DE3710658A1

DE3710658A1 - Elektronisch kommutierter, kollektorloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE3710658A1
Application number: DE19873710658
Authority: DE
Inventors: Josef Dr Ing Feigel; Klaus Dipl Ing Pfendler
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1987-03-31
Publication date: 1988-10-13
Also published as: AU1337088A; JPS63257448A; DE3882567D1; EP0286905A1; EP0286905B1; AU604102B2; CA1292268C; ES2043706T3; US4841186A; ATE92219T1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten, kollektorlosen Gleichstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Gleichstrommotor ist bekannt (Aufsatz: "Elektronikmotor DMc3, ein neuer kollektorloser Gleichstrom-Kleinstmotor" in Siemens-Zeitschrift September 1966, Seiten 690 bis 693). Der bekannte Gleichstrommotor ist beispielsweise für den Antrieb batteriegespeister Tonbandgeräte vorgesehen. Bei diesen Antrieben kommt es in erster Linie auf die Drehzahlkonstanz während des Betriebes an.

Elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren finden heute in größerem Maße Verwendung in Geräten der Datenverarbeitung. Für diesen Verwendungszweck werden elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren benötigt, die bei einem möglichst hohen Betriebsdrehmoment auch ein gutes dynamisches Verhalten, d.h. ein kleines Trägheitsmoment des Läufers und daher kurze Hochlauf- und Abbremszeiten, aufweisen.

Diese Eigenschaft besitzt der bekannte Gleichstrommotor nicht, denn wegen seines massiven Läufers weist er ein verhältnismäßig schlechtes dynamisches Betriebsverhalten auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektronisch kommutierten, kollektorlosen Gleichstrommotor zu schaffen, der ein hohes Drehmoment erzeugt und gleichzeitig ein gutes dynamisches Verhalten besitzt.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Gleichstrommotor durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronisch kommutierten, kollektorlosen Gleichstrommotors im Längsschnitt,

Fig. 2 den Läufer aus Fig. 1 in Querschnitt, und

Fig. 3 den Läufer aus Fig. 1 in der Seitenansicht.

Der erfindungsgemäße elektronisch kommutierte, kollektorlose Gleichstrommotor 1 ist in Fig. 1 abgebildet. Er weist einen Ständer 3 mit einem äußeren magnetischen Rückschluß 2, einen Läufer 4 mit einem inneren magnetischen Rückschluß 11 und zwei Lagerschilde 5, 6 auf. Der Ständer 3 besteht aus einer Ständerwicklung 14, die als Trommelwicklung ausgebildet ist und die in einem Wickelkopf 30 einen fest fixierten zylinderischen Kunststoffring 15 aufweist. Die Ständerwicklung 14 ist freitragend ausgebildet. Die Wicklungsenden 18 sind über eine kreisförmige Anordnung von u-förmig gebogenen Hakenösen 16, die in einem zylindrischen Kunststoffring 15 befestigt sind, geführt. Die Wicklungsenden 18 sind mit den Hakenösen 16 verschweißt, die Hakenösen 16 sind wiederum mit einer Platine 17 verlötet. Zwei Hallsensoren 26 sind in einer Ausnehmung des zylindrischen Kunststoffringes 15 formschlüssig angeordnet und dabei noch mit der Platine 17 verlötet. Die Platine 17 ist formschlüssig mit dem Lagerschild 5 verbunden.

Die Ständerwicklung 14 und der äußere magnetische Rückschluß 2 sind so aufgebaut, daß der Ständer 3 in axialer Richtung in den magnetischen Rückschluß 2 eingeschoben werden kann. Hierzu weist ein aus Dynamoblech geschichtetes Blechpaket als äußerer magnetischer Rückschluß 2 eine Ausnehmung mit kreisförmigem Querschnitt und axial verlaufenden Nuten auf, in denen die Wicklungsstränge 29 der Ständerwicklung 14 angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird eine gute magnetische Kopplung erzeugt.

Der Läufer 4 weist eine Welle 7, die über zwei Lager 8, 9 mit den Lagerschilden 5, 6 verbunden ist, den inneren magnetischen Rückschluß 11 mit einem darauf befindlichen mehrpolig magnetisierten permanentmagnetischen Körper 12 und einen ringförmigen Sensormagneten 13 zur Positionsbestimmung auf. In montiertem Zustand befindet sich der Sensormagnet 13 im Innern des zylindrischen Kunststoffringes 15 im Bereich der Hallsensoren 26.

Der innere magnetische Rückschluß 11 besteht aus einem Stahlzylinder oder aus einer aus Dynamoblechen 10 geschichteten Zylinderwalze. Er weist eine mittlere kreisförmige Ausnehmung 40 mit axial eingeprägten Nuten 35 auf, in der die Welle 7 formschlüssig angeordnet ist. Zur Reduzierung des Trägheitsmoments D weist der innere magnetische Rückschluß 11 noch weitere, nierenförmige Ausnehmungen 41 auf. Der mehrpolig magnetisierte permanentmagnetische Körper 12 ist auf der Mantelfläche des magnetischen Rückschlusses 11 aufgebracht und in radialer Richtung magnetisiert. Der permanentmagnetische Körper 12 besteht aus Magnetstücken 42, die Teil von diametral unterteilten Magnetringen oder Teil von axial eingebetteten Magnetstäben sind.

Die Form der Durchdringungen 41 resultiert aus der Optimierung der Aufgabe des magnetischen Rückschlusses, nämlich der magnetischen Kopplung, die durch einen massiven magnetischen Rückschluß am besten verwirklicht wäre und der Forderung einer möglichst hohen Dynamik des Gleichstrommotors, die beim erfindungsgemäßen Gleichstrommotor durch ein möglichst kleines Trägheitsmoment D angestrebt wird. Für das Trägheitsmoment D gilt:

D = Σ Δ m _i r _i²

mit r _i als Abstand eines Massenelements Δ m _i zur Drehachse. Hieraus wird deutlich, daß die Massenelemente Δ m _i mit großem Abstand r _i zur Drehachse das Trägheitsmoment D maßgeblich bestimmen und daß bei der Ausgestaltung der Ausnehmungen 41 die Form im Bereich großen Abstandes r _i besonders wichtig ist.

Gerade die Massenelemente Δ m _i mit größerem r _i tragen aber wesentlich zum magnetischen Rückschluß des mehrpolig magnetisierten permanentmagnetischen Körpers 12 bei. Die optimale Ausführung des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors 1 liegt dann vor, wenn berücksichtigt ist, daß die Magnetstücke 42 in diametraler Richtung einen unterschiedlich starken Rückschluß benötigen. So ist der magnetische Fluß in diametraler Richtung in einem Bereich 43 zwischen zwei Magnetstücken am stärksten, was einen in diesem Bereich 43 größeren Rückschluß erfordert.

Der innere magnetische Rückschluß 11 weist daher im Querschnitt betrachtet einen inneren Ring 44 und einen äußeren Ring 45 auf, die durch Stege 46 miteinander verbunden sind. Die Stege 46 sind an den Bereichen 43 zwischen den Magnetstücken 42 angeordnet. Der äußere Ring 45 weist dabei in der Mitte zwischen den Stegen 45 die geringste Dicke auf, die zu den Stegen 46 hin zunimmt. Der Übergang vom äußeren Ring 45 zu den Stegen 46 verläuft fließend. Die Freiräume zwischen den beiden Ringen 45, 46 und zwischen benachbarten Stegen 46 weisen somit einen nierenförmigen Querschnitt auf.

Anstelle der nierenförmigen Ausnehmungen 41 können auch nur einfach Bohrungen angeordnet sein (keine Abbildung), die sicherlich eine Abweichung von der optimalen Geometrie darstellen, aber gerade bei Verwendung eines Stahlzylinders als inneren magnetischen Rückschluß 11 eine kostengünstige Ausführung darstellen.

Zur Reduzierung des Rastmoments, das besonders bei niedriger Polzahl auftritt, ist der mehrpolig magnetisierte permanentmagnetische Körper 12 in drei Magnetsegmente 47, 48, 49, die diametral jeweils um einen Winkel α verschoben angeordnet sind, aufgeteilt (Fig. 3). In diesem Fall sind die Stege 46 im Bereich 43 zwischen den Magnetstücken 42 des mittleren Magnetsegments 48 angeordnet, wie dies auch in Fig. 2 abgebildet ist. Die Stege und die Bereiche zwischen den Magnetstücken der äußeren Magnetsegmente 47 und 49 sind somit um +a und -α verschoben zueinander angeordnet. Zur Reduzierung des Rastmoments können die einzelnen Bleche, wenn der innere magnetische Rückschluß ein Blechpaket aufweist, wendelförmig verdrallt angeordnet sein, wobei der permanentmagnetische Körper nur ein Magnetsegment aufweist. Diese Lösungen haben zwar einen schlechteren magnetischen Rückschluß, aber dafür ein geringeres Restdrehmoment zur Folge.

Es ist auch denkbar, den inneren magnetischen Rückschluß 11 ebenfalls axial in drei Teile zu untergliedern und diese jeweils optimal zu den entsprechenden Magnetsegmenten anzuordnen.

Claims

1. Elektronisch kommutierter, kollektorloser Gleichstrommotor mit einem einen mehrpolig magnetisierten parmanentmagnetischen Körper, eine Welle und einem inneren magnetischen Rückschluß aufweisenden Läufer und mit einer den Läufer umgebenden mehrpoligen Ständerwicklung, die außen von einem magnetischen Rückschluß umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der innere magnetische Rückschluß (11) axial ausgebildete Ausnehmungen (41) aufweist und zwischen der Welle (7) und dem permanentmagnetischen Körper (12) angeordnet ist.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des inneren magnetischen Rückschlusses (11) einen inneren Ring (44) und einen äußeren Ring (45) aufweist, daß der permanentmagnetische Körper (12) diametral angeordnete Magnetstücke (42) aufweist und daß die beiden Ringe (44, 45) durch mehrere, der Anzahl von Magnetstücken (42) entsprechende Stege (46) miteinander verbunden sind.

3. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ring (45) an unterschiedlichen Stellen eine unterschiedliche Dicke aufweist, wobei die Dicke in der Mitte zwischen zwei Stegen (46) am geringsten und an den Stegen (46) am größten ist.

4. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (46) wenigstens in den äußeren Ring (44) fließend übergehen.

5. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der permanentmagnetische Körper (12) radial magnetisiert ist und die Stege (46) im Bereich zwischen den Magnetstücken (42) angeordnet sind.

6. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der permanentmagnetische Körper (12) in mehrere axiale Magnetsegmente (47, 48, 49) aufgeteilt ist, daß diese Magnetsegmente (46, 47, 48) diametral zueinander versetzt angeordnet sind und daß die Stege (46) im Mittel zwischen den Magnetstücken (42) angeordnet sind.

7. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der innere magnetische Rückschluß (11) aus einem Stahlzylinder oder aus einer aus Dynamoblech geschichteten Zylinderwalze besteht.

8. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der permanentmagnetische Körper (12) aus einem oder mehreren Magnetringen oder aus Magnetstäben gebildet ist.