DE3432946A1 - Eisenloser kollektorloser gleichstrommotor fuer hohe drehzahlen - Google Patents

Description

²ARTHUR PFEIFFER VAKUUMTECHNIK WETZLAR GMBH Eisenloser kollektorloser Gleichstrommotor für hohe Drehzahlen

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor für hohe Drehzahlen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zum Antrieb von z.B. Turbomolekularpumpen, Kreiseln, Spinn- oder Schleifspindeln, insbesondere von magnetisch gelagerten Rotoren.

Die überwiegende Anzahl schneilaufender Maschinen wird heute mit Drehstrommotoren angetrieben. Nachteilig an diesen Motoren ist der abnehmende Wirkungsgrad mit zunehmendem Luftspalt zwischen Rotor und Stator durch den zunehmenden Magnetisierungsstrom. Kollektorlose Gleichstrommotoren mit einem bewickelten Blechstator und rotierendem permanent-magnetischen Rotor weisen zwar diesen Nachteil nicht auf, üben aber radiale Anziehungskräfte zwischen Rotor und Stator aus, die im Falle einer radialen Magnetlagerung durch zusätzliche Lagerkr.äfte kompensiert werden müssen. Aus der deutschen Patentanmeldung P 3302 839 ist ein Motor bekannt, der diese Nachteile nicht hat und in den eine eisenlose Wicklung in einem mehrpolig magnetisierten Luftspalt hineinragt. Zweipolige Anordnungen sind mit Hilfe dieser Bauart nur schwer zu verwirklichen, da für die Wickelköpfe kein Raum vorhanden ist. Vierpolige Anordnungen benötigen zum Antrieb die doppelte Lauffrequenz, was zu höheren Umschaltverlusten im Versorgungsgerät und höheren Wirbelstromverlusten in den Drähten der Wicklung führt. Außerdem ist die Herstellung einer solchen Wicklung sehr kompliziert und sie benötigt einen großen Luftspalt.

Weiterhin sind bürstenkommutierte Gleichstrommotoren mit eisenlosen Schrägwicklungen bekannt, wie sie bei Faulhaber (Fritz Faulhaber: Einfache Berechnungsgrundlagen für rasch anlaufende Gleichstrom-Stellmotoren, VDI-Z. Bd 107 Nr. 4, S. 149-152) be-

schrieben werden. Diese Motoren sind zwar radialkraftfrei, aber wegen des Kommutators nicht im Vakuum oder für sehr hohe Drehzahlen geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Motor vorzustellen, der die oben angegebenen Nachteile vermeidet und insbesondere bei kleinem Luftspalt mit einer einfachen stabilen Wicklung ohne Wickelköpfe einen radialkraftfreien Antrieb einer Welle mit geringen Verlusten ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Anordnung, wie sie im kennzeichnenden Teil des 1. Patentanspruches beschrieben wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schräg-. wicklung in vier Teilwicklungen, deren Anfänge alle mit einem Pol und deren Enden über vier steuerbare elektrische Schaltelemente mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden sind, ist eine Verwendung handelsüblicher Gleichstromantriebsgeräte möglich (Betriebsanweisung für Turbomolekularpumpe TPH 170, TPU 170 und Antriebs-Elektronik TCP 300 Nr. PM 800 093 BD,E,F der Firma Arthur.Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH).

Die Ansteuerung der Wicklungsabschnitte erfolgt mit Hilfe zweier Hallsonden, die wie in Anspruch 2 beschrieben, montiert sind.

Bei gleichmäßiger Luftspaltinduktion hat die von der Schrägwicklung induzierte Gegen-EMK einen sinusförmigen Verlauf, was für die Betriebsspannungsquelle nachteilig ist. Bei Ausgestaltung der Polflächen nach Anspruch 3 kann durch die in der Mitte eines Poles verringerte Luftspaltinduktion der Bogen der sinusförmigen Gegen-EMK abgeflacht und damit eine konstante Gegen-EMK des Motors erzeugt werden. Die Verwendung einer aus dem Luftspalt herausragenden Wicklung nach Anspruch 4 ermöglicht die Wärmeabfuhr aus der Wicklung, was besonders im Vakuum von Vorteil ist.

Mit Hilfe der Figuren 1-3 soll im folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Abwicklung der Schrägwicklung mit der Lage der Hallsonden und schematisch den Stromfluß, Fig. 2 einen Querschnitt durch den Motor in der Ebene der Hallsonden

und Fig. 3 den Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels. .

Das Gehäuse, in dem sich die Anordnung befindet, ist mit 9 bezeichnet.

In einem Rotor 1 mit der Rotorwelle 7 aus Stahl, die in den Lagerschilden 10 mit zwei Magnetlagern 8 gelagert ist, ist eine eiserne Rückschlußhülse 2 mit radial magnetisierten Magneten 3 eingebaut. In dem zwischen Glocke und Rotorwelle gebildeten Luftspalt 11 ist eine gehäusefeste Statorspule 4 angeordnet, die mit ihrem unteren Ende aus der Rotorglocke herausragt und von einer Trägerhülse 6 aus Aluminium umschlossen ist. Diese leitet die in der Statorspule entstehende Verlustwärme zum Gehäuse hin ab. Die Hallsonden 5 sind auf der Innenseite der Statorspule in der Wand einer zylindrischen dünnwandigen Hülse aus Isoliermaterial befestigt. Mit 12 sind Notlauflager und mit 13 axiale Stützlager bezeichnet.

Fig. 1 zeigt in ihrem oberen Teil die Abwicklung der Statorspule. Beginnend bei al verläuft die Wicklung über den halben Umfang bis zum gegenüberliegenden Rand und geht von dort auf der Rückseite zum Ausgangspunkt zurück. Von dort verläuft die nächste Windung parallel zur ersten. Durch sinngemäße Fortsetzung dieser Wickelart erhält man eine fortlaufende zweilagige Wicklung, deren Windungszahl, Länge und Durchmesser von der Drahtdicke abhängen. Die Wicklung ist in vier gleiche Teilwicklungen aufgeteilt, deren Anfänge bei al verbunden sind und deren Enden a2-a5 an je einen Kollektor eines Schalttransistors führen. Überschreitet die Poltrennlinie des Rotors die Hallsonde Hl, so wird Transistor Tl eingeschaltet. Nach einer viertel Umdrehung überschreitet die Poltrennlinie die Hallsonde H2,

so wird Transistor Tl aus- und Transistor T2 eingeschaltet usw. Zur Erzeugung der Ansteuersignale werden die Ausgangsspannungen der Hallsonden über je einen Vorverstärker verstärkt und die Ausgangsspannungen werden einem bekannten 1 aus 4 Decoder zugeführt, der 90° versetzte, 90° einer Umdrehung andauernde Impulse zum Ansteuern der Transistoren Tl bis T4 erzeugt.

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Claims (4)

ARTHUR PFEIFFER Vakuumtechnik Wetzlar GmbH Eisenloser kollektorloser Gleichstrommotor für hohe Drehzahlen. Patentansprüche

1.) Kollektorloser Gleichstrommotor zum Antrieb eines schnelllaufenden Rotors bestehend aus einer Glocke und einer damit verbundenen zentralen Rotorwelle (7), die einen radialen Luftspalt (11) mit zwei 180° breiten magnetischen Polen (3) bildet und einer eisenlosen Statorspule (4), die in diesen Luftspalt hineinragt, zwei Hallsonden (5) zur Stellungsabtastung des Rotors und vier elektrischen Schaltelementen, die durch elektrische Signale von diesen Hallsonden nacheinander angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorspule aus einer Schrägwicklung nach Fig. 1 mit vier gleichen Wicklungsabschnitten besteht, wobei die Anfänge dieser Wicklungen alle mit einem Pol und die Enden der Wicklungsabschnitte über vier steuerbare elektrische Schaltelemente mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden sind.

2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsonden Hl und H2 auf der Innenoder Außenseite der Wicklung auf den gleichen Mantellinien wie die Anfänge der Wicklungsabschnitte 1 und 2 liegen.

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein 180° breiter Magnetpol aus je zwei 90° breiten parallel zu ihren Symmetriebenen magnetisierten Magnetsegmenten besteht.

4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung langer als der magnetisierte Luftspalt ist, und der überstehende Teil der Wicklung auf einem Trägerrohr guter Wärmeleitfähigkeit befestigt ist.