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Die
Erfindung betrifft einen kollektorlose Gleichstrommotoren insbesonders
solche zum Antrieb von Hartplattenspeichern (Hard-Disk-Drives).
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Existierende
Motoren dieser Art werden bevorzugt als dauermagneterregte Dynamomaschinen mit
zylindrischem Luftspalt und genutetem Blechpaket hergestellt. Sie
besitzen gewöhnlich
einen Außenläufer, können aber
auch mit einem innenlaufenden Rotor versehen sein.
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Auf
den mehrpoligen Stator, der zusätzlich Hilfspole
besitzen kann, werden eine oder mehrere Spulen gewickelt. Diese
Spulen werden über
Halbleiterschalter, gewöhnlich
Transistoren, sequentiell bestromt und bewirken über die Interaktion mit den
Polen des Permanentmagneten eine Bewegung des Rotors. Zur definierten
Umschaltung der Spulen ist eine Positionserfassung des Rotors erforderlich,
die zweckmäßigerweise
berührungslos
erfolgt. Zu diesem Zwecke stehen z.B. magnetogalvanische Sensoren,
insbesondere in Form von Hallgeneratoren, zur Verfügung. Es
kann aber auch eine Rotorpositionserfassung ohne zusätzliche
Sensoren, nur mit vorhandenen Motor-Elementen, erfolgen. Insbesondere
kann bei bewegtem Rotor die in den Spulen induzierte Spannung zur
Bestimmung der aktuellen Rotorposition benutzt werden. Für diese
Art der Motorkommutierung ist allerdings eine zugehörige Auswerteelektronik
erforderlich.
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Eine
Reduktion von periodischen Drehmomentschwankungen, die durch das
Wechselspiel zwischen der Gestalt des ferromagnetischen Statormaterials
und dem Verlauf der Rotor-Magnetfeldstärke über den
Drehwinkel hervorgerufen werden, kann durch die Ausgestaltung des
Stators gemäß der deutschen
Patentschrift
DE 37
23 099 A1 bewirkt werden.
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Die
dort beschriebene Vorgehensweise ermöglicht die Bereitstellung eines
Gesamtdrehmomentes mit geringer Welligkeit. In der Startphase des Motors
sind jedoch noch, je nach Winkelposition des Rotors, Abweichungen
vom mittleren Anlaufdrehmoment zu verzeichnen.
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Eine
weitere Methode zur Reduktion von Drehmomentschwankungen der eingangs
genannten Motoren wird in
EP
0 291 219 A2 beschrieben.
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Gemäß der dort
genannten Vorgehensweise wird für
einen Mehrphasenmotor eine Statorpolzahl von 3(2n + 1) und eine
Rotorpolzahl von 3(2n + 1) + –1
vorgesehen, d. h. die Zahl der Statorpole wird angenähert gleich
groß gehalten
wie die Zahl der Rotorpole. Dies führt ebenfalls zu einer Reduzierung
der Drehmomentschwankungen im Anlauf bzw. Leerlauf und wird durch
die obere einhüllende
Kurve der 7 gezeigt.
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Allerdings
benötigt
diese Methode gewöhnlich
mindestens neun bewickelte Spulen pro Motor, während das erstgenannte Verfahren
nur z.B. sechs Spulen benötigt
und daher in diesem Punkt deutlich kostengünstiger ist. Darüberhinaus
entstehen beim letztgenannten Verfahren gewöhnlich periodisch auftretende
Radialkräfte,
die unterschiedliche Richtung besitzen und störende Motor- oder Maschinengeräusche verursachen
können.
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Beim
letztgenannten Verfahren ist darüber hinaus
in der bevorzugten Ausführungsform
der Wickelsinn der Spulen nicht einheitlich, was zusätzlichen
Aufwand für
die Herstellung der Motoren bedeutet.
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Eine
weitere Anordnung zur Verringerung der elektromagnetisch bedingten
Drehmomentwelligkeit ist aus der
DE 34 32 372 A1 bekannt, welche eine Statoranordnung
mit sechs Hauptpolen und sechs Hilfspolen vorsieht sowie einen Rotor
mit acht Magnetpolen. Diesem Momentverhalten wird auch ersichtlich
aus der dort gezeigten Form der (verketteten) induzierten Spannung
zweier Phasen. Diese Anordnung erzeugt jedoch eine störende Welligkeit
des permanentmagnetisch erzeugten Drehmoments.
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Zur
Verminderung von Drehmomentschwankungen ist aus der JP 63-302752 A ein bürstenloser Motor
mit Rotor und Stator bekannt, bei dem ein ferromagnetisches Teil
angebracht ist, das mit dem stirnseitigen Feld des Permanentmagneten
des Rotors zusammenwirkt. Das ferromagnetische Teil hat dazu in
regelmäßigen Abständen Nocken
angeformt.
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Ein
weiterer Ansatz zur Verringerung von permanentmagnetisch oder reluktanzbedingten Schwankungen
des Motordrehmoments als Funktion des Drehwinkels des Rotors ist
der
EP 0 182 702 B1 zu
entnehmen. Diese beschreibt einen kollektorlosen Gleichstrommotor
mit einem permanentmagnetischen Rotor, dessen Stator Hauptpole und
Hilfspole aufweist, welche in der Kontur so ausgeformt sind, dass
permanentmagnetisch oder reluktanzbedingte Schwankungen des Motordrehmoments
als Funktion des Drehwinkels des Rotors minimiert werden. Dabei erstreckt
sich jeder Hauptpol des Stators winkelmäßig soweit wie ein Rotorpol.
Neben dieser Offenbarung einer Modifikation des Stators und der
Er höhung von
Statorpolen an ihren Außenflächen, wie
sie durch die vorstehend bereits erwähnte
DE 37 23 099 A1 offenbart
werden, beschreibt die
US 4,804,873 einen kollektorlosen
Gleichstrommotor, bei dem der Stator im Wesentlichen ebene Endflächen in
Form von Zylindergrundflächen
besitzt, wobei die untere Endfläche
eine größere Endfläche besitzt
als die Querschnittsfläche
des Stators in dessen mittleren Bereich und wobei die Endfläche von
der Stirnseite des Rotormagneten magnetisch beeinflusst wird. Die Merkmale
dieser Offenbarung bilden den Oberbegriff, von dem der Patentanspruch
1 ausgeht.
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Der
Erfindung liegt also die Aufgabe zu Grunde, bei Elektromotoren,
insbesondere Motoren der eingangs genannten Art ein möglichst
gleichmäßiges, d.
h. winkelstellungsunabhängiges
Gesamt-Drehmoment zu erzeugen, und zwar sowohl im Anlauf wie auch
bei Nenndrehzahl. Dies bedeutet, dass auch das elektromagnetisch
erzeugte Drehmoment eine geringe Welligkeit, also wenig Schwankungen
um einen Mittelwert in diesen beiden Betriebszuständen aufweisen
soll.
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Des
Weiteren sollen die Motoren möglichst kostengünstig herstellbar
sein und außerdem
möglichst
geräuscharm
sein.
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Schließlich sollen
bei der Bestromung des Stators nur Kräftepaare (Drehmomente) ohne überschüssige Radialkräfte generiert
werden.
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Diese
Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine wirksame Reduzierung
der elektromagnetisch hervorgerufenen Drehmomentwelligkeit durch geeignete
modifizierte Ausgestaltung des Stators möglich ist. Dazu werden zum
einen Stator-Hilfspole vorgesehen. Zum anderen ist das Verhältnis von
Statorpolzahl zu Rotorpolzahl so zu wählen, daß sich eine sog. ungesehnte
Wicklung des Motors ergibt.
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Allerdings
wird mit dieser genannten Maßnahme
der Stator-Ausgestaltung die unerwünschte Drehmomentwelligkeit,
die durch permanentmagnetische Einflüsse hervorgerufen wird, noch
nicht reduziert.
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Um
diese permanentmagnetisch bedingten Anteile der Drehmomentwelligkeit
ebenfalls zu beseitigen, wird erfindungsgemäß zusätzlich eine besondere Ausgestaltung
der Peripherie des Stators und damit des Luftspaltes vorgesehen,
insbesondere eine solche mit nockenförmigen Überhöhungen der Statorpole.
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Weiterbildungen
der Erfindung bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus
den Zeichnungen sowie den Unteransprüchen.
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In
den Zeichnungen zeigt
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1 die
geometrische Ausgestaltung der Statorbleche für einen Stator mit 6 Haupt-
und 6 Hilfspolen sowie den zugehörigen
Permanentmagnetrotor
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2 Einzelheiten
zum Konturenverlauf der Statorperipherie
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3 das
elektrische Ansteuerschema für einen
Motor mit 8 Permanentmagnetpolen und einem Stator nach 1
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4 die
Statorkontur mit geschrägter
Statorüberhöhung ("Nocken")
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5 die
Grenzlinien der Magnetisierung des Rotors bei regulärer und
geschrägter
Magnetisierung
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6 eine
Stator-Modifizierung in Form eines Stator-Erweiterungsblechs
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7 den
elektromagnetisch bedingten Drehmomentverlauf vs. Rotor-Winkelstellung nach dem
Stand der Technik
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8 den
elektromagnetisch bedingten Drehmomentverlauf vs. Rotor-Winkelstellung gemäß der Erfindung
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9 das
Verbindungsschema für
solche Wicklungen, welche aus Spulen der Stator-Hauptpole und Spulen
der Stator-Hilfspole zusammengesetzt sind.
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Im
vorhergehenden wie auch im folgenden wird eine Terminologie bezüglich der
Drehmomentanteile eines Elektromotors verwendet, wie sie in der
DE 39 41 553 A1 erläutert wird.
Diese Drehmomentanteile werden insbesondere als elektromagnetische,
permanentmagnetische, reluktante und mechanische Komponenten unterschieden.
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Das
Zusammenwirken von Statorpolen und Magnetpolen eines erfindungsgemäßen Motors
wird in 1 erläutert.
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Um
den feststehenden Stator 14 von zylindrischer Grundform
ist dar mehrpolige Permanentmagnet mit Nordpolen 12 und
Südpolen 13 sowie
dem zugehörigen,
außenliegenden
Eisenrückschluß 11 angeordnet.
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Zwischen
Stator und Permanentmagneten befindet sich der Luftspalt 20.
Der Stator selbst besitzt Hauptpole 10, Nebenpole 15 und
Nuten 19. Die Hauptpole 10 weisen ferner Erhebungen 17 und
Konturkorrekturen 16 auf. Die Hilfspole 15 können ebenfalls
solche von der Kreisform abweichenden Konturmodifikationen aufweisen.
Die Konturform eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wird in 2 in
vergrößerter Darstellung
gezeigt.
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Zumindest
die Hauptpole werden mit einer oder mehreren Spulen, auch in bifilarer
Wicklungsweise versehen. Die Hilfspole können ebenfalls mit Spulen versehen
werden.
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Ein
Stator-Hauptpol 10 erstreckt sich im wesentlichen über einen
gleich großen
Winkel wie ein Magnetpol 12, 13, sodaß eine sogenannte
ungesehnte Wicklung vorliegt.
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Dies
führt zu
einem fast linearen Anstieg bzw. Abfall der induzierten Spannung
vs. Winkelposition des Rotors.
(8, Bezugszeichen 83).
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Diese
Spannung ist bereits die verkettete Spannung von zwei Phasen des
Stators, von denen insgesamt drei vorhanden sind und welche in Sternschaltung
zusammengeschaltet sind.
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Andererseits
bewirkt die Anwesenheit der Hilfspole 15 den im wesentlichen
trapezförmigen
Verlauf 84 dieser Kurve der induzierten Spannung, die gleichzeitig
ein Maß für das generierte
Drehmoment vs. Winkel darstellt.
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Wie
aus 8 ersichtlich, besitzt das elektromagnetisch generierbare
Drehmoment von Kommutierungswinkel 85 zu Kommutierungswinkel 86 nur
geringe Welligkeit, der Mittelwert beträgt etwa 98% vom Maximalmoment,
während
der Minimalwert ebenfalls bereits etwa 93% vom Maximalmoment beträgt.
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Das
beschriebene, elektromagnetisch generierbare Drehmoment des Motors
wird nur bei Bestromung der Spulen erzeugt.
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Das
wechselnde Moment des Nutruckens, welches permanentmagnetischen
Ursprungs ist, wirkt hingegen praktisch ständig.
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Bei
der geringen Welligkeit des elektromagnetisch erzeugten Drehmoments
erwies sich sich das zusätzliche
Nutrucken, wie es in diesem Falle von einer üblichen Statorpolform generiert
wurde, als unerwünschter
Störfaktor.
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Das
angestrebte Ziel, den Motor aus allen Winkelpositionen mit möglichst
gleichem Bewegungsablauf starten zu können, konnte in der gewünschten
Weise noch nicht erreicht werden.
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Die
Lösung
dieses Problems wurde darin gefunden, das eine (vom Prinzip her
bekannte) Konturveränderung 16, 17 des
Stators die verbleibenden, permanentmagnetisch bedingten Drehmomentschwankungen
minimierte, ahne den Motorwirkungsgrad des Motors in schädlicher
Weise zu beeinflussen. (2)
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Durch
dieses Zusammenspiel von Stator-Grundform 14 und Stator-Konturgebung
gemäß 1,
unter Nutzung einer nahezu rechteckförmigen Magnetisierung des Permanentmagneten
des Rotors, (d. h. möglichst
schnellem Wechsel des Induktionsvorzeichens an den Polgrenzen des
Rotors) wird also ein besseres elektromagnetisch generiertes Drehmoment
zur Verfügung
gestellt als dies bei ähnlichen
Motoren vorher möglich
war.
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Motor
samt Last, z.B. eine zugehörige,
fest verbundene oder wechselbare Magnetspeicherplatte, werden aus
jeder Anfahrstellung heraus annähernd
gleich gut beschleunigt. Trotz niedriger Motorströme, insbesondere
Anlaufströme,
wird die Gefahr eines Anlaufversagens deutlich verringert.
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Eine
erfindungsmäßige Weiterbildung
der Kontur-Formgebung des Stators verbessert die erfindungsmäßige Kombination
von Stator-Grundform 14 und Stator-Korrekturform 16, 17 zusätzlich.
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Hierzu
erfahren ein oder mehrere Statorpole 63 durch ein oder
mehrere spezielle Statorbleche gemäß 6 an vorzugsweiser
einer, ggf. auch an beiden Seitenflächen (Grundflächen) des
Statorblechpaketes eine ausgreifende, hervortretende Ausgestaltung 64, 65.
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Diese
Ausgestaltung ist insbesondere von solcher Form, daß sie auf
den zu bewegenden, insbesondere hohlzylinderförmigen Rotormagneten an dessen
unterer axiale weisender Stirnseite 58 einwirkt (5, 6).
Auf diese Weise kann die Zylindermantel-Fläche
des Statorblechpaketes zu großen Teilen
maximalen Durchmesser erhalten, was zu minimalen Luftspalt-Dimensionen
und damit zu einem besseren Drehmoment bzw. besserer Leistung des Motors
führt.
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Zum
anderen verbessert sich der Motorwirkungsgrad auch dadurch, daß die Interaktionsfläche zwischen
Permanentmagnet 50 und Stator insgesamt durch die herauskragende zusätzliche
Statoroberfläche 64 vergößert wird,
als dies bei vorherigen Motoren üblich
war.
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Die
Auskragung kann nun mit beliebigen Oberflächenkonturen 65, 66 versehen
werden, wie sie zur Reduzierung des Nutruckens erforderlich sind.
Insbesondere kann pro Blechschicht der Auskragung eine andere Schnittlinie
vorgesehen werden, um den gewünschten
Verlauf des permanentmagnetisch bedingten Drehmomentanteils zu erhalten.
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Eine
weitere Verbesserung des Motorwirkungsgrades gelingt erfindungsmäßig durch
die zusätzliche
Bewicklung und Beschaltung der Hilfspole 15. Die Beschaltung
der Hilfspolwicklungen ergibt sich aus dem Schaltschema gemäß 9,
wobei die Hilfspolwicklungen 94, 95 in Serie mit
den Wicklungen 92, 93 der Hauptpole gelegt werden.
Bei einem Stator mit 6 Haupt- und 6 Hilfspolen stehen die gemeinsam
bestromten Hauptpole senkrecht zu den zugeschalteten Hilfspolen.
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Diese
Maßnahme
kann natürlich
mit allen vorgenannten erfindungsmäßigen Maßnahmen kombiniert werden,
um optimale Eigenschaften des Motors zu erzielen, insbesondere um
möglichst
geringe Welligkeit des elektromagnetischen Drehmoments als auch
des permanentmagnetischen Drehmoments bereitzustellen.
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In
einer weitergehenden Verbesserung können alle genannten Vorgehensweisen
kombiniert werden mit weiteren, an sich bekannten Maßnahmen zur
Egalisierung des Motordrehmomentes. Dies kann insbesondere dadurch
erreicht werden, daß die
Bestromung des Motors drehwinkelabhängig und leistungsabhängig vorgenommen
wird.
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Hierbei
wird die Korrekturgröße für den Strom
z.B. durch eine Funktion oder durch eine in einem Speicher hinterlegten
Tabelle beschrieben.
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Diese
Verfahren setzen zwar in der Regel zusätzliche elektronische Komponenten
voraus, die aber möglicherweise
bereits aus anderen Gründen vorhanden
sind und dann keinen oder nur geringen Zusatzaufwand beim Einsatz
der vorgenannten Betriebsweise hervorrufen.
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Darüberhinaus
sind weitere Abänderungen der
Erfindung möglich,
wie sie dem Fachmann geläufig
sind. So kann der Motor auch als Innenläufer oder Linearmotor ausgestaltet
werden. Desgleichen kann die Anzahl von Stator- und Rotorpolen erhöht werden.
Weiterhin ist die Erfindung nicht auf Motoren mit permanentmagnetischen
Läufern
beschränkt,
sondern kann auch auf weichmagnetische Läufer angewendet werden.
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Desgleichen
kann ein erfindungsgemäßer Motor
natürlich
auch als Generator betrieben werden, in einem entfernter liegenden
Anwendungsbereich auch als Drehmelder zur Bestimmung von Winkellagen
des Rotors, oder aber auch als Schrittmotor mit vergleichsweise
kleiner Leistung.