DE3432946C2 - Collectorless DC motor with ironless stator winding - 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.The invention relates to a collectorless DC motor with ironless stator winding for high speeds after Preamble of claim 1 (DE 33 02 839 A1), for driving z. B. turbomolecular pumps, Spinning tops, spinning or grinding spindles, in particular of magnetically mounted rotors.

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.The vast majority of high-speed machines today driven by three-phase motors. A disadvantage of these engines is the decreasing efficiency with increasing air gap between the rotor and stator due to the increasing magnetizing current. Collectorless DC motors with a wound Sheet metal stator and rotating permanent magnetic rotor do not have this disadvantage, but practice radial ones Attractive forces between the rotor and stator in the case radial magnetic bearings due to additional bearing forces must be compensated. From the German patent application DE 33 02 839 A1 discloses an engine which does not have these disadvantages and has an ironless winding in a multipolar magnetized Air gap protrudes. There are bipolar arrangements conceivable with the help of this type of construction but difficult to achieve, because for the winding overhangs there is no space.

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.Four-pole arrangements require twice the drive Running frequency, resulting in higher switching losses in the supply device and higher eddy current losses in the wires the winding leads. In addition, the manufacture of such Winding very complicated and it needs a big one Air gap.

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.Brush-commutated DC motors with ironless ones are also available Slanted windings are known, as they are at Faulhaber (Fritz Faulhaber: "Simple calculation bases for quick starting DC servomotors ", in VDI-Z, Vol. 107 No. 4,  Pp. 149-152). Although these motors are free of radial force, but not in a vacuum because of the commutator or suitable for very high speeds.

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.A stator coil is known from CH-PS 462 303, which consists of an inclined winding with four identical winding sections consists. Finally, in EP 32 440 A2 the wrapping is not one magnetic carrier tube with an ironless stator winding shown.

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.The object of the invention is to present an engine that based on the well-known solutions that with a small air gap with a simple, stable winding a high thermal utilization of the without winding heads Winding is reached.

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.The problem is solved by an arrangement as it is described in the characterizing part of claim 1 becomes. The inventive configuration of the helical winding in four partial windings, all of which start with one Pol and their ends via four controllable, electrical Switching elements with the other pole of the operating voltage source are connected, use is more conventional DC drive devices possible. The winding sections are controlled with the help two Hall probes, the on the inside or outside of the stator coil on the same Surface lines like the beginnings of two partial windings assembled are.

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.The fact that the stator coil on one side outside the air gap from a carrier sleeve not magnetizable, good heat-conducting material is enclosed, the heat dissipation from the Winding enables what is particularly in a vacuum is an advantage.

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.With an even air gap induction, this has from the helical winding induced back emf a sinusoidal curve, which is disadvantageous for the operating voltage source. At Embodiment of the pole faces according to claim 2 can by  the reduced air gap induction in the middle of a pole the arc of the sinusoidal back emf flattened and thus a constant back emf of the motor can be generated.

Mit Hilfe der Fig. 1-3 soll im folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.With the help of Figs. 1-3 to the invention are explained in more detail below, a preferred embodiment.

Fig. 1 zeigt eine Abwicklung der Schrägwicklung mit der Lage der Hallsonden und schematisch den Stromfluß, Fig. 1 shows a development of the helical winding with the position of the Hall probes and schematically the flow of current,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Motor in der Ebene der Hallsonden und Fig. 2 shows a cross section through the motor in the plane of the Hall probes and

Fig. 3 den Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels. Fig. 3 shows the longitudinal section of an embodiment.

Zunächst werden die Fig. 2 und 3 kurz erläutert.First, FIGS. 2 and 3 are briefly explained.

Das Gehäuse, in dem sich die Anordnung befindet, ist mit 9 bezeichnet.The housing in which the arrangement is located is designated by 9 .

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.An iron yoke sleeve 2 with radially magnetized magnets 3 is installed in a rotor 1 with the rotor shaft 7 made of steel, which is supported in the end shields 10 with two magnetic bearings 8 . Arranged in the air gap 11 formed between the bell and the rotor shaft is a stator coil 4 which is fixed to the housing and which projects with its lower end out of the rotor bell and is enclosed by a carrier sleeve 6 made of aluminum. This dissipates the heat loss generated in the stator coil to the housing. The Hall probes 5 are fastened on the inside of the stator coil 4 in the wall of a cylindrical, thin-walled sleeve made of insulating material. With 12 emergency bearings and 13 axial support bearings are designated.

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. Fig. 1 shows the development of the stator coil in its upper part. Starting at a1, the winding runs over half the circumference to the opposite edge and from there on the back goes back to the starting point. From there, the next turn runs parallel to the first. By appropriately continuing this type of winding, a continuous, two-layer winding is obtained, the number of turns, length and diameter of which depend on the wire thickness. The winding is divided into four equal partial windings, the beginnings of which are connected at a1 and the ends of which a2-a5 lead to a collector of a switching transistor. If the pole separating line of the rotor exceeds the Hall probe H1, transistor T1 is switched on. After a quarter of a turn the pole separating line crosses the Hall probe H2, transistor T1 is switched off and transistor T2 is switched on, etc. To generate the control signals, the output voltages of the Hall probes are amplified via a preamplifier, and the output voltages are fed to a known 1 out of 4 decoder, which generates 90 ° offset, 90 ° one-turn pulses for driving the transistors T1 to T4.

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. 1. Collectorless DC motor with a bell-shaped rotor ( 1 ) and a rotor shaft ( 7 ) connected to it in a rotationally fixed manner, with two 180 ° wide, permanently magnetic poles arranged radially on the inside of the rotor ( 1 ) and the rotor shaft ( 7 ) with a radial air gap ( 11 ) is formed, with an ironless stator coil ( 4 ) which projects freely into the air gap ( 11 ) and whose axial length exceeds that of the air gap ( 11 ), with two Hall probes ( 5 ) for position sensing of the rotor ( 1 ) and with four electrical ones Switching elements which are controlled successively by electrical signals from the Hall probes ( 5 ), characterized in that the stator coil ( 4 ) consists of an oblique winding without a winding head with four identical winding sections, and the stator coil ( 4 ) on one side outside the air gap ( 11 ) by one Carrier sleeve ( 6 ) is enclosed from non-magnetizable, good heat-conducting material. 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.2. Collectorless DC motor according to claim 1, characterized in that a 180 ° wide magnetic pole two 90 ° wide, magnetized parallel to their planes of symmetry Magnet segments exist.