DE9010895U1 - Kollektorloser Gleichstrommotor mit verbesserter Drehmomentwelligkeit - Google Patents
Kollektorloser Gleichstrommotor mit verbesserter DrehmomentwelligkeitInfo
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Description
PAPST-MOTOREN GmbH S Co KG " ;": ' : ", EfE-I&dgr;4 *
D-7742 St. Georgen 20. Juli 1990
011-MH
Kollektorloser Gleichstrommotor mit verbesserter Drehmomentwelligkeit
Die Erfindung betrifft kollektorlose Gleichstrommotoren, insbesonders solche zum Antrieb von Hartplattenspeichern
(Hard-Disk-Drives).
Existierende Motoren dieser Art werden bevorzugt als dauermagneterregte Dynamomaschinen mit zylindrischem Luftspalt
und genutetem Blechpaket hergestellt. Sie besitzen gewöhnlich einen Au/Jenläufer, können aber auch mit einem innenlaufenden
Rotor versehen sein.
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 zweckmä/Jigerweise 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 gemä/3 der
deutschen Patentschrift DE-OS 37 23 099 Al bewirkt werden.
Die dort beschriebene Vorgehensweise ermöglicht die Bereitstellung eines Gesamtdrehmomentes mit geringer Welligkeit.
In der Startphase des Motors sind jedoch noch, je nach Winkelpositicn des Rotors, Abweichungen vom mittleren
Anlaufdrehmoment zu verzeichnen .
Eine weitere Methode zur Reduktion von Drehmomentschwankungen der eingangs genannten Motoren wird in EU - 291 219
beschrieben.
Gemäß der dort genannten Vorgehensweise wird für einen Mehrphasenmotor eine Statorpolzahl von 3(2n+l) und eine Rotorpolzahl
von 3(2n+l)+-l 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 Fig. 7 gezeigt.
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 darüberhinaus in der bevorzugten Ausführungsform der Wickelsinn der Spulen nicht
einheitlich, was zusätzlichen Aufwand für die Herstellung der Motoren bedeutet.
Eine weitere Anordnung zur Verringerung der elektromagnetisch bedingten Drehmomentwelligkeit ist aus der DE-OS 34 32 372
bekannt, welche eine Statoranordnung mit sechs Hauptpolen und sechs Hilfspolen vorsieht sowie einen Rotor mit acht
Magnetpolen. Dieses 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.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, 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.
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.
Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruchs 1 gelöst.
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.
Allerdings wird mit dieser genannten Maßnahme der
Stator-Ausgestaltung die unerwünschte Drehmomentwelligkeit, die durch permanentmagnetische Einflüsse hervorgerufen wird,
noch nicht reduziert.
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.
Weiterbildungen der Erfindung bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Zeichnungen sowie den Unteransprüchen.
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In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 die geometrische Ausgestaltung der Statorbleche für einen Stator mit 6 Haupt- und 6 Hilfspolen sowie den zugehörigen
Permanentmagnetrotor
Fig. 2 Einzelheiten zum Konturenverlauf der Statorperipherie
Fig. 3 das elektrische Ansteuerschema für einen Motor mit 8 Permanentmagnetpolen
und einem Stator nach Fig.
Fig. 4 die Statorkontur mit geschrägter Statorüberhöhung ("Nocken")
Fig. 5 die Grenzlinien der Magnetisierung des Rotors bei regulärer und geschrägter Magnetisierung
Fig. 6 eine Stator-Modifizierung in Form eines Stator- Erweiterungsblechs
Fig. 7 den elektromagnetisch bedingten Drehmomentverlauf vs. Rotor-Winkelstellung
nach dem Stand der Technik
Fig. 8 den elektromagnetisch bedingten Drehmomentverlauf vs. Rotor-Winkelstellung
gemä/3 der Erfindung
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Fig. 9
das Verbindungsschema für solche Wicklungen , welche aus Spulen der Stator-Hauptpole und Spulen der Stator-Hilfspole
zusammengesetzt sind.
Im vorhergehenden wie auch im folgenden wird eine Terminologie bezüglich der Drehmomentanteile eines Elektromotors verwendet,
wie sie in der DE-OS 39 41 553 erläutert wird. Diese Drehmomentanteile werden insbesondere als elektromagnetische,
permanentmagnetische, reluktante und mechanische Komponenten unterschieden.
Das Zusammenwirken von Statorpolen und Magnetpolen eines erfindungsgemä/Jen Motors wird in Fig. 1 erläutert.
Um den feststehenden Stator 14 von zylindrischer Grundform ist der mehrpolige Permanentmagnet mit Nordpolen 12 und Südpolen
13 sowie dem zugehörigen, au/Jenllegenden Eisenrück.schlu/3 11
angeordnet.
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 Fig. 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.
Ein Stator-Hauptpol 10 erstreckt sich im wesentlichen über einen gleich großen Winkel wie ein Magnetpol 12, 13 ,
soda/? eine sogenannte ungesehnte Wicklung vorliegt.
Dies führt zu einem fast linearen Anstieg bzw. Abfall der induzierten Spannung vs. Winkelposition des Rotors.
( Fig. 8 , Bezugszeichen 83 ).
Diese Spannung ist bereits die verkettete Spannung von zwei Phasen des Stators, von denen insgesamt drei vorhanden
sind und welche in Sternschaltung zusammengeschaltet sind.
Andererseits bewirkt die Anwesenheit der Hilfspole 15 den im wesentlichen trapezförmigen Verlauf 84 dieser Kurve der
induzierten Spannung , die gleichzeitig ein Ma/? für das generierte Drehmoment vs. Winkel darstellt.
Wie aus Fig. 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.
Das wechselnde Moment des Nutruckens, welches permanentmagnetischen Ursprungs ist, wirkt hingegen praktisch ständig.
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.
Das angestrebte Ziel, den Motor aus allen Winkelpositionen mit möglichst gleichem Bewegungsablauf starten zu können, konnte
in der gewünschten Weise noch nicht erreicht werden.
Die Lösung dieses Problems wurde erfindungsgemä/3 darin
gefunden, da/3 eine ( vom Prinzip her bekannte ) Konturveränderung 16, 17 des Stators die verbleibenden,
permanentmagnetisch bedingten Drehmomentschwankungen minimierte, ohne den Motorwirkungsgrad des Motors in schädlicher
Weise zu beeinflussen. ( Fig. 2 )
Durch dieses Zusammenspiel von Stator-Grundform 14 und Stator-Konturgebung gemäß Fig. 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.
Eine erfindungsmäßige Weiterbildung der Kontur-Formgebung des Stators verbessert die erfindungsmäßige Kombination von
Stator-Grundform 14 und Stator-Korrekturform 16, 17 zusätzlich.
Hierzu erfahren ein oder mehrere Statorpole 63 durch ein oder mehrere spezielle Statorbleche gemä/3 Fig. 6 an
vorzugsweiser einer, ggf. auch an beiden Seitenflächen
(Grundflächen) des Statorblechpaketes eine ausgreifende,
hervortretende Ausgestaltung 64, 65 .
Diese Ausgestaltung ist insbesondere von solcher Form, da/3 sie auf den zu bewegenden, insbesondere hohlzylinderförmigen
Rotormagneten an dessen unterer axiale weisender Stirnseite einwirkt ( Fig. 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.
Zum anderen verbessert sich der Motorwirkungsgrad auch dadurch, daß die Interaktionsfläche zwischen Permanentmagnet
50 und Stator insgesamt durch die herauskragende
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zusätzliche Statoroberfläche 64 vergößert wird, als dies
bei vorherigen Motoren üblich war.
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.
Eine weitere Verbesserung des Motorwirkungsgrades gelingt erfindungsmä/3ig durch die zusätzliche Bewicklung und
Beschaltung der Hilfspole 15 . Die Beschaltung der Hilfspolwicklungen ergibt sich aus dem Schaltschema gemäß
Fig. 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.
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 .
In einer weitergehenden Verbesserung können alle genannten Vorgehensweisen kombiniert werden mit weiteren,an sich
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bekannten Maßnahmen zur Egalisierung des Motordrehmomentes . Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, daß die
Bestromung des Motors drehwinkelabhangig und leistungsabhängig vorgenommen wird.
Hierbei wird die Korrekturgröße für den Strom z.B. durch
eine Funktion oder durch eine in einem Speicher hinterlegten Tabelle beschrieben.
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.
Ein Verfahren dieser Art ist. z.B. in der DE-OS 3941553 Al
genannt.
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.
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.
Claims (1)
1. Elektromotor, vorzugsweise kollektorloser Gleichstrommotor, insbesondere zum Antrieb von magnetischen oder optischen
Massen-Datenspeichern, mit einem permanentmagnetischen Rotor, dadurch gekennzeichnet, da/3
der Stator Hauptpole und Hilfspole aufweist, welche in
ihrer Kontur so ausgeformt sind, da/3 die permanentmagnetisch-
oder reluktanzbedingte Schwankung des Motordrehmomentes als Funktion des Drehwinkels minimiert wird und ein Hauptpol
des Stators sich winkelmä/3ig im wesentlichen so weit erstreckt wie ein Rotorpol .
Elektromotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
da/3 die Anzahl der vorhandenen Wicklungen weniger als vier
und die Anzahl der vorhandenen Spulen weniger als sieben beträgt.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da/3
die Wicklungen überlappungsfrei und konzentriert sind.
Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
da/3 die vorhandenen Spulen einheitlichen Wickelsinn aufweisen.
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Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, da/3 der Luftspalt zwischen Rotor und Stator aus einem oder
mehreren Bereichen von im wesentlichen zylindrischer Gestalt besteht, welche(r) Bereich(e) sich in radialer oder axialer
Richtung erstreckt.
Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, da/3 nockenförraige Statorüberhöhungen 47 vorhanden sind, die z.B.
bezüglich der Rotorachse geschrägt sind oder in Bezug zur Rotorachse parallel verlaufen.
Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, da/3 die Pollücken 56, 57 des Rotors geschrägt sind oder in Bezug
zur Rotorachse parallel verlaufen.
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Elektromotor, insbesondere kollektorloser Gleichstrommotor mit einem mehrpoligen permanentmagnetischen Rotor,
dadurch gekennzeichnet, da/3
der Stator im wesentlichen ebene Endflächen in Form von Zylindergrundflächen besitzt, wobei mindestens eine dieser
Endflächen eine größere Fläche besitzt als eine Querschnittsfläche des Stators in der Mitte zwischen den
Endflächen, und die Endfläche(n) von einer oder beiden Kreisringflächen 58 (Stirnflächen) des Rotormagneten magnetisch
beeinflußt wird.
Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Minimalwert zu Maximalwert des
winkelabhängigen, elektromagnetisch oder reluktanzmäßig erzeugten Drehmoments bei konstanter Motorbestromung einen
größeren Wert als 0,85 aufweist.
Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Stator einen Oberflächenbereich in Form eines Zylindermantels aufweist, welcher durch die zylindermantelförmige
Oberfläche des permanentmagnetischen Rotors beeinflußt wird und der Stator weiterhin einen oder mehrere
Oberflächenbereiche 64 in Form einer durchbrochenen Zylindergrundfläche aufweist, welche Bereiche im Magnetfeld
des Rotors liegen, das von einer Zylindergrundfläche des Magneten ausgeht.
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Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, da/3 die Oberflächenbereiche des Stators in Form einer durchbrochenen
Zylindergrundfläche aus einer oder mehreren ferromagnetischen
Blechschichten gebildet werden.
Elektromotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , da/3
die Berandung 65 eines auskragenden Bleches 64 mit mindestens einer Aussparung 66 oder Erweiterung versehen ist, welche den
Radius dieser Berandung in kontinuierlicher und stetiger Weise verändert oder den Radius dieser Berandung in annähernd
unstetiger, Ecken aufweisender Art verändert.
Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, da/3 die Hilfspole des Stators durch eine oder mehrere , den
Hilfspol umgreifende Wicklungen 94, 95 magnetisierbar sind.
Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, da/?
mindestens eine Spule des Stators mit zweiadriger Bifilarwicklung gewickelt ist.
PAPST-MOTOREN GmbH & Co KG ric\.,,; ,?.DEH38 4^5 >!.
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Elektromotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, da/3
die induzierte Spannung 80, 83 von zwei miteinander verketteten Phasen über den Drehwinkel nahezu trapezförmig ist
Dauermagneterregte Dynamomaschine mit zylindrischem Luftspalt und genutetem Blechpaket nach einem
oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da/3 die Dynamomaschine als Generator
oder Drehmelder betrieben wird.
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Family Applications (1)
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1990
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1991
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- 1997-06-12 HK HK77897A patent/HK77897A/xx not_active IP Right Cessation
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