DE3432946C2 - Kollektorloser Gleichstrommotor mit eisenloser Statorwicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit eisenloser Statorwicklung für hohe Drehzahlen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 33 02 839 A1), zum Antrieb von z. B. Turbomolekularpumpen, Kreiseln, Spinn- oder Schleifspindeln, insbesondere von magnetisch gelagerten Rotoren.

Die überwiegende Anzahl schnellaufender 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 permanentmagnetischen Rotor weisen zwar diesen Nachteil nicht auf, üben aber radiale Anziehungskräfte zwischen Rotor und Stator aus, die im Falle einer radialen Magnetlagerung durch zusätzliche Lagerkräfte kompensiert werden müssen. Aus der deutschen Patentanmeldung DE 33 02 839 A1 ist ein Motor bekannt, der diese Nachteile nicht hat und bei dem eine eisenlose Wicklung in einem mehrpolig magnetisierten Luftspalt hineinragt. Zweipolige Anordnungen sind mit Hilfe dieser Bauart zwar denkbar aber 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", in VDI-Z, Bd 107 Nr. 4, S. 149-152) beschrieben werden. Diese Motoren sind zwar radialkraftfrei, aber wegen des Kommutators nicht im Vakuum oder für sehr hohe Drehzahlen geeignet.

Aus der CH-PS 462 303 ist eine Statorspule bekannt, welche aus einer Schrägwicklung mit vier gleichen Wicklungsabschnitten besteht. In der EP 32 440 A2 ist schließlich die Umwicklung eines nicht magnetischen Trägerrohres mit einer eisenlosen Statorwicklung dargestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Motor vorzustellen, der auf den bekannten Lösungen aufbauend so weiterentwickelt ist, daß bei kleinem Luftspalt mit einer einfachen, stabilen Wicklung ohne Wickelköpfe eine hohe thermische Ausnutzung der Wicklung erreicht wird.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Anordnung, wie sie im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 beschrieben wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schrägwicklung 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. Die Ansteuerung der Wicklungsabschnitte erfolgt dabei mit Hilfe zweier Hallsonden, die auf der Innen- oder Außenseite der Statorspule auf den gleichen Mantellinien wie die Anfänge zweier Teilwicklungen montiert sind.

Dadurch, daß die Statorspule einseitig außerhalb des Luftspaltes von einer Trägerhülse aus nicht magnetisierbarem, gut wärmeleitenden Material umschlossen wird, wird die Wärmeabfuhr aus der Wicklung ermöglicht, was besonders im Vakuum von Vorteil ist.

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 2 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.

Mit Hilfe der Fig. 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.

Zunächst werden die Fig. 2 und 3 kurz erläutert.

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 4 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 a1 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 a1 verbunden sind und deren Enden a2-a5 an je einen Kollektor eines Schalttransistors führen. Überschreitet die Poltrennlinie des Rotors die Hallsonde H1, so wird Transistor T1 eingeschaltet. Nach einer viertel Umdrehung überschreitet die Poltrennlinie die Hallsonde H2, so wird Transistor T1 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 T1 bis T4 erzeugt.

Claims (2)

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem glockenförmigen Rotor (1) und einer damit drehfest verbundenen Rotorwelle (7), mit zwei 180° breiten, radial auf der Innenseite des Rotors (1) angeordneten permanentmagnetischen Polen und der Rotorwelle (7) ein radialer Luftspalt (11) gebildet wird, mit einer eisenlosen Statorspule (4), die frei in den Luftspalt (11) hineinragt und deren axiale Länge die des Luftspaltes (11) übersteigt, mit zwei Hallsonden (5) zur Stellungsabtastung des Rotors (1) sowie mit vier elektrischen Schaltelementen, die durch elektrische Signale der Hallsonden (5) nacheinander angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorspule (4) aus einer Schrägwicklung ohne Wickelkopf mit vier gleichen Wicklungsabschnitten besteht, und die Statorspule (4) einseitig außerhalb des Luftspaltes (11) von einer Trägerhülse (6) aus nicht­ magnetisierbarem, gut wärmeleitenden Material umschlossen wird.

2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein 180° breiter Magnetpol aus je zwei 90° breiten, parallel zu ihren Symmetrieebenen magnetisierten Magnetsegmenten besteht.