von etwa 2 mm) ver­ setzt ist, wobei der Versatz von der Rotationsachse aus ge­ messen ist.

Die Fig. 1 zeigt ein axial lang bauendes Lagersystem, jedoch ist ein solches System nicht unbedingt erwünscht.

Fig. 5 zeigt, daß ein Lagersystem mit großer Genauigkeit im Zentrum des Statorblechpakets durchaus untergebracht werden kann, weil die Statorjochstärke sehr groß, für die magneti­ schen Bedürfnisse unnötig groß, ist. Das heißt, daß ein Motor mit einem solchen hochpoligen Statorpolkranz für einen sehr präzisen, aber im Durchmesser groß bauenden Lageraufbau vor­ teilhaft geeignet ist.

Fig. 6 zeigt das Wickelschema für die in Serie geschalteten Ankerspulen auf den Statorpolen 71 bis 82, abwechselnd fortlaufend gegen­ sinnig gewickelt (a-b) und die zwei Tachospulen c-d, eben­ falls in Serie geschaltet, aber gleichsinnig gewickelt und um sechs Statorspulen zueinander versetzt.

Claims (11)

1. Axial kompakter kollektorloser Gleichstrom-Motor mit einem Statorblechpaket (12) mit mehr als 6 Statorpolen zum Direktantrieb von Speicherplatten in signalverarbeitenden Floppy-Disk- Geräten mit einer Drehzahl von einigen hundert Umdrehungen pro Minute und mit einem permanentmagnetischen Außenrotor von in Umfangsrichtung trapezförmiger Magnetisierung und zylindrischem Luftspalt (28), dessen Rotorge­ häuse (18) für den magnetischen Rückschluß als topfartiges, axial kurzes Weich­ eisenteil ausgebildet ist,
wobei mindestens ein magnetischer Rotorstellungssensor im Bereich zweier benachbarter Statorpolköpfe (30, 31) vorgesehen ist,
wobei die Statorspulen (16) der Wicklung mit den konzentriert und über­ lappungsfrei bewickelten Statorpolköpfen mit einer Vollbrückenschaltung bestromt sind,
wobei das Statorblechpaket (12) im Zentrum ein im Durchmesser groß bauendes Lagersystem aufweist,
wobei die am Luftspalt magnetisch wirksame Höhe (h) des Statorblechpakets kleiner oder gleich ist wie die axiale Erstreckung (l) des Permanentmagneten (15),
wobei der Durchmesser (d) des zylindrischen Luftspaltes (28) zu seiner axialen Erstreckung (etwa h) ein Verhältnis von etwa 10 bis 20 aufweist, und
die radiale Dicke (b) des Permanentmagneten (15) das 0,5 bis einfache seiner axialen Breite (l) beträgt.

2. Gleichstrom-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Hall-IC ausgebildete Rotorstellungssensor in einer Nut zwischen zwei benachbarten Statorpolköpfen (30, 31) angeordnet ist.

3. Gleichstrom-Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorgehäuse (18) als Tiefziehteil ausgebildet ist.

4. Gleichstrom-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpolköpfe luftspaltseitig axial aufgefächert sind, indem an den axialen Endscheiben des Statorpakets entsprechende Polbleche angeformt oder die Endbleche im Bereich der Statorpolköpfe jeweils axial aufgebogen sind.

5. Gleichstrom-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor 12 Statorpole aufweist.

6. Gleichstrom-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des zylindrischen Luftspalts (28) zu seiner axialen Erstrec­ kung sich etwa wie 15 : 1 verhält.

7. Gleichstrom-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere bei einem kunststoffgebundenen Permanentmagneten (15) axial seitlich davon ein ferromagnetischer, also weichmagnetischer, ring­ artiger oder scheibenartiger Rückschlußteil vorgesehen ist, welcher sich im wesentlichen senkrecht zur Motorachse erstreckt.

8. Gleichstrom-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerrohr mit dem Montageflasch (21) ein einstückiges Druckgußteil bildet.

9. Gleichstrom-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Distanzbolzen (60) mit ihrem einen Ende die Bleche des Statorblechpaketes (12) fixieren, während das andere Ende eine Leiterplatte (61) trägt.

10. Gleichstrom-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorstellungssensor (Hall-IC) gegen die Drehrichtung aus der Symmetrielinie (58) einer Nut um einen gewissen Betrag versetzt ist.

11. Gleichstrom-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die am Luftspalt (28) magnetisch wirksame Höhe (h) des Statorblechpakets (12) etwa der axialen Erstreckung der Statorspulen (16) entspricht.