DE3913501A1 - Kommutatorloser, magnetisch gesteuerter elektromotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kommutatorlosen Gleichstrommotor und insbesondere einen kommutatorlosen Elektromotor, bei dem eine magnetische Steuerschaltung zum Umkehren der Polarität der Feldspulen gemäß verschiedenen Winkellagen des Rotors vorgesehen ist.

Bei bekannten Motoren sind Feldmagnete innerhalb eines Gehäuses angebracht, wobei innerhalb der Feldmagnetanord­ nung der Rotor konzentrisch bezüglich der Drehwelle ange­ bracht ist. Derartige Elektromotoren sind derart aufge­ baut, daß Wicklungen auf dem Rotor zur Erzeugung von Mag­ netfeldern aufgewickelt sind. Aus diesem Grunde wird ein Kommutator benötigt, um elektrische Ströme zu den Rotor­ wicklungen zuzuführen. Dies bedeutet, daß eine Bürste und ein Kommutator, der fest an dem Rotor angebracht ist, vor­ gesehen sind, so daß der Rotor Wechselmagnetfelder aufgrund der Kommutatordrehung erzeugen kann, wobei die Ströme durch die Bürsten und den Kommutator zugeführt werden. Bei einem derartigen Elektromotor besteht ein Nachteil darin, daß die Kontaktabschnitte zwischen dem Kommutator und der Bürste aufgrund von Reibungen beschä­ digt werden, die durch die Drehbewegung des Kommutators erzeugt werden.

Daher besteht ein Bedarf an Elektromotoren des kontakt­ losen Types. Bei Elektromotoren des kontaktlosen Types, die bereits vorgeschlagen wurden und in der koreanischen Patentanmeldung 86-2 085 beschrieben sind, werden Perma­ nentmagnete in dem Rotor verwendet, wobei die Rotordrehung durch wiederholtes Umkehren der Magnetpole der magneti­ schen Feldkerne herbeigeführt wird. Die genannte koreani­ sche Anmeldung offenbart einen bürstenlosen Multiphasen- Bipolar-Gleichstrommotor, bei dem jede Phase eine unab­ hängige Treiberschaltung (elektronischer Kommutator), eine unabhängige Feldwicklung und einen unabhängigen Lagesensor in der Weise aufweist, daß die jeweiligen Phasen parallel an eine gemeinsame Gleichstromleistungsquelle angeschlos­ sen sind, wobei jeder Sensor in einem Winkelabstand des Wellenwinkels (2π/Polzahl geteilt durch Phasenzahl) an­ geordnet ist. Die elektrische Lage des Rotors wird mittels der Sensoren für die jeweiligen elektrischen Phasen er­ faßt, um zu den jeweiligen Treiberschaltungen Signale zu­ zuführen, so daß Betätigungsströme durch die Wicklungen der jeweiligen Phasen fließen. Um eine Motordrehung mit hohem Wirkungsgrad zu erzielen, wird die Lage der Sensor­ platte und des Sensors erfaßt, wobei wenigstens drei oder mehr Phasen derart vorgesehen sind, daß der elektrische Winkel (π geteilt durch Phasenzahl) durch die Anzahl der Phasen bestimmt wird, und daß die Drehmomentwelligkeit mit ansteigender Phasenzahl verbessert wird. Der obige Aufbau entspricht demjenigen gemäß der genannten koreanischen Patentanmeldung.

Wenn jedoch bei einem derartigen Elektromotor die Anzahl der Feldmagnetkerne ansteigt, werden wenigstens drei oder mehr Phasen der elektrischen Ströme benötigt. Da ein unab­ hängiger Treiberstrom für jede Phase vorgesehen ist, ist der Aufbau des Motors äußerst kompliziert. Ein weiteres Problem betrifft Schwierigkeiten beim Anlassen des Motors.

Im Hinblick auf diesen Stand der Technik liegt der vorlie­ genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kommutator­ losen Elektromotor zu schaffen, dessen Treiberschaltung für die Magnetfeldkerne eine einfache Struktur aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen kommutatorlosen Elektro­ motor gemäß den Ansprüchen 1, 2 und 6 gelöst.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Elektromotors liegt darin, daß dieser ein hohes Drehmoment hat. Ein wei­ terer Vorteil des erfindungsgemäßen kommutatorlosen Elektromotores liegt darin, daß dieser sehr schnell an­ läuft.

Der erfindungsgemäße Elektromotor hat einen zylindrischen Rotor, der zumindest teilweise aus einem Permanentmagneten besteht und innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, eine Mehrzahl von magnetischen Feldkernen, die innerhalb des zylindrischen Rotors angeordnet sind, Feldwicklungen, die um die magnetischen Feldkerne gewickelt sind, um die Kerne zu magnetisieren, und Lageerfassungssensoren zum Erfassen der Lage der magnetischen Pole des Rotors.

Die magnetischen Feldkerne, die innerhalb des zylindri­ schen Rotors angeordnet sind, sind in einer geraden Zahl vorgesehen. Die magnetischen Feldkerne sind derart ange­ ordnet, daß benachbarte Kerne entgegengesetzte Magnetpole zueinander aufgrund der entgegengesetzten Flußrichtungen der elektrischen Ströme durch die benachbarten magneti­ schen Feldwicklungen erzeugen. Dies bedeutet, daß bei Er­ zeugen von Plus/Minus-Magnetpolen durch einen der benach­ barten Kerne der andere der Kerne Minus/Plus-Magnetpole erzeugt. Um ein schnelles Anlaufen oder Starten zu erzie­ len und um eine hohe Drehzahl zu erreichen, sind die be­ nachbarten magnetischen Feldkerne derart ausgebildet, daß sie zueinander unterschiedlich große Magnetfelder erzeu­ gen.

Derartige Magnetfelder von unterschiedlicher Größe können erhalten werden, indem eine Anordnung gewählt wird, bei der die magnetischen Feldkerne unterschiedliche Größen haben oder bei der die Anzahl der Wicklungen für die un­ terschiedlichen Kerne unterschiedlich ist.

Jedoch werden einander gegenüberliegende Kerne derart aus­ gebildet, daß sie Magnetfelder derselben Größe erzeugen, um eine gleichmäßige Rotordrehung zu erzielen.

Die Lageerfassungssensoren zum Erfassen der magnetischen Lagen des Rotors sind in gerader Anzahl vorgesehen und können an der Innenseite der Seitenwand des Motors ange­ ordnet sein.

Eine Treiberschaltung zum Umkehren der elektrischen Phase in Reaktion auf das Ausgangssignal der Lageerfassungs­ sensoren liegt außerhalb des Elektromotors. Die Ermitt­ lung der Lage einer derartigen Treiberschaltung steht nicht in Beziehung zu der mechanischen Struktur des Elektromotors.

Wenn daher bei einem Elektromotor mit dem obigen Aufbau anfängliche elektrische Ströme zum Anlassen des Motors zu­ geführt werden, wird die Lage der Magnetpole des Rotors durch einen der Lageerfassungssensoren erfaßt, woraufhin die magnetischen Feldkerne durch die elektrischen Ströme, die durch die Wicklungen der Kerne fließen, magnetisiert werden. Zu diesem Zeitpunkt werden die Magnetpole der magnetischen Feldkerne mit Polaritäten erzeugt, die ent­ gegengesetzt zu den Polaritäten des Permanentmagneten des Rotors. Daher verursachen die Abstoßungskräfte zwischen den magnetischen Feldkernen und dem Permanentmagneten des Rotors das Anlaufen oder anfängliche Drehen desselben.

Wenn der Rotor geringfügig gedreht wird, wird die Lage des Magnetpoles des Rotors durch einen anderen Lageerfassungs­ sensor erfaßt. Erneut wird ein elektrischer Strom zu den magnetischen Feldkernen zu deren Magnetisierung in der Weise zugeführt, daß die magnetischen Feldkerne und der Permanentmagnet des Rotors Abstoßungskräfte zwischenein­ ander erzeugen, wodurch die Drehung des Rotors fortgesetzt wird. Ferner sind die Magnetfelder, die durch benachbarte magnetische Feldkerne erzeugt werden, in ihrer Größe un­ terschiedlich, so daß ungleichmäßige Magnetfelder inner­ halb des Elektromotors erzeugt werden, wodurch die Drehung des Elektromotors erleichtert wird. Ferner tritt bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor kein toter Punkt auf, der bei dem oben erläuterten Elektromotor nach dem Stand der Technik auftritt, wodurch die Drehzahl des Motors ver­ gleichmäßigt wird. (Als Totpunkt wird der Punkt definiert, bei dem sich der magnetische Fluß von der Feldspule und derjenige des Rotors rechtwinklig kreuzen oder parallel zueinander vorliegen, so daß keine Drehkraft auftreten kann.)

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Beispiel eines Gleichstrommotors nach dem Stand der Technik und bevorzugte Ausführungsformen des Gleichstrommotores gemäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Gleichstrommotor nach dem Stand der Technik;

Fig. 2A eine geschnittene Frontansicht eines wichtigen Teiles eines Aus­ führungsbeispieles des erfindungs­ gemäßen Elektromotors;

Fig. 2B eine geschnittene Vorderansicht eines wichtigen Teiles eines ande­ ren Ausführungsbeispieles des er­ findungsgemäßen Elektromotores;

Fig. 2C eine Ausführungsform der Anord­ nungen der magnetischen Steuer­ schaltungen für den erfindungsge­ mäßen Elektromotor;

Fig. 3A, 3B, 3C und 3D Betriebszustände eines Ausfüh­ rungsbeispiels des erfindungsge­ mäßen Elektromotors;

Fig. 3E, 3F, 3G und 3H Betriebszustände eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Elektromotors;

Fig. 4A eine Schnittdarstellung der zusam­ mengesetzten Struktur eines Aus­ führungsbeispiels des erfindungs­ gemäßen Elektromotors; und

Fig. 4B eine Schnittdarstellung der zusam­ mengesetzten Struktur einer ande­ ren Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Elektromotors.

In Fig. 1 ist der Motor nach dem Stand der Technik darge­ stellt, dessen Bauweise derart ist, daß ein Feldmagnet 10 innerhalb eines Gehäuses 9 angeordnet ist, wobei inner­ halb des Feldmagneten 10 ein Rotor 12 mit einer Welle 15 drehbar angeordnet ist. Der Rotor 12 ist mit Rotorwicklun­ gen 11 versehen, so daß der Rotor magnetische Felder er­ zeugen kann. Das Zuführen von elektrischen Strömen zu den Rotorwicklungen 11 geschieht mittels einer Bürste 13 und eines Kommutators 14 durch Bewegung des Kontaktbereiches zwischen der Bürste 13 und dem Kommutator 14.

Bei einem derartigen bekannten Elektromotor entstehen Funken bei der Bewegung des Kontaktabschnittes auf dem Kommutator, so daß dieser beschädigt werden kann. Ferner wird dynamische Leistung durch die Drehung des Rotors er­ zeugt. Aus diesem Grunde muß der Motordurchmesser erhöht werden, wenn eine erhöhte dynamische Leistung erzielt wer­ den soll, während bei Servomotoren die axiale Länge des Rotors zu erhöhen ist. Diese Merkmale laufen auf eine Er­ höhung des Gesamtvolumens des Motors hinaus. Ferner bewir­ ken die im Kontaktbereich des Kommutators entstehenden Funken eine Lärmerzeugung und tragen zu der Aussendung von Störsignalen durch den Motor bei, wodurch sich Probleme bei der Motorwartung ergeben. Insbesondere bewirkt die Massigkeit des Motors eine Beschränkung bei der Miniaturi­ sierung für automatische Präzisionsapparate.

Nachfolgend werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Elektromotors detailliert beschrieben. Wie in Fig. 2A ge­ zeigt ist, umfaßt ein Gehäuse 8 einen zylindrischen Rotor 6, der einen Permanentmagneten umfaßt und durch eine Dreh­ welle 7 getragen wird. Stationäre Magnetfeldkerne 1, 2, 3, 4, die aus vier vorstehenden Kernen bestehen, sind in einen axial hervorstehenden Zylinder 9 eingepaßt. Die Feldmagnetkerne 1, 2, 3, 4 haben Feldwicklungen L 1, L 2. Die Feldwicklungen L 1 dienen für die Feldmagnetkerne 1, 3, während die Feldwicklungen L 2 für die Feldmagnetkerne 2, 4 dienen und derart betrieben werden, daß die beiden Wick­ lungssätze L 1, L 2 entgegengesetzte Magnetpolaritäten wäh­ rend des Betriebes des Elektromotores erzeugen.

Magnetische Miniatursensoren SN, SN′ sind jeweils in einer Lage unmittelbar unter dem linken Randabschnitt der Sei­ tenwand des Gehäuses 8 und in einer Lage unmittelbar unter dem oberen Abschnitt der Seitenwand des Gehäuses 8 in der Weise angeordnet, daß die Sensoren die Lagen der Magnet­ pole des Rotors erfassen können, wobei die Relativlage zwischen den magnetischen Sensoren durch die Anzahl der Feldmagnetkerne oder durch die Anzahl der Feldmagnetpole bestimmt wird.

Die Fig. 2, 3, 4 zeigen vier Feldmagnetkerne und einen einzigen Nordpol sowie einen einzigen Südpol für den Rotor. Jedoch kann die Zahl dieser Komponenten zusammen mit der Lage und der Anzahl der magnetischen Sensoren in Abhängigkeit von dem benötigten Drehmoment und dem Anwen­ dungsfall variiert werden.

Fig. 2B zeigt die Beziehung zwischen der Lage der Magnet­ sensoren SN, SN′ und den Magnetpolen 6 des Rotors auf der Grundlage der Annahme, daß der Motor die in Fig. 2A ge­ zeigte Struktur hat, einschließlich der elektrischen Pola­ ritäten der Feldwicklungen L 1, L 2 und des Zeitpunktes der Polaritätsumkehr der elektrischen Ströme.

Wenn der Südpol des Rotors sich den magnetischen Sensoren SN, SN′ nähert, erzeugen diese einen Plus-Pol mit sphäri­ schem Signalverlauf, während diese bei Annäherung an einen N-Pol des Rotors einen umgekehrten Minus-Puls abgeben.

Die Triggergatter T 1 bis T 4 dienen zum Triggern der Schaltgatter (Schalttransistoren) TR 3 bis TR 6, TR 3′ bis TR 6′ und werden durch die Pulsphasen der Magnetsensoren betätigt. Wenn die Pulsphase des Magnetsensors plus ist, werden Triggergatter T 1, T 3 in einen umgekehrten Zu­ stand gebracht, so daß sich ihr Ausgang nach minus ändert, während die Gatter T 2, T 4 in ihrem normalen Zustand blei­ ben.

Wenn andererseits die Pulsphase des Magnetsensors minus ist, werden die Triggergatter T 2, T 4 auf ein Plus-Poten­ tial umgeschaltet, während die entgegengesetzten Trigger­ gatter T 1, T 3 den normalen Zustand beibehalten. Wenn daher die Phase des Sensors plus ist, werden die Gatter T 1, T 3 eingeschaltet und die Gatter T 2, T 4 ausgeschaltet. Wenn die Phase des Sensors minus ist, werden die Gatter T 2, T 4 ein­ geschaltet und die Gatter T 1, T 3 ausgeschaltet.

Die Schaltgatter TR 3 bis TR 6, TR 3′ bis TR 6′ bestehen aus Transistoren und SCRs (Schaltelementen). Die Gatter TR 3, TR 3′ und TR 6, TR 6′ werden betrieben oder angesteuert, wenn die Triggergatter T 2, T 4 in einem umgekehrten und ver­ stärkenden Zustand sind, d. h. wenn die Phase des Pulses des Magnetsensors minus ist, wodurch das Schalten an den entgegengesetzten Enden der Feldwicklungen L 1 derart ausgeführt wird, daß die elektrische Polarität am Punkt A der Feldwicklung L 1 plus wird und die elektrische Polari­ tät am Punkt A′ minus wird, während die elektrische Polarität am Punkt B der Feldwicklung L 2 ebenfalls plus wird und die elektrische Polarität am Punkt B′ minus wird.

Wenn andererseits die N-Pole des Rotors von der Lage des Magnetsensors abweichen und wenn die S-Pole des Rotors sich an den Magnetsensor annähern, wird die Phase des Mag­ netsensors von minus nach plus umgekehrt, so daß die Gatter T 2, T 4 in dem normalen Zustand bleiben und die Gatter T 1, T 3 umgeschaltet werden, was zum Ergebnis führt, daß die Schaltgatter TR 4, TR 4′ und TR 5, TR 5′ getriggert werden. Demzufolge wird das Schalten an entgegengesetzten Enden der Feldwicklungen L 1, L 2 in einer solchen Art aus­ geführt, daß die elektrischen Polaritäten an den Punkten A, B minus werden und die elektrischen Polaritäten an den Punkten A′, B′ plus werden. Wenn sich daher der S-Pol des Rotors dem Magnetsensor nähert, werden die Schaltgatter TR 4 und TR 5 jeweils zu einem Plus-Strom und zu einem Minus-Strom umgeschaltet, während andererseits bei Annähe­ rung des Nordpoles des Rotors an den Magnetsensor die Schaltgatter TR 3 und TR 6 jeweils zur Plus-Phase und zur Minus-Phase umgeschaltet werden. Daher werden die elektri­ schen Polaritäten an den entgegengesetzten Enden der Feld­ wicklung L 1 durch die Phase der Pulse des Magnetsensors bestimmt.

Auch im Falle des Magnetsensors SN′ wird bei Annäherung des S-Poles des Rotors an diesen Sensor das Schaltgatter TR 4′ und das Schaltgatter TR 5′ jeweils zu einem Plus-Strom und zu einem Minus-Strom umgeschaltet, während bei Annähe­ rung des N-Poles des Rotors an den Magnetsensor SN′ die Schaltgatter TR 3′ und TR 6′ zu einem Plus-Strom und zu einem Minus-Strom umgeschaltet werden. Daher werden die elektrischen Polaritäten an den entgegengesetzten Enden der Feldwicklung L 2 durch die Phase der Pulse des Magnet­ sensors SN′ bestimmt.

Wie in Fig. 2A gezeigt ist, können die Feldwicklungen L 1, die auf die Feldmagnetkerne 1, 3 gewickelt sind, und die Feldwicklungen L 2, die auf die Feldmagnetkerne 2, 4 ge­ wickelt sind, jeweils ihre Polaritäten umkehren, so daß die magnetischen Polaritäten der Feldmagnetkerne durch die Winkellage des Rotors ermittelt wird, wodurch der Rotor 6 sich ständig dreht.

Im Gegensatz zu dem bekannten Motor, dessen Drehzahl durch Steuern der angelegten Spannung gesteuert wird, kann der erfindungsgemäße Elektromotor in seiner Drehzahl in ein­ facher Weise durch Verzögerung des Zeitpunktes der Phase durch die Magnetsensoren ausgesandten Pulse gesteuert wer­ den, so daß Drehmomentunterschiede zwischen sehr hohen Drehzahlen und sehr niedrigen Drehzahlen nicht festge­ stellt werden können.

Ein äußerer Steueranschluß PC dient zum Steuern der Dreh­ zahl und Drehrichtung. Falls es nötig ist, eine Mehrzahl von Motoren mit gleicher Drehzahl und gleicher Drehrich­ tung zu steuern, braucht lediglich einer der Motoren mit Magnetsensoren SN, SN′ versehen sein, so daß die Pulse von diesen Magnetsensoren durch äußere Verbindungsanschlüsse PC zu dem Rest der Elektromotoren zugeführt werden können, um die gleiche Drehzahl und Drehrichtung für alle betrof­ fenen Elektromotoren zu erzielen.

Die Betriebszustände der oben beschriebenen kommutator­ losen, magnetgesteuerten Elektromotoren, die gemäß den obigen Prinzipien betrieben werden, sind in Fig. 3 darge­ stellt.

Fig. 3A zeigt einen Zustand, bei dem sich der Südpol des Rotors 6 dem Magnetsensor SN nähert. Hier nähert sich der Nordpol des Rotors dem Magnetsensor SN′, so daß gemäß Fig. 2B die elektrischen Polaritäten der entgegengesetzten Enden der Feldwicklung L 1 durch die Phase des Pulses des Magnetsensors SN bestimmt werden, das Triggergatter T 2 um­ gekehrt wird, um die Schaltgatter TR 4, TR 5 zu triggern, da die Pulsphase des Magnetsensors SN plus ist aufgrund der Tatsache, daß sich der Südpol des Rotors dem Magnetsensor SN nähert. Daher wird an den entgegengesetzten Enden der Feldwicklung L 1 ein Schaltvorgang in der Weise ausgeführt, daß die elektrische Polarität an dem Punkt A der Feldwick­ lung L 1 minus wird, während diese am Punkt A′ plus wird. Ferner sind die Feldwicklungen L 1 auf den Feldmagnetkernen 1, 3 derart gewickelt, daß im Falle einer Minus-Polarität und Plus-Polarität an den Punkten A, A′ der Feldmagnetkern 1 einen Nordpol und der Feldmagnetkern 3 einen Südpol er­ zeugt. Wenn sich daher der Südpol des Rotors dem Magnet­ sensor SN nähert, werden der Feldmagnetkern 1 und der Feldmagnetkern 3 magnetisiert, um jeweils den Nordpol und den Südpol zu erzeugen.

Wenn sich unterdessen der Nordpol des Motors dem Magnet­ sensor SN′ nähert, erzeugt der Magnetsensor SN′ einen Puls mit Minus-Phase. Daher wird gemäß Fig. 2B das Trigger­ gatter T 4 durch einen Widerstand R 10 durch den Minus-Puls des Sensors SN′ in seinem Zustand umgekehrt, um die Schaltgatter TR 3′, TR 6′ über die Widerstände R 5, R 6 zu triggern. Daher wird ein Schalten in der Weise durchge­ führt, daß die elektrische Polarität des Punktes B der Feldwicklung L 2 plus wird und die elektrische Polarität am Punkt B′ minus wird, was dazu führt, daß der Feldmagnet­ kern 2 und der Feldmagnetkern 4 magnetisiert werden, um jeweils den Südpol und den Nordpol aufgrund der Stromfluß­ richtung durch die Feldwicklungen zu erzeugen.

Wie in Fig. 3A gezeigt ist, werden die Feldmagnetkerne 1, 2, 3 und 4 magnetisiert, um Nord-, Süd-, Süd- und Nordpole zu erzeugen, so daß die Feldmagnetkerne 1, 3 einer absto­ ßenden Wirkung mit dem Magnetpol des Rotors unterzogen werden, während die Feldmagnetkerne 2, 4 eine anziehende Wirkung auf den Magnetpol des Rotors ausüben, da die Pola­ rität der erstgenannten die gleiche wie die des Rotors und da die Polarität der letztgenannten unterschiedlich bezüg­ lich der des Rotors ist. Da die Feldmagnetkerne fest be­ festigt sind, dreht sich der Rotor 6 ständig zusammen mit der Welle 7.

Fig. 3B zeigt einen Zustand, bei dem der Südpol des Rotors 6 sich beiden Magnetsensoren SN, SN′ nähert. Daher ist die Pulsphase des Magnetsensors SN plus, wodurch die gleiche elektrische Polarität verglichen mit derjenigen der Feld­ wicklung L 1 gemäß Fig. 3A erzeugt wird, so daß die Feld­ magnetwicklung 1 und die Feldmagnetwicklung 3 magnetisiert werden, um jeweils Nordpole und Südpole zu erzeugen.

Unterdessen wird für die Feldmagnetkerne 2, 4 aufgrund der positiven Phase des Pulses des Magnetsensors SN′ das Triggergatter T 3 rückgesetzt, um die Schaltgatter TR 4′, TR 6′ zu triggern, wodurch das Schalten in der Weise aus­ geführt wird, daß die elektrische Polarität an dem Punkt B′ der Feldwicklung L 2 plus wird und die elektrische Pola­ rität an dem Punkt B minus wird. Aufgrund dieser Richtung des elektrischen Stromflusses durch die Feldwicklung L 2, die um die Feldmagnetkerne 2, 4 gewickelt ist, werden die Feldmagnetkerne 2, 4 magnetisiert, um magnetische Pole entgegengesetzt zu denjenigen gemäß Fig. 3A zu erzeugen, wodurch die Polaritäten der Feldmagnetkerne 2, 4 Nord bzw. Süd gemäß Fig. 3B werden. Daher übt der Feldmagnetkern 1 mit dem Nordpol eine Abstoßungskraft auf den Nordpol des Rotors 6 aus. Gleichzeitig zieht dieser den Mittelpunkt des Südpoles des Rotors an, während der Feldmagnetkern 3 mit dem Südpol eine Abstoßungskraft gegen den Südpol des Rotors ausübt und gleichzeitig die Mitte des Nordpoles des Rotors anzieht.

Unterdessen üben die Feldmagnetkerne 2, 4, die jeweils die gleiche Polarität wie diejenige des Rotors haben, Absto­ ßungskräfte gegen die Rotorpole aus, während gleichzeitig der Kern 2 und der Kern 4 aufgrund der Wirkungen der Feld­ magnetkerne 1, 3 die Pole des Rotors in Richtung zum Kern 3 und zum Kern 1 hinstoßen, wodurch eine kontinuierliche Drehung des Rotors 6 und der Welle 7 in Pfeilrichtung be­ wirkt wird.

Fig. 3C zeigt einen Zustand, bei dem die Winkellage des Rotors entgegengesetzt angeordnet verglichen mit derjeni­ gen gemäß Fig. 3A ist. Der Nordpol des Rotors nähert sich dem Magnetsensor SN. Daher ist die Phase des Pulses des Magnetsensors SN minus, während die Pulsphase des Magnet­ sensors SN′ plus ist, da sich der Südpol des Rotors dem Magnetsensor SN′ nähert.

Daher werden die Feldmagnetkerne 2, 4 magnetisiert, um einen Nordpol und einen Südpol zu erzeugen, wobei die Polaritäten denjenigen gemäß Fig. 3B entsprechen. Da die Phase des Pulses des Magnetsensors SN minus ist, wird das Triggergatter T 2 in seinem Zustand umgekehrt, um die Schaltgatter TR 3, TR 6 zu triggern, um dadurch ein Umschal­ ten in der Weise auszuführen, daß die elektrische Polari­ tät am Punkt A der Feldwicklung L 1 plus wird und die elek­ trische Polarität am Punkt A′ minus wird. Da der elektri­ sche Strom durch die Feldwicklung L 1 in der entgegenge­ setzten Richtung bezüglich derjenigen Fig. 3B fließt, wer­ den die Feldmagnetkerne 1, 3 magnetisiert, um Südpol und Nordpol zu erzeugen.

Da zu diesem Zeitpunkt die Feldmagnetkerne 2, 4 magneti­ siert sind, um den Südpol und den Nordpol zu erzeugen, wird der Feldmagnetkern 1 mit der gleichen Polarität wie diejenige des Rotors selbigen abstoßen und der Feldmagnet­ kern 2 den Südpol des Rotors anziehen, wobei der Feld­ magnetkern 3 mit dem Nordpol den Nordpol des Rotors ab­ stößt und der Feldmagnetkern 4 mit dem Südpol den Nordpol des Rotors anzieht, wodurch eine Drehung des Rotors 6 und der Welle 7 in Pfeilrichtung bewirkt wird.

Wenn ausgehend von diesem Zustand der Nordpol des Rotors sich dem Magnetsensor SN′ nähert, wird die elektrische Polarität der Feldwicklung L 2 umgekehrt.

Bei dem in Fig. 3D gezeigten Zustand sind die Rotorpole entgegengesetzt angeordnet bezüglich der Lage nach Fig. 3B, wobei sich der Nordpol des Rotors sowohl dem Magnetsensor SN wie auch dem Magnetsensor SN′ nähert, so daß sämtliche Pulsphasen der Magnetsensoren minus werden.

Daher wird die Pulsphase des Magnetsensors SN minus, so daß das Triggergatter TR 2 in seinem Zustand umgekehrt wird, um die Schaltgatter TR 3, Tr 6 umzuschalten, wodurch ein Schalten in der Weise bewirkt wird, daß die elektri­ sche Polarität an dem Punkt A der Feldwicklung L 1 plus wird und die elektrische Polarität an dem Punkt A′ minus wird, was dazu führt, daß die Feldmagnetkerne 1 und 3 magnetisiert werden, um einen Südpol und einen Nordpol zu erzeugen.

Währenddessen ist die Pulsphase des Magnetsensors SN′ gleichfalls minus, so daß das Triggergatter T 4 in seinem Zustand umgekehrt wird, um die Schaltgatter TR 3′, TR 6′ zu triggern, um dadurch ein Schalten in der Weise zu erzeu­ gen, daß die elektrische Polarität am Punkt B der Feld­ wicklung L 2 plus wird und daß die elektrische Polarität am Punkt B′ minus wird. Daher werden die Feldmagnetkerne 2 und 4 zur Erzeugung von einem Südpol und einem Nordpol magnetisiert, was dazu führt, daß der Feldmagnetkern 1 mit dem Südpol den Südpol des Rotors abstößt und gleichzeitig den Nordpol desselben anzieht und der Feldmagnetkern 2 mit dem Südpol den Südpol des Rotors abstößt und diesen in die Lage des Feldmagnetkerns 3 stößt und daß der Feldmagnet­ kern 3 mit dem Nordpol den Nordpol des Rotors abstößt in die Lage des Feldmagnetkerns 4 und gleichzeitig den Süd­ pol des Rotors anzieht.

Der Feldmagnetkern 4 mit dem Nordpol stößt den Nordpol des Rotors ab, so daß die Wirkungen der Feldmagnetkerne 2, 4 die gleichen sind wie diejenigen der Feldmagnetkerne 1, 3. Daher dreht sich der Rotor 6 zusammen mit der Welle 7 in der durch den Pfeil gezeigten Richtung. Die einzelnen Be­ tätigungen sind in den Fig. 3A, 3B, 3C und 3D dargestellt und wiederholen sich, so daß sich der kommutatorlose, magnetisch gesteuerte Elektromotor gemäß der vorliegenden Erfindung ständig dreht.

Ein vollständiges Ausführungsbeispiel des kommutatorlosen, magnetisch gesteuerten Elektromotors, der nach den obigen Prinzipien betrieben wird, ist in Fig. 4B in einem zusam­ mengesetzten Zustand in Schnittdarstellung gezeigt. Gemäß dieser Zeichnung werden Feldmagnetkerne 18, die Feldspulen 19 aufnehmen, fest an der Innenumfangsfläche des Gehäuses 16 angebracht. Lager 22, 22′ sind in Mittenbereiche der Seitenwände des Gehäuses 16, 16′ eingepaßt, um eine Dreh­ lagerung für die Welle 25 um den Mittenabschnitt der Welle 25 zu bilden. Ein Rotorkern 21 ist mit Preßsitz eingepaßt. Auf diesem ist ein zylindrischer Permanentmagnet 20 ange­ bracht. Der Permanentmagnet 20 und der Rotorkern 21 bilden den Rotor. Magnetische Sensoren 26, 26′ sind an der Innen­ seite der Seitenwand des Gehäuses 16′ in einem geeigneten Winkel unter Berücksichtigung der Polanordnung des Rotors angebracht.

An der Außenwand des Gehäuses 16′ ist eine Magnetsteuer­ schaltungsplatine 28 angeordnet, die mit einer äußeren Wand 16′′ des Gehäuses 16′ bedeckt ist.

Wenn bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der benö­ tigte Motor kleine Abmessungen haben soll, kann der Rotorkern 21 fortgelassen werden und der Permanentmagnet 20 direkt auf der Welle 25 angebracht werden. Im Falle mittelgroßer oder großer Motoren kann der Rotorkern 21 innerhalb des Permanentmagnetes 20 aus wirtschaftlichen Gründen angeordnet sein, wobei das Material des Rotors­ kernes Aluminium oder dgl. sein kann.

Wie beschrieben, benötigt der magnetisch gesteuerte Elek­ tromotor gemäß der vorliegenden Erfindung keinen Kommuta­ tor, welcher bei bekannten Motoren vielfältige Probleme verursacht. Die Anordnung gemäß der Erfindung benötigt keinen getrennten Steuerinverter oder dgl., der in einem IC-Servomotor oder in einem Schrittmotor benötigt wird. Ferner hat der Elektromotor gemäß der Erfindung einfache Schaltungen und kann sämtliche benötigten Schaltungen in dem Motor aufnehmen. Ferner weist der erfindungsgemäße Elektromotor eine einfache Struktur auf und benötigt lediglich Komponenten, wie Magnetsensoren oder Elemente, die im Handel erhältlich sind, wodurch die Herstellungs­ kosten niedrig gehalten werden können. Ferner benötigt der erfindungsgemäße Elektromotor keine Wartungsarbeiten und kann daher zuverlässig in automatischen Geräten eingesetzt werden.

Claims (6)

1. Kommutatorloser, magnetisch gesteuerter Elektromotor, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
einen hohlen zylindrischen Rotor (6), der von einem Gehäuse (8) umgeben ist und wenigstens einen Permanent­ magneten aufweist;
Feldmagnetkerne (1 bis 4), die innerhalb des Rotors (6) liegen und Magnetfelder von verschiedener Stärke zwi­ schen benachbarten Feldmagnetkernen erzeugen, sowie Magnetfelder von gleicher Stärke zwischen entgegenge­ setzten Feldmagnetkernen erzeugen;
Magnetsensoren (SN, SN′) zum Erfassen der Lage der Mag­ netpole des Permanentmagneten des Rotors (6); und
eine Treiberschaltung für das sich umkehrende Magneti­ sieren der Feldmagnetkerne (1 bis 4) in Reaktion auf die Erfassung der magnetischen Positionen des Rotors (6) durch die Magnetsensoren (SN, SN′).

2. Kommutatorloser, magnetisch gesteuerter Elektromotor, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
Feldmagnetkerne (1 bis 4), die von einer inneren Um­ fangsfläche eines Gehäuses (8) des Motors hervorstehen und die Magnetfelder erzeugen, die jeweils unterschied­ liche Größen bezüglich der Größen des Magnetfeldes des benachbarten Feldmagnetkernes haben, wobei die Größe der Magnetfelder entgegengesetzt angeordneter Feld­ magnetkerne (1 bis 4) gleich ist;
einen Rotor, der wenigstens teilweise aus einem Perma­ nentmagneten besteht und innerhalb der Anordnung von Feldmagnetkernen (1 bis 4) angeordnet ist; und
eine Treiberschaltung zum Magnetisieren der Feldmagnet­ kerne (1 bis 4) in Reaktion auf von Magnetsensoren (SN, SN′) erzeugte Signale, die zum Erfassen der Lage des Permanentmagneten des Rotors (6) dienen.

3. Kommutatorloser, magnetisch gesteuerter Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelder von unterschiedlicher Größe durch Feldmagnetkerne (1 bis 4) mit unterschiedlichen Ab­ messungen erzeugt werden.

4. Kommutatorloser, magnetisch gesteuerter Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelder von unterschiedicher Größe auf­ grund von Unterschieden in den Volumen der Feldwicklun­ gen (L 1, L 2), die auf die Feldmagnetkerne (1 bis 4) ge­ wickelt sind, erzeugt werden.

5. Kommutatorloser, magnetisch gesteuerter Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Magnetsensoren Lageerfassungssensoren sind.

6. Kommutatorloser, magnetisch gesteuerter Elektromotor, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
einen Rotor (6), der einen Permanentmagneten aufweist und
eine Mehrzahl von Magnetfelderzeugungsvorrichtungen (1 bis 4) zum Erzeugen von Magnetfeldern mit unter­ schiedlicher Größe zwischen benachbarten der Mehrzahl von Magnetfelderzeugungsvorrichtung und zum Erzeugen von Magnetfeldern der gleichen Größe zwischen entgegen­ gesetzten der Mehrzahl von Magnetfelderzeugungsvorrich­ tungen.