DE19781789B4

DE19781789B4 - Selbststartender bürstenloser Elektromotor

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Publication number: DE19781789B4
Application number: DE19781789A
Authority: DE
Inventors: Vilmos TÖRÖK; Walter Wissmach; Roland Schaer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-05-30
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2017-05-30
Also published as: JP2000512838A; SE9602119D0; US6140731A; SE516498C2; SE9602119L; WO1997045944A1; DE19781789T1

Abstract

Selbststartender bürstenloser Elektromotor, mit einem ferromagnetischen ersten Motorteil, welches eine Mehrzahl von Polen aufweist, die in einer ersten Polreihe voneinander beabstandet angeordnet sind,
einem ferromagnetischen, relativ zum ersten beweglichen zweiten Motorteil, welches eine Mehrzahl von Polen aufweist, die in einer zweiten Polreihe voneinander beabstandet angeordnet sind und der ersten Polreihe über einen Luftspalt gegenüber liegen,
einer Wicklung auf dem ersten Motorteil, die für jede Wicklungsphase eine erste Wicklungsspule aufweist, die einer ersten Polgruppe der ersten Polreihe zugeordnet ist, um bei Erregung der ersten Wicklungsspule durch die erste Polgruppe ein die Pole der ersten Polreihe mit denen der zweiten Polreihe verbindendes Magnetfeld zu erzeugen, wobei die erste und die zweite Polreihe ein Polsystem bilden, welches eine erste Art und eine zweite Art von Polen aufweist, wobei ein Pol der ersten Art ein Reluktanzpol und ein Pol der zweiten Art ein permanentmagnetischer Pol ist, der in Richtung zum Luftspalt gepolt...

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen selbststartenden bürstenlosen Elektromotor mit Reluktanzpolen (ferromagnetische Schenkelpole) auf wenigstens einem der beiden sich relativ zueinander bewegenden Motorteile und mit wenigstens einem Permanentmagneten in dem Polsystem.
Zur Vereinfachung bezieht sich die folgende Beschreibung der Erfindung nur auf Drehmotoren, die ein erstes mit einer Wicklung versehenes Motorteil, im Folgenden Stator genannt, und ein zweites Teil enthalten, im Folgenden Rotor genannt, welches innerhalb des Stators und gegenüber diesem drehbar angeordnet ist. Es ist jedoch erkennbar, dass diese beiden Teile auch ausgetauscht werden können, dass der den Stator vom Rotor trennende Luftspalt nicht zylindrisch sein muss, sondern auch gleichwertig flach oder konisch sein kann, und dass die relative Bewegung zwischen den Teilen des Motors keine Drehbewegung sein muss, sondern gleichwertig auch linear oder eine Kombination von Drehbewegung und linearer Bewegung sein kann, das heißt gleichzeitig um und entlang einer Drehachse erzeugt werden kann.

Elektrische Motoren, die so aufgebaut sind, dass der Rotor lediglich in einer Richtung drehen kann, und die mit einer einlitzigen (einphasigen) Windung versehen sind, welche über eine elektronische Treiberschaltung mit Strom versorgt wird, benötigen die geringstmögliche Anzahl von gesteuerten leistungselektronischen Schaltungsbausteinen in der Treiberschaltung. Motoren dieser Art nach dem Stand der Technik enthalten wenigstens einen Permanentmagneten in ihrem Polsystem, um zu sichern, dass der Rotor bei nicht erregter Wicklung eine Position einnimmt, eine Startposition, die auch als Anschlagposition bezeichnet wird, in der die Wicklung bei ihrer Erregung einer Magnetkraft ausgesetzt wird, die den Rotor in eine bestimmte Richtung bewegen kann, nämlich die vorzuziehende Drehrichtung.

Ein typisches Beispiel für diese Art von Motoren ist der in der US 5,122,697 beschriebene hybride, einphasige Reluktanzmotor, bei dem ein mit einem Hilfspol zusammenwirkender Permanentmagnet neben den Wicklungsspulen des Stators angeordnet ist. Bei diesem bekannten Reluktanzmotor bleibt also das von dem Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld weitgehend von den Wicklungsspulen unbeeinflusst, und zwar unabhängig davon ob ein etwa durch den Permanentmagneten fließender Teil des Wicklungsfeldes dem Permanentmagnetfeld gleich- oder ent gegengesetzt gerichtet ist. Bei diesem bekannten Reluktanzmotor kann daher der Permanentmagnet keinen über eine volle Umdrehung positiven Drehmomentbeitrag liefern, obwohl durch die Mitwirkung des Permanentmagneten ein in allen Rotorstellungen positives Drehmoment erzielt wird.

Bei vielen Anwendungen, wie zum Beispiel in Handwerkzeugmaschinen etc., können Motoren der Art, mit der sich die Erfindung beschäftigt, bei stromloser Wicklung eine wesentliche Reibung oder ein wesentliches Lastdrehmoment aufweisen. Es ist dann nötig, dass der Rotor wohl definierte Start- oder Anschlagpositionen aufweist, in die er durch den Permanentmagneten oder durch die Permanentmagnete gebracht wird, wenn die Wicklung nicht mehr erregt wird, so daß er zuverlässig in eine solche Position bewegt wird, anstelle in einer Position anzuhalten, in der das bei Erregung der Wicklung wirkende Drehmoment ungenügend ist, um ihn in die gewünschte Richtung in Bewegung zu setzen.

Jedoch sollte diesem Erfordernis für ein hohes Anschlagdrehmoment, welches durch den Permanentmagneten oder die Permanentmagnete wirkt, nicht so begegnet werden, daß die Wicklung einen starken Startstrom benötigt, um das Anschlagdrehmoment zu überwinden. Durch die Anordnung von Permanentmagneten in der in der WO 90/02437 A1 und der WO 92/12567 A1 beschriebenen Weise wirkt das von der erregten Wicklung erzeugte Magnetfeld entgegen dem Magnetfeld der Permanentmagnete, welche das Anschlagdrehmoment aufbringen, wodurch das Anschlagdrehmoment bei Erregung der Wicklung stark reduziert oder sogar eliminiert wird.

Zusätzlich zur Reduzierung oder Eliminierung des Anschlagdrehmoments erzeugt die in diesen Veröffentlichungen beschriebene Anordnung in dem Fall, daß das Anschlagdrehmoment nicht länger benötigt wird, einen Beitrag zum Nutzdrehmoment von den Permanentmagneten. Daneben verläuft durch die Reluktanzpole mehr als der Hauptteil des magnetischen Flusses, wodurch die Permanentmagnete diesem Fluß entgegenwirken und ihn reduzieren und dadurch eine Reduzierung der Querschnittsfläche des Statoreisens in diesem Bereich und demzufolge des Gewichts und der Kosten des Motors erlauben.

Ist die anzutreibende Last nicht sehr groß, so kann ein nur eine einzige Polgruppe und eine zugehörige einzelne Wicklungsspule adäquat und optimal sein, da jetzt als Ergebnis der Entwicklung der Technologie der Permanentmagnete in den vergangenen Jahren Permanentmagnete erhältlich sind, die in Bezug auf ihr Gewicht sehr stark sind. Jedoch ist es nicht möglich, lediglich einen der Magnete eines Motors nach dem Stand der Technik, zum Beispiel von der in der WO 92/12567 A1 gezeigten Anordnung, zu entfernen und den anderen Magnet stärker zu wählen, da ein Motor mit einem einzigen permanentmagnetischen Pol einen unsymmetrischen Magnetkreis aufweist.

Die Hauptaufgabe der Erfindung ist es, einen Motor der Art anzugeben, wie sie durch die in der WO 90/02437 A1 der WO 92/12567 A1 A1offenbarten Motoren dargestellt ist, bei der es möglich ist, daß das Motorteil, welches mit der Wicklung versehen ist, der Stator, eine ungerade Anzahl von permanentmagnetischen Polen aufweist, zum Beispiel einen einzigen permanentmagnetischen Pol, wobei trotzdem ein günstiger Pfad für den von dem permanentmagnetischen Pol oder den permanentmagnetischen Polen und/oder den erregten Reluktanzpolen erzeugten Fluß erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Anordnung von Hilfspolmitteln erreicht, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist. Die Hilfspolmittel bieten mittels des Rotors einen separaten Rückführpfad durch den Stator als Ersatz für die einer Wicklungsspule zugehörigen Pole, die in dem Motor nach dem Stand der Technik als Rückführpfad dienen.

Demnach bietet das Hilfspolmittel einen günstigen Pfad (einen Pfad adäquater den Fluß befördernder Kapazität) für den magnetisch nicht ausgeglichenen Fluß an den Stator, der existiert, da der Motor nach der Erfindung relative Positionen der Motorteile aufweist, in denen ein Statorpol, ein permanentmagnetischer Pol oder ein Reluktanzpol magnetisch zu einem Rotorpol ausgerichtet ist und Fluß an diesen weiterleitet, obwohl kein entgegengesetzt gepolter Statorpol vorhanden ist, der zu derselben Wicklungsphase gehört, die ebenfalls magnetisch zu einem Rotorpol ausgerichtet ist.

In dem Fall kleiner nach der Erfindung arbeitender Motoren mit Reluktanzpolen auf beiden Motorteilen kann die Reduzierung der Anzahl von Polgruppen von zwei auf nur eine ebenfalls eine erhöhte Effizienz bewirken. Dieser Anstieg geschieht aufgrund der Tatsache, daß die auf den bewegbaren Teil einer Polgruppe wirkende Antriebskraft eher progressiv als linear mit den auf die Polgruppe wirkenden Amperewindungen ansteigt. Demzufolge werden in dem Fall, daß alle Amperewindungen anstelle ihrer Verteilung auf zwei Polgruppen auf eine einzige Polgruppe wirken, weniger Amperewindungen benötigt, um eine gegebene Antriebskraft zu erzeugen.

Die Grundsätze dieser Erfindung können sowohl bei Motoren mit einlitzigen oder einphasigen Wicklungen als auch bei Motoren mit viellitzigen oder vielphasigen Wicklungen Anwendung finden. Für den Fall von viellitzigen oder vielphasigen Wicklungen kann eine einen permanentmagnetischen Pol enthaltene Polgruppe für mehr als eine Wicklungslitze oder -phase vorgesehen sein.

Neben der Möglichkeit eine einzige einen permanentmagnetischen Pol enthaltene Polgruppe (oder solch eine Polgruppe für jede Wicklungsphase) vorzusehen, bietet die Erfindung auch die Möglichkeit, die durch den Motor erzeugte Kraft – Drehmoment bei einem Drehmotor und linear wirkende Kraft oder "Ziehkraft" bei einem Linearmotor – hinsichtlich eines oder mehrerer Gesichtspunkte zu erhöhen:

– Erhöhung des Drehmoments, das durch den/die den Rotor des stromlosen Motors in die nächstmögliche Startposition ziehenden Permanentmagneten oder Permanentmagnete erzeugt wurde. Solch eine Verbesserung ist in Anwendungen vorteilhaft, in denen bei dem angetriebenen Objekt hohe Reibunsgdrehmomente auftreten können, zum Beispiel bei Wellenabdichtungen.
– Erhöhung des Drehmoments, das in einem Motor auftritt, dessen Rotor in einer Startposition stationär ist und dessen Wicklung mit dem höchstmöglichen Strom versorgt wird. Solch eine Verbesserung ist ebenfalls in den im vorhergehenden Absatz erwähnten Situationen vorteilhaft.
– Erhöhung der Luftspaltleistung des Motors für festgelegte Wärmeverluste wenigstens in einigen Ausführungsformen, wodurch für einen bestimmten Zweck ein kleinerer und wirtschaftlich stark vorteilhafter Motor erhalten wird, wodurch bei dem Erfordernis eines geringen Motorgewichts für einige Arten von Anwendungen ein großer Vorteil erreicht wird, zum Beispiel bei Handwerkzeugen oder anderen von der Hand gehaltenen Objekten; hier ist aber ebenfalls ein allgemeiner wirtschaftlicher Vorteil vorhanden, da ein nicht vermeidbarer Anstieg der Kosten der Versorgungselektronik den Effekt nicht auslöscht.

Die hinsichtlich der Erfindung relevanten magnetisch aktiven Elemente in dem Motor sind die folgenden:

– Spulen des Stators

Prinzipiell bildet die Spule jeder Wicklungslitze oder -phase einen Teil eines einzelnen elektrischen Kreises.

– Ferromagnetische Schenkelpole (Reluktanzpole)

In den meisten Motoren nach der Erfindung, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind, weist der Stator ferromagnetische Schenkelpole, nachfolgend auch Reluktanzpole genannt, alleine oder zusammen mit permanentmagnetischen Polen auf.

Vorzugsweise weist der Motor nur Reluktanzpole auf.

Die Reluktanzpole sowohl des Stators als auch des Rotors können magnetisch asymmetrisch sein. Bei magnetisch asymmetrischen Statorpolen sollte die Asymmetrie in die zur vorzuziehenden Bewegungsrichtung des Motors entgegengesetzte Richtung gerichtet sein, wohingegen die Asymmetrie des Rotors in die vorzuziehende Bewegungsrichtung gerichtet sein sollte.

Alternativ oder zusätzlich können die Reluktanzpole sowohl auf dem Stator als auch auf dem Rotor jedoch eine gewisse magnetische Asymmetrie in der zu der zuvor beschriebenen Richtung entgegengesetzten Richtung aufweisen, ohne daß der Motor dadurch nicht mehr läuft.

– Permanentmagnetische Pole

Motoren, deren Rotor nur Reluktanzpole aufweist, müssen immer mit einem permanentmagnetischen Pol am Stator versehen sein.

In einigen Fällen ist es von Vorteil, wenn der permanentmagnetische Pol oder die permanentmagnetischen Pole asymmetrisch ist/sind.

Die permanentmagnetischen Pole, sowohl die symmetrischen als auch die asymmetrischen, können abgeschrägte Enden oder Kanten aufweisen, d. h. Kanten die in einem Winkel zu der Richtung der Rotorachse verlaufen. In einigen Fällen kann eine solche Abschrägung der Kanten der permanentmagnetischen Pole extrem vorteilhaft für die Funktion des Motors sein. Solche abgeschrägten Kanten müssen nicht in geometrischen Formen ausgeführt sein. Es genügt, wenn die Kanten aus Abgrenzungslinien (Abgrenzungszonen) bestehen, die sich auf die eingeprägte magnetische Polung bezieht (z. B. in einem Permanentmagneten), d. h. sie sind eingeprägt, wenn die permanentmagnetischen Pole magnetisiert sind.

Diese Abgrenzungslinien für Bereiche mit der selben magnetischen Polung können anders als linear verlaufen, ohne die Funktion des Motors stark zu beeinträchtigen.

Die magnetische Asymmetrie kann innerhalb der Umfangs der Erfindung und der beigefügten Patentansprüche auf verschiedene Arten erreicht werden. Einige davon werden nachfolgend beschrieben.

Wie in den Motoren nach dem Stand der Technik zielt die magnetische Asymmetrie darauf ab, die vorzuziehende Startrichtung in den Motor einzubauen, die magnetische Asymmetrie in Motoren nach dieser Erfindung dient aber auch anderen Zwecken.

Im wesentlichen ist ein zusätzlicher Zweck der magnetischen Asymmetrie, wie sie in dieser Erfindung eingesetzt wird, die hier als Einziehentfernung bezeichnete Entfernung zu erweitern. Dies ist die Entfernung, über die ein Pol, ein permanentmagnetischer Pol oder ein magnetisierter Reluktanzpol, auf einen der Motorteile einen Pol auf dem anderen Motorteil genügend anziehen kann, um zu bewirken, daß sich die beiden Pole aus einer ersten stabilen Position, wie z. B. der eingezogenen Position, in die nächste stabile Position, wie z. B. die Startposition zueinander hinziehen, in welcher sie gegenseitig magnetisch zueinander ausgerichtet sind und dementsprechend keine magnetische ziehende Kraft in die Richtung der relativen Bewegung zwischen den Polen existiert (nur ein magnetischer Zug in einer Richtung quer zu dieser Richtung).

Während dieser Einziehbewegung sollte die Permeanz zwischen den beiden Polen oder, in anderen Worten, der zwischen ihnen verlaufende magnetische Fluß (unter der Annahme, daß die magnetomotorische Kraft konstant ist) stetig auf einen Maximalwert ansteigen, der auftritt, wenn die Pole magnetisch zueinander ausgerichtet sind. Eine Ausdehnung der Einziehentfernung erfordert demnach eine Absenkung des Mittelwerts der Rate der Flußänderung über die Einziehentfernung.

Solch eine Absenkung kann mittels der magnetischen Asymmetrie hervorgerufen werden, z. B. indem wenigstens einer der Pole ein zusätzliches Polteil aufweist, das sich in die relative vorzuziehende Startrichtung ausdehnt, so daß der Pol ein Polhauptteil und ein Polhilfsteil aufweist, welches die vorzuziehende Startrichtung bestimmt.

In der Startposition und in der eingezogenen Position dehnt sich das Polhilfsteil wenigstens zu einem Punkt in der Nähe des nächsten Pols (gesehen in der relativen vorzuziehenden Startrichtung) auf dem anderen Motorteil aus und es kann diesen Pol sogar leicht überlappen. Jedoch muß ein überlappender Bereich des Polhilfsteils nicht soviel Fluß pro Längeneinheit der Überlappung tragen (umfangsmäßig gemessen), wie die überlappenden Bereiche der Polhauptteile.

Unter der Annahme, daß sich in einem beispielhaft gewählten Drehmotor sowohl die anführenden Enden wie auch die abschließenden Enden sowohl der Statorpole als auch der Rotorpole axial ausdehnen, kann eine magnetische Asymmetrie eines Statorpols in den meisten Fällen prinzipiell auf die folgende Art beobachtet werden. Der Rotor des Motors wird durch einen homogenen ferromagnetischen Zylinder des selben Durchmessers ersetzt, den der Rotor aufweist, und die Flußdichte in dem Luftspalt wird entlang einer sich axial ausdehnenden Linie auf der Zylinderoberfläche gemessen, während der Zylinder gedreht wird, um die Linie in der vorzuziehenden Drehrichtung bis hinter den Pol zu bewegen. Ein Graph, der die gemessene Flußdichte (über die Länge der Linie gemittelt) über die Winkelposition der Linie relativ zum Pol zeigt, würde mehr oder weniger stetig oder in mehr oder weniger klaren Stufen von einem Punkt nahe Null an dem anführenden Ende des Pols auf einen im wesentlichen konstanten Wert unter dem Hauptbereich des Pols ansteigen und anschließend am abschließenden Ende stark abfallen. Würde der Pol dahingegen magnetisch symmetrisch sein, so würde der Graph symmetrisch sein und die Form einer Gaußkurve aufweisen.

Mit geeigneten Modifikationen ist die zuvor beschriebene Grundidee auch in anderen Fällen anwendbar, wie z. B. zur Beobachtung magnetischer Asymmetrie eines Rotorpols oder eines Pols, dessen anführenden und abschließenden Enden sich nicht axial ausdehnen. Zum Beispiel, wenn die Enden des Pols so abgeschrägt sind, daß sie sich entlang einer schraubenförmigen Linie ausdehnen, kann die Beobachtung durch die Messung der Flußdichte entlang einer korrespondierenden abgeschrägten Linie ausgeführt werden.

In dem Fall von permanentmagnetischen Polen mit einer einheitlichen radialen Ausdehnung und einer einheitlichen magnetischen Polung radial oder transversal zu dem Luftspalt kann aus der Polform eine Asymmetrie der magnetischen Pole resultieren. Zum Beispiel können die anführenden und abschließenden Enden des Pols in der axialen Richtung des Motors unterschiedliche Längen auf weisen. Ein ähnlicher Effekt kann auch erreicht werden, indem Pole mit einer korrespondierenden Form magnetisch in einen Ring aus permanentmagnetischem Material einer gleichmäßigen Dicke eingeprägt werden. In diesem Fall hat die Form des permanentmagnetischen Rings nichts mit dem magnetischen Muster oder der "magnetischen Form" zu tun.

Die Asymmetrie von magnetischen Polen kann ebenfalls erreicht werden, indem ein permanentmagnetischer Pol mit unterschiedlichen radialen Ausdehnungen jeweils an den anführenden und abschließenden Enden vorgesehen wird (d. h. indem dem Luftspalt an dem Pol eine Breite gegeben wird, die in der Richtung der relativen Bewegung der Motorteile variiert), aber indem ihm eine gleichförmig starke Magnetisierung über sein gesamtes Volumen gegeben wird.

Natürlich können einige dieser Verfahren gleichzeitig eingesetzt werden, um eine magnetische Asymmetrie der permanentmagnetischen Pole zu erreichen.

Es existieren ebenfalls einige Arten eine magnetische Asymmetrie für ferromagnetische Schenkelpole, die Reluktanzpole, zu erreichen. Ein Verfahren ist es, die Oberfläche solch eines Pols, die dem Luftspalt gegenüber steht, hinsichtlich ihrer Ausdehnung (Breite) in der axialen Richtung des Motors asymmetrisch zu gestalten, in welchem Fall sich die gesamte Poloberfläche in der selben radialen Entfernung von der Drehachse befinden kann.

Ein anderes Verfahren ist es, die vorstehende Oberfläche des Reluktanzpols (die dem Luftspalt gegenüberliegende Oberfläche) symmetrisch herzustellen, aber ihre radiale Entfernung von der Drehachse schrittweise oder kontinuierlich in Bezug auf eine gedachte (zylindrische) Oberfläche auf dem anderen Motorteil zu variieren, d. h. die Breite des Luftspalts entlang der Poloberfläche zu variieren.

Ein drittes Verfahren ist es, die magnetische Sättigungsflußdichte entlang der Poloberfläche zu variieren. Dies kann erreicht werden, indem unterschiedliche magnetische Materialien für unterschiedliche Teile des Reluktanzpols verwendet werden, oder es kann erreicht werden, indem der Füllfaktor der laminierten Reluktanzpole variiert wird, oder indem z. B. unterhalb der tatsächlichen Poloberfläche Aussparungen eingestanzt werden (so daß die tatsächliche Poloberfläche homogen erscheint), oder indem die radiale Ausdehnung eines Polhilfteils so variiert wird, daß es eine das Profil des gebogenen Schnabels eines Vogels annehmende Form aufweist, wenn in Richtung der Drehachse geschaut wird.

Natürlich können die verschiedenen Verfahren magnetische Asymmetrie zu erreichen gleichzeitig eingesetzt werden. Die Wahl, wie Asymmetrie erreicht wird, ist allgemein von einem Ausgleich zwischen den Herstellungskosten des Motors und den Kosten der Versorgungselektronik abhängig, da die Wahl der Art der Asymmetrie die Größe der elektronischen Leistungsschalterelemente beeinflussen kann, die in der Versorgungselektronik vorhanden sind.

Wie deutlich wird, kann die magnetische Asymmetrie in die Erfindung enthaltende Motoren nicht nur einen individuellen Pol einer Polgruppe charakterisieren, die zu einer gemeinsamen Wicklungsspule gehören, wodurch alle Pole der Gruppe dem bei Erregung der Spule erzeugten Magnetfeld ausgesetzt sind. Sie kann auch die Polgruppe kennzeichnen und dies nicht nur durch magnetische Asymmetrie eines oder mehrerer individueller Pole, sondern auch durch eine asymmetrische Positionierung eines individuellen Pols innerhalb einer Polgruppe.

Ein Pol einer Polgruppe des Stators ist asymmetrisch positioniert, wenn ein Rotorpol über eine Entfernung bewegt wird, die länger oder kürzer als ein halber Rotorpolabstand ist, wenn er zwischen einer Position, in der er magnetisch mit dem Statorpol ausgerichtet ist, und der nächsten benachbarten Position bewegt wird, in der ein beliebiger Pol des Rotors magnetisch zu einem Statorpol einer unterschiedlichen Polart oder in dem Fall eines nur Permanentmagnete aufweisenden Stators zu einem Pol einer unterschiedlichen Polarität ausgerichtet ist.

In anderen Worten ist ein permanentmagnetischer Pol z. B. auf dem Stator asymmetrisch hinsichtlich eines Reluktanzpols in der selben oder einer unterschiedlichen Polgruppe positioniert, wenn eine Rotorpol eine Distanz überquert, die länger oder kürzer als ein halber Rotorpolabstand ist, wenn der Rotor zwischen einer Position, in der ein Rotorpol magnetisch zu dem permanentmagnetischen Pol ausgerichtet ist, d. h. aus der Startposition, zu dem nächsten folgenden oder der nächsten vorhergehenden Position bewegt wird, in die ein Rotorpol – welcher ein beliebiger Rotorpol sein kann – sich in einer eingezogenen Position befindet.

In einer permanentmagnetische Pole mit abwechselnder Polarität enthaltenen Polreihe können die Nordpol gepolten permanentmagnetischen Pole aus einer Mittelposition zwischen den Südpol gepolten permanentmagnetischen Polen in eine beliebige Richtung verschoben sein, wobei alle gleichen Pole im wesentlichen gleich voneinander beabstandet sind.

Es sollte im Zusammenhang dieser Erfindung festgestellt werden, daß eine Polgruppe (Poleinheit) einen einzigen Pol oder eine Mehrzahl von Polen enthalten kann, die zu einer Magnetisierungsspule gehören.

Die Erfindung wird nachfolgend detaillierter unter Bezug auf eine Anzahl beispielhafter Ausführungsformen beschrieben, die schematisch in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind.
1A zeigt eine erste Ausführungsform eines Drehmotors in einer Ansicht von hinten.
1B zeigt eine Abwicklungsansicht eines Abschnitts der Polreihen in dem Motor, gesehen von dem Luftspalt aus, die axial aus ihrer Arbeitsposition umpositioniert sind, aber andererseits in der positionalen Beziehung zueinander, die sie in der 1A annehmen;
1C zeigt den Motor auf die gleiche Art wie die 1A, jedoch mit enthaltenen permanentmagnetischen Feldlinien in dem Stator und dem Rotor;
1D zeigt eine Längsschnittdarstellung des in der 1 gezeigten Motors;
1E zeigt eine zu der 1B ähnliche Darstellung, die aber die Stator- und Rotorpole in der selben axialen Positionierung und in eine unterschiedliche relative Winkelposition verschoben zeigt; sie enthält ebenfalls einen die zwischen einem Statorpol und einem Rotorpol wirkende magnetische Anziehungskraft repräsentierenden Graphen.
2A und 2B zeigen zu den 1A und 1B korrespondierende Darstellungen einer zweiten Ausführungsform;
3A und 3B zeigen zu den 1A und 1B korrespondierende Darstellungen einer dritten Ausführungsform;
4 zeigt eine zu der 1A korrespondierende Darstellung einer vierten Ausführungsform;
5A und 5B zeigen zu den 1A und 1B korrespondierende Darstellungen einer fünften Ausführungsform;
6A, 6B und 6C zeigen zu den 1A, 1B und 1C korrespondierende Darstellungen einer sechsten Ausführungsform, nämlich einen zweiphasigen Motor.
7A bis 7D zeigen der 1B ähnelnde Abwicklungsansichten von Polkombinationen, die voneinander hinsichtlich der Form und Anordnung eines permanentmagnetischen Pols auf dem Stator abweichen.
In allen Zeichnungen ist die Polarität der permanentmagnetischen Pole, die quer zu dem Luftspalt magnetisiert sind, durch einen zur Seite des Nordpols des Magnets zeigenden Pfeilkopf angezeigt.
Weiter ist in allen in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen, mit Ausnahme der in den 3A, 3B gezeigten, die Asymmetrie der Stator- und/oder der Rotorpole so gerichtet, daß die vorzuziehende Startrichtung des Rotors entgegen des Uhrzeigersinns ist.
Der in den 1A bis 1D gezeigte Motor ist ein Drehmotor, wie es die anderen Motoren auch sind, mit einem ersten Motorteil in Form eines laminierten ferromagnetischen Stators 11 und einem zweiten Motorteil in Form eines laminierten ferromagnetischen Rotors 12, der mittels geeigneter Lager, wie in der 1D gezeigt, zur Drehbewegung in dem Stator gelagert ist. Die Drehachse C des Rotors ist durch einen kleinen Kreis oder eine strichpunktierte Linie angezeigt und mit C bezeichnet und die vorzuziehende Drehrichtung ist durch einen Pfeil angezeigt (entgegen des Uhrzeigersinns in allen dargestellten Ausführungsformen).
Der Stator 11 weist zwei diametral gegenüberliegende Polgruppen 13 und 14 auf. Die Polgruppe 13 enthält zwei ferromagnetische Schenkelpole 15S, die auch Reluktanzpole genannt werden, die voneinander umfangsmäßig beabstandet sind, und einen zwischen ihnen angeordneten permanentmagnetischen Pol 16A.
Die andere Polgruppe 14 ist zu der Polgruppe 14 mit der Ausnahme identisch, daß sie keinen permanentmagnetischen Pol aufweist.
Die Oberflächen aller Pole 15S und 16A, die dem Rotor 12 gegenüberliegen, sind auf einer imaginären zylindrischen Oberfläche angeordnet, die konzentrisch zu der Drehachse 12A des Rotors verläuft.
Für jede Polgruppe 13, 14 weist der Stator 11 weiter eine Spule 17 auf, die um die Polgruppe gewunden ist und einen Teil eines gemeinsamen magnetischen Wicklungskreises zur Magnetisierung bildet, d. h. beide Wicklungsspulen werden mit dem selben pulsierenden Gleichstrom erregt.
Auf der Außenseite des Rotors 12 sind gleichmäßig um seinen Außenumfang vier gleichmäßig voneinander beabstandete ferromagnetische Schenkelpole 18A verteilt, die auch Reluktanzpole genannt werden. Die Oberflächen dieser Pole, die dem Stator gegenüberstehen, sind auf einem imaginären Zylinder angeordnet, welcher konzentrisch zu der Drehachse C ist und sich in einer kleinen Entfernung zu dem die Poloberflächen des Stators enthaltenen Zylinder befindet, so daß die Poloberflächen des Stators und die des Rotors einen zylindrischen Luftspalt 19 zwischen sich bilden. Der Polabstand des Rotors 12 korrespondiert zu dem Abstand zwischen den Reluktanzpolen 13S innerhalb jeder Polgruppe des Stators 11.
In der in den 1A bis 1D gezeigten Ausführungsform sind alle Pole 15S, 16A des Stators 11 in einer ersten ringförmigen Polreihe angeordnet und die Pole 18A des Rotors 12 sind in einer zweiten ringförmigen Polreihe in der selben Ebene senkrecht zu der Drehachse angeordnet, so daß während der Drehung alle Pole des Rotors überwechseln und mit allen Polen des Stators interagieren. Der Motor kann natürlich einige axial voneinander beabstandete Polreihen oder Sets von auf diese Art angeordneten Polgruppen aufweisen. Weiter können die Pole auf jedem Motorteil anstelle von ihrer Anordnung in geschlossenen Pfaden oder Reihen, die umfangsmäßig um den Rotor angeordnet sind, z. B. auf einem schraubenförmigen Pfad angeordnet sein.
In der vorliegenden Beschreibung zeigt ein nachgeordneter Buchstabe S der in den Zeichnungen für Reluktanz- und permanentmagnetische Pole verwendeten numerischen Referenzen, daß der Pol magnetisch symmetrisch ist. Ähnlich zeigt ein nachgeordneter Buchstabe A, daß der Pol magnetisch asymmetrisch ist.
Demnach sind die Poloberflächen der Reluktanzpole 15S des Stators 11 in dem in dieser Anmeldung und wie zuvor beschrieben beabsichtigten Sinne magnetisch symmetrisch.
Andererseits sind die permanentmagnetischen Pole 16A magnetisch asymmetrisch, da sie an der in die Drehrichtung des Rotors zeigenden Seite einen Vorsprung 16' aufweisen, wobei der Vorsprung dadurch erzeugt wird, daß die Pole 16A an dieser Seite eine engere Breite aufweisen, d. h. Dimension parallel zur Drehachse 12A, als der Hauptteil der Pole, siehe 1B. Der Teil der permanentmagnetischen Pole 16A mit voller Breite kann als einen Polhauptteil bildend benannt werden, während der schmalere Vorsprung als einen Polhilfsteil bildend benannt werden kann, der in den Figuren durch 16' bezeichnet ist.
Die Reluktanzpole 18A des Rotors 12 sind in einer korrespondierenden Weise ebenfalls asymmetrisch, da sie an ihrem anführenden oder gegen den Uhrzeigersinn zeigenden Ende, die Seite oder das Ende, welche/s in die Drehrichtung zeigt, mit einem Vorsprung 18' (Polhilfsteil) versehen sind, welches eine geringere Breite als die des Hauptteils (Polhauptteil) der Pole aufweist, siehe 1B.
Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, kann die Asymmetrie der Pole auch auf andere Arten als die gerade beschriebenen erreicht werden. In einem Beispiel eines alternativen Verfahrens weist jeder Pol dieselbe Breite über seine gesamten umfangsmäßigen und axialen Dimensionen auf, aber an einem Ende steht die Poloberfläche radial nach innen, so daß der Luftspalt an dieser Seite breiter ist, als am Hauptteil des Pols.
Die 1B zeigt eine Abwicklungsansicht der Polgruppe 13 des Stators 11 und einen Bereich der Polreihe des Rotors 12, wie sie in der 1A gezeigt sind, mit einer Blickrichtung von innerhalb des Luftspalts aus und mit einer axialen Umpositionierung der Rotorpole in Beziehung zu der Statorpolgruppe. Die parallelen strichpunktierten Linien R und S zeigen die Richtung der relativen Bewegung zwischen Rotor und Stator, während die quer dazu verlaufende strichpunktierte Linie L die Mittellinie zwischen den Statorpolen darstellt. Die Position der Stator- und Rotorpole in Beziehung zueinander korrespondiert zu der in der 1A gezeigten relativen Position und ist die stabile Position, die der Rotor in Beziehung zum Stator annimmt, wenn die Windung 15 mit Strom versorgt wird, wodurch die Reluktanzpole 15S die Tendenz haben, die Rotorpole 18A in einer angezogenen oder eingezogenen Position zu den den Statorreluktanzpolen gegenüberliegenden Polhauptteilen der Rotorpole zu halten.
Wenn die Windungsspulen 17 in dieser Rotorposition nicht länger mit Strom versorgt werden, so wirkt nur der permanentmagnetische Fluß der permanentmagnetischen Pole 16A auf den Rotor 12, um ihn weiter in die Richtung der Startposition zu ziehen, d. h. gegen den Uhrzeigersinn.
Die 1C zeigt den von der in 1A gezeigten eingezogenen Position in die Startposition bewegten Rotor, die auch Anschlag- oder Parkposition genannt wird, in der ein Rotorpol 18A magnetisch zu dem permanentmagnetischen Pol 16A ausgerichtet ist und sich so in einer Position befindet, in der der die beiden Pole verbindende Fluß maximal ist. Ein Bereich des Polhilfsteils 18' an dem anführenden Ende des Rotorpols dehnt sich in Richtung entgegen des Uhrzeigersinns hinter den permanentmagnetischen Pol 16A aus und das abschließende Ende des Rotorpols ist gegenüber dem Polhilfsteil 16' des permanentmagnetischen Pols positioniert. Dies ist ebenfalls in der 1E gezeigt.
Der 1C kann entnommen werden, daß in der Startposition des Rotors kein günstiger Pfad für den magnetischen Fluß existiert, entlang dem der Fluß des permanentmagnetischen Pols 16A diametral zu der gegenüberliegenden Seite des Stators verlaufen kann, wie in den Motoren nach dem Stand der Technik. Um einen Rückkehrpfad für den permanentmagnetischen Fluß zurück zu dem permanentmagnetischen Pol 16A zu erzeugen, ist der Stator 11 mit einem Paar diametral gegenüberliegenden ferromagnetischen Hilfspolteilen 20 versehen, die zwischen den beiden Polgruppen 13 und 14 so angeordnet sind, daß sie in der Startposition den beiden diametral gegenüberliegenden Rotorpolen 18A gegenüberliegen. Diese Hilfspolteile 20 weisen Poloberflächen auf der imaginären zylindrischen Oberfläche auf, die die Poloberflächen der Statorpole enthält. Wie es mittels des Feldliniendiagramms in der 1C gezeigt ist, wird der Fluß des permanentmagnetischen Pols 16A im wesentlichen in zwei Rückkehrpfade aufgeteilt, die durch die Hilfspolteile 20 und über den oberen Bereich des Stators 11 zurück in die Seite des Südpols des permanentmagnetischen Pols verlaufen.
Die Statorpolteile 20 können integral in dem Stator 11 enthalten sein oder sie können aus separaten Polteilen bestehen, die an dem Stator angebracht werden, nachdem die Wicklungsspulen 17 eingefügt wurden.
Wie es in den 1A gezeigt ist, dehnt sich das Polhilfsteil 18' eines der Rotorpole 18A, des oberen rechten Rotorpols, in der eingezogenen Position bis zu dem Polhilfsteil 16' des Permanentmagneten 16A aus und überlappt diesen Polhilfsteil 16' vorzugsweise sogar leicht. Diese relative Position des Rotorreluktanzpols und des permanentmagnetischen Pols ist eine Position, in der die magnetische Anziehungskraft des permanentmagnetischen Pols 16A auf den Rotorpol angewandt wird und demzufolge ist das durch den permanentmagnetischen Pol 16A auf den Rotor 12 entgegen des Uhrzeigersinns wirkende Drehmoment an oder nahe seinem Maximum, wenn die Wicklungsspulen stromlos sind.
Gleichzeitig ist der Abstand des oberen linken Rotorpols 18A von dem permanentmagnetischen Pol 16A im wesentlichen so eingestellt, daß der permanentmagnetische Pol 16A nur ein unwesentliches im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment auf den Rotor aufbringt.
Demnach kann das netto gegen den Uhrzeigersinn durch den permanentmagnetischen Pol 16A auf den Rotor wirkende Drehmoment den Rotor kraftvoll gegen den Uhrzeigersinn von der eingezogenen Position wegreißen und ihn über einen Winkel drehen, der zu dem halben Rotorpolabstand korrespondiert, um die Rotorpole 18A in die Startposition zu bringen (Einziehbewegung).
Während der Einziehbewegung des Rotors aus der eingezogenen Position in die Startposition nimmt der magnetische Fluß zwischen dem permanentmagnetischen Pol 16A und dem Rotorpol 18A, den er überlappt und mit dem er interagiert, stetig mit zunehmender Polüberlappung zu, so daß auf den Rotor ein gegen den Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment solange einwirkt, bis die Startposition erreicht ist.
Die 1E enthält ebenfalls einen eine beispielhafte Ausführungsform des in den 1A bis 1D gezeichneten Motors repräsentierenden Graphen, der die zwischen dem permanentmagnetischen Pol 16A und dem Rotorreluktanzpol 18A wirkende Einziehkraft F gegen die Überlappungsposition d des anführenden Endes 18'' des Rotorreluktanzpols 18 während der Einziehbewegung von der eingezogenen Position in die Startposition zeigt. Im rechten Bereich der 1E ist die eingezogene Position des Rotorreluktanzpols 18A in strichpunktierten Linien gezeigt.
Der Graph zeigt die auf den Rotorreluktanzpol 18A wirkende Einziehkraft F für unterschiedliche Beträge der Überlappung (positive und negative) zwischen dem Hilfspolteil 16' des permanentmagnetischen Pols 16A und dem Hilfspolteil 18' des Rotorreluktanzpols 18A in der eingezogenen Position.
Der 1E kann entnommen werden, daß die Einziehkraft eher klein ist, wenn die Überlappung in der eingezogenen Position -1 mm beträgt, d. h., wenn das anführende Ende 18'' des Reluktanzpols 18A 1 mm in die negative oder im Uhrzeigersinn zeigende Richtung von dem Ende 16'' des permanentmagnetischen Pols 16A entfernt ist. Befindet sich das anführende Ende 18'' gegenüberliegend zu dem Ende 16'' des Hilfspolteils 16' des permanentmagnetischen Pols 16A (keine Überlappung), so ist die Einziehkraft wesentlich größer und bei einer positiven Überlappung von etwa 1 mm ist die Einziehkraft des Hilfspolteils 18A' an oder nahe ihrem Maximum, an dem sie der drei- bis vierfachen Einziehkraft einer negativen Überlappung von etwa 1 mm entspricht. Die Asymmetrie des permanentmagnetischen Pols 16A im Zusammenhang mit der Asymmetrie des Rotorreluktanzpols 18A erzeugt so einen dramatischen Anstieg des Anfangswerts der Einziehkraft im Vergleich zu dem Fall, in dem nur der Rotorreluktanzpol asymmetrisch ist, wie in dem in der WO 92/12567 A1 offenbarten Motor. Dieser Anstieg der Einziehkraft erweitert daß Anwendungsfeld des Motors nach der Erfindung.
Der 1E kann auch entnommen werden, daß die Einziehkraft bei graduell ansteigender Überlappung während der Einziehbewegung über den ersten Bereich der Einziehbewegung ungefähr konstant bleibt, nämlich bis das Polhauptteil anfängt zu überlappen. Während der andauernden Einziehbewegung nimmt die Einziehkraft zunächst zu und fällt dann graduell auf 0 ab, wenn der Reluktanzpol die Startposition erreicht.
Weiter zeigt die 1E, daß der permanentmagnetischen Pol 16A während der gegen den Uhrzeigersinn ausgeführten Einziehbewegung eines Rotorreluktanzpols 18A aus der eingezogenen Position in die Startposition eine wesentliche Anziehungskraft über eine umfangsmäßige Entfernung auf den Rotorreluktanzpol aufbringt, die größer als, die umfangsmäßige Ausdehnung des permanentmagne tischen Pols 16A ist: von einer Position, in der das anführende Ende 18'' dem Ende 16'' des Hilfspolteils 16' des permanentmagnetischen Pols 16A gegenüberliegt oder von diesem nur leicht in Richtung im Uhrzeigersinn entfernt ist, bis zu einem Punkt, an dem das anführende Ende 18'' weit hinter dem permanentmagnetischen Pol liegt.
Wenn die Wicklungsspulen 15 wieder erregt werden, wobei sich die Rotorpole in der Startposition befinden, befinden sich die Hilfspolteile 18' von allen vier Rotorpolen 18A demzufolge in Drehrichtung des Rotors gesehen jeweils nahe an einem vor ihm liegenden Statorreluktanzpol 15S. Andererseits ist der Abstand des abschließenden Endes jedes Rotorpols vom hinter ihm liegenden Statorreluktanzpol groß. Die magnetische Anziehung in Richtung entgegen des Uhrzeigersinns zwischen dem Statorreluktanzpol 15S und dem anführenden Ende 18'' des hinter ihm liegenden Rotorreluktanzpols 18A dominiert demzufolge stark über die magnetische Anziehung in Richtung im Uhrzeigersinn, die durch den nächsten Statorreluktanzpol auf das abschließende Ende des selben Rotorpols wirkt (d. h. des Statorreluktanzpols hinter dem Rotorpol).
Demzufolge wird das durch die Statorreluktanzpole 15S auf den Rotor aufgebrachte Nettodrehmoment in Richtung entgegen des Uhrzeigersinns wirken und es wird so hoch sein, daß der Motor auch gegen eine beträchtliche Last starten kann. Der als Konsequenz der Erregung der Wicklungsspulen 17 erzeugte magnetische Fluß wirkt dem durch den permanentmagnetischen Pol 16A erzeugten magnetischen Fluß wieder entgegen, wodurch der permanentmagnetische Pol der Bewegung aus der Startposition nicht wesentlich entgegenwirkt.
Die in den anderen Figuren dargestellten Ausführungsformen werden nur insoweit beschrieben, wie sie von der in den 1A bis 1D gezeigten Ausführungsform abweichen. Dieselben Bezeichnungen werden durchgehend für alle Ausführungsformen mit den nachgefolgten Buchstaben A oder S benutzt, die asymmetrisch oder symmetrisch anzeigen. Wenn es nicht anders angegeben ist, bezieht sich "Symmetrie" und "Asymmetrie" hinsichtlich der Pole auf ihre magnetische Symmetrie oder Asymmetrie und nicht auf ihre geometrische Symmetrie oder Asymmetrie (die zu der magnetischen Symmetrie oder Asymmetrie korrespondieren kann oder nicht).
Der in den 2A und 2B gezeigte Motor weicht von dem in den 1A bis 1C gezeigten Motor nur hinsichtlich des Designs des Stators 11 und der An zahl der Pole des Rotors 12 ab.
Im speziellen weist der Stator nur eine Polgruppe 13 auf, die zu der in den 1A bis 1D gezeigten Polgruppe 13 mit der Ausnahme identisch ist, daß der permanentmagnetische Pol 16S magnetisch symmetrisch und einer der Reluktanzpole asymmetrisch ist.
Weiter bildet der Stator 11 selbst einen umfangsmäßig ausgedehnten Hilfspol 20 diametral gegenüberliegend der Polgruppe. Dieser Hilfspol 20 umfaßt einen Winkel von etwa 180°, so daß dem Hilfspol immer wenigstens zwei der fünf Reluktanzpole 18A des Rotors gegenüberliegen.
Der in den 3A und 3B gezeigte Motor unterscheidet sich von dem in den 2A bis 2C gezeigten Motor nur darin, daß beide Reluktanzpole 15S des Stators symmetrisch sind, wie es in der 1A gezeigt ist, und der permanentmagnetische Pol 16 hinsichtlich der beiden Reluktanzpole 15S asymmetrisch positioniert ist und darin, daß die Rotorreluktanzpole 18S mit Hilfspolteilen 18' versehen sind, die sowohl an dem anführenden Ende als auch an dem abschließenden Ende vorhanden sind. Die umfangsmäßige Ausdehnung dieser Hilfspolteile 18' ist kleiner als die der Hilfspolteile in den vorhergehenden Ausführungsformen.
Der permanentmagnetische Pol 16 ist an einen Betätigungsmechanismus 21 angeschlossen, der einen Hebel 22 enthält. Bei dem Betrieb des Motors befindet sich der permanentmagnetische Pol 16 fest in einer ausgewählten nicht-mittigen Position, wie z. B. in der durch durchgehende Linien angezeigten Position, nahe des linken Reluktanzpols 15S, aber durch ein Umlegen des Hebels 21 von der durch durchgehende Linien angezeigten Position nach unten kann der permanentmagnetische Pol in eine korrespondierende nicht-mittige Position auf der anderen Seite der zwischen den Reluktanzpolen 15S verlaufenden Symmetrielinie verschoben werden, die in den 3A und 3B durch strichpunktierte Linien angezeigt ist, um die vorzuziehende Drehrichtung des Rotors umzukehren.
Demzufolge wird die magnetische Asymmetrie in dem Polsystem des Motors in dieser Ausführungsform über eine Asymmetrie innerhalb der Polgruppe 13 erzeugt, die nicht durch eine Asymmetrie eines oder mehrerer individuellen Pole der Polgruppe, sondern durch eine asymmetrische Positionierung des perma nentmagnetischen Pols entsteht.
In dem in der 4 gezeigten Motor enthält der Stator 11 ebenso nur eine Polgruppe 13 ähnlich zu dem in den 1A bis 1E gezeigten, mit der Ausnahme, daß der permanentmagnetische Pol symmetrisch ist. Jedoch ist der Stator 11 in diesem Fall ein sogenannter Segmentstator der demzufolge nur einen Teil des Rotorumfangs umfaßt. Die Endbereiche des Stators 11 bilden Hilfspolteile 20, die Rückkehrpfade für den magnetischen Fluß von den Reluktanzpolen 15S und dem permanentmagnetisches Pol 16S bilden.
Die 5A und 5B zeigen einen Motor, bei dem der Rotor 12 dem in den 2A gezeigten Rotor 12 ähnelt. In diesem Fall ist der Stator 11 nur mit permanentmagnetischen Polen versehen, nämlich einer Gruppe 13 von vier gleichmäßig voneinander beabstandeten asymmetrischen permanentmagnetischen Polen 16AN, 16AS mit sich abwechselnden Polungen N und S ihrer dem Luftspalt 19 gegenüberliegenden Seiten, wobei der Polabstand die Hälfte des Rotorpolabstands beträgt. Weiter werden in diesem Motor die Wicklungsspulen 17 mit Strompulsen wechselnder Polarität beaufschlagt.
Abgesehen von der Polanordnung ähnelt der in der 5A gezeigte Stator 11 dem in der 2A gezeigten Stator 11 und er enthält demzufolge einen Hilfspol 20, der diametral gegenüberliegend der Polgruppe 13 angeordnet ist und einen Winkel von etwa 180° umfaßt.
Magnetische Asymmetrie der Statorpolgruppe 13 des in der 5A gezeigten Motors kann durch eine Umpositionierung von z. B. beiden permanentmagnetischen Polen 16AS umfangsmäßig in eine Richtung oder in die andere Richtung aus der dargestellten mittigen Position in eine relativ zu den anderen permanentmagnetischen Polen 16NS nicht-mittige Position erreicht werden, ohne den Abstand der permanentmagnetischen Pole 16AS zuneinander zu ändern.
Die 6A bis 6C zeigen einen Motor nach der Erfindung, welcher als eine zweiphasige Version des in den 2A und 2B gezeigten Motors betrachtet werden kann. Sein Stator 11 enthält zwei diametral gegenüberliegende Polgruppen 13U und 13V, die identisch und im wesentlichen gleich zu der in der 2A gezeigten Polgruppe 13 sind. Jede Polgruppe enthält ein Paar symmetrischer Reluktanzpole 15S und einen symmetrischen permanentmagnetischen Pol 16S, der mittig zwischen den Reluktanzpolen positioniert ist, und gehört zu einer Wicklungsspule 17U und 17V, die zu unterschiedlichen Phasen U und V der Statorwicklung gehört.
Die Windungsspulen 17U und 17V werden mit gegenphasigen gepulsten Gleichströmen erregt.
Weiter weist der Stator ein Paar diametral gegenüberliegende Hilfspolteile 20 auf, die zwischen den Polgruppen angeordnet sind.
Der Rotor 12 ist mit sieben gleichmäßig voneinander beabstandeten asymmetrischen Reluktanzpolen 18A versehen. Sind die Reluktanzpole 15S der oberen Polgruppe 13U zu einem Paar nebeneinanderliegenden Rotorpole 18A magnetisch ausgerichtet, wie es in der 6A gezeigt ist, so daß sich diese Rotorpole in einer eingezogenen Position befinden, so ist der permanentmagnetische Pol 16S der gegenüberliegenden Polgruppe 13V magnetisch zu einem anderen Rotorpol 18A ausgerichtet. Kein anderer Rotorpol ist zu einem Statorpol ausgerichtet. Allgemeiner ist kein anderer Rotorpol magnetisch zu einem Reluktanzpol einer unterschiedlichen Polgruppe ausgerichtet, wenn ein Reluktanzpol einer Polgruppe des Stators magnetisch zu einem Rotorpol ausgerichtet ist, und immer wenn ein permanentmagnetischer Pol einer Polgruppe des Stators magnetisch zu einem Rotorpol ausgerichtet ist, ist kein anderer Rotorpol magnetisch zu einem permanentmagnetischen Pol einer unterschiedlichen Polgruppe ausgerichtet.
Die 6C zeigt den aus der in der 6A gezeigten Position um einen zu dem halben Rotorpolabstand korrespondierenden Winkel gedrehten Rotor, so daß ein Rotorpol 18A magnetisch zu dem permanentmagnetischen Pol 16S der oberen Polgruppe 13U ausgerichtet ist. Diese Figur zeigt auch das Flußliniendiagramm, welches entsteht, wenn die Wicklungsspule 15U der oberen Polgruppe 13U bei Positionierung des Rotors in der gedrehten Position erregt wird.
Bei dem in den 6A bis 6C gezeigten Motor können die permanentmagnetischen Pole 16S auch in einer nicht-mittigen oder asymmetrischen Position angeordnet sein, wie es in Bezug auf die 3A, 3B beschrieben ist.
Wie aus den Zeichnungen erkannt werden kann, bietet das Hilfspolmittel 20 immer wenn ein Reluktanzpol oder permanentmagnetischer Pol einer Polgruppe des Stators magnetisch zu einem Rotorpol ausgerichtet ist, den günstigsten Rückkehrpfad für den von dem Statorpol zu dem Rotorpol verlaufenden Fluß zur Rückführung des Flußes an den Stator.
Innerhalb des Umfangs der Erfindung sind auch Kombinationen von Polen des Stators und des Rotors möglich, die von den im speziellen in den Zeichnungen gezeigten und hier beschriebenen abweichen. Neben den dargestellten und zuvor beschriebenen Polanordnungen enthält die folgende Liste (die nicht abschließend ist) Beispiele von innerhalb des Umfangs der Erfindung liegenden Polanordnungen.
I. Symmetrische Reluktanzpole auf dem Rotor
II. Asymmetrische Reluktanzpole auf dem Rotor
Die 7A bis 7D zeigen zu den 1B, 2B, 3B etc. korrespondierende Ansichten und dienen der weiteren Erklärung des Konzepts der magnetischsymmetrischen und asymmetrischen Positionierung von einem permanentmagnetischen Pol zwischen einem Paar Reluktanzpole auf dem Stator. Diese vier Figuren zeigen vier unterschiedliche Formen des permanentmagnetischen Pols zusammen mit einer Stator- und Rotorreluktanzpolkombination, die in allen Figuren dieselbe ist und ähnlich zu der in den 1A und 1B gezeigten ist. Alle vier Figuren zeigen die Rotorreluktanzpole 18A in der Startposition, d. h. magnetisch zu dem permanentmagnetischen Pol 16S (7A) oder 16A (7B bis 7D) ausgerichtet, wobei die zu der Statorpolgruppe zugehörige Wicklung stromlos ist.
In der Startposition ist die durch den permanentmagnetischen Pol 16A oder 16S auf den Rotorreluktanzpol 18A wirkende Kraft in umfangsmäßiger Richtung Null, aber abhängig von einer Abweichung des Rotorpols aus der ausgerichteten Position entwickelt sich zwischen dem permanentmagnetischen Pol und dem Rotorpol eine Anziehungskraft in umfangsmäßiger Richtung, die dazu führt, daß der Rotorpol in die Startposition zurückgeholt wird.
In der 7A, die zum Vergleich enthalten ist und die eine zu der in der WO 92/12567 A1 korrespondierende symmetrische Polkonfiguration zeigt, überlappt der permanentmagnetische Pol 15S den Polhauptteil des Rotorreluktanzpols 18A vollständig. Die 7B bis 7D zeigen unterschiedliche Statorpolkonfigurationen entsprechend der Erfindung, die durch Asymmetrie des permanentmagnetischen Pols asymmetrisch sind. In der 7D ist die aus den Polen 15S und 16A bestehende Statorpolgruppe durch sowohl die Polasymmetrie des permanentmagnetischen Pols 16A und durch eine leichte asymmetrische Positionierung dieses Pols (zu dem linken Statorreluktanzpol 15S hin) asymmetrisch, wodurch eine leicht asymmetrisch ausgerichtete Position des Rotorreluktanzpols 18A zwischen den beiden Statorreluktanzpolen 15S entsteht.
Eine magnetische Asymmetrie des Stators kann auch dann erreicht werden, wenn alle Statorpole permanentmagnetische Pole einer abwechselnden Polung sind. Die permanentmagnetischen Pole einer Polung können zusammen in beliebiger umfangsmäßiger Richtung aus der Mittelposition zwischen benachbarten permanentmagnetischen Polen der anderen Polung umpositioniert sein, wobei die Pole innerhalb jedes Sets gleicher Polung immer noch wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
In allen in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen sind der Stator und der Rotor aus dünenn Elektrostahlplatten laminiert, wie es in der 1D gezeigt ist (in der die Dicke der Platten zur Klarheit der Darstellung stark übertrieben ist).
Bei den Motoren, die Reluktanzpole sowohl auf dem Stator als auch auf dem Rotor aufweisen, sind die Bereiche der Platten, die die Statorreluktanzpole bilden, oder jede zweite Statorplatte 11A leicht so reduziert, daß die kurvenförmigen dem Luftspalt gegenüberliegenden Plattenkanten 11B relativ zu den benachbarten Platten radial nach außen versetzt sind, siehe 1A und der untere Bereich der 1D. In anderen Worten dehnt sich nur jede zweite Platte 11C bis zum Luftspalt hin aus, während die dazwischen liegenden Platten 11A kurz vor dem Luftspalt enden.
Wie in der WO 92/12567 A1 beschrieben, dient diese Ausdünnung des Plattenstapels an der Poloberfläche der Reluktanzpole der Sicherung, das die Floßänderung im Luftspalt zwischen den Stator- und Rotorreluktanzpolen, die mit der Bewegung der Rotorreluktanzpole hinter die Statorreluktanzpole stattfindet, proportional zur Änderung des Polüberlappungsbereichs stattfindet. In anderen Worten dienen sie der Absicherung, daß die Flußdichte in dem Polüberlappungsbereich solange konstant ist, wie die Floßänderung nicht durch magnetische Sättigung in einem unterschiedlichen Bereich des Magnetkreises begrenzt ist, wodurch das durch die Wechselwirkung der Pole erzeugte Drehmoment so gleichmäßig wie möglich ist.
Magnetisch entsteht durch den Effekt der Reduzierung oder Verkürzung des Reluktanzpolbereichs jeder zweiten Platte eine fünfzigprozentige Absenkung des Mittelwerts der Sättigungsflußdichte über die Poloberfläche, wodurch der Zweck der Reduzierung der Schwankungen der Magnetinduktion (des Intervalls innerhalb dessen die Flußdichte über einen Betriebszyklus des Motors variiert) in der Masse des laminierten Stoßes erzielt wird, in der sich der bedeutendste Teil der Eisenverluste ergibt.
Entsprechend eines modifizierten Verfahrens der Ausdünnung der Reluktanzpole an den Poloberflächen, die für mit hohen Betriebsfrequenzen arbeitenden Motoren geeignet ist, werden alle Platten oder die Platten, die sich bis zum Luftspalt ausdehnen, mit Aussparungen versehen, die den dem magnetischen Fluß in dem Pol zur Verfügung stehenden Querschnittsbereich der Platte begrenzen und dadurch zu einer Absenkung der Fluß-Dichte beitragen, für die der Pol an der Poloberfläche magnetisch gesättigt wird.
Die Aussparungen sollten im wesentlichen gleichförmig über den Querschnitt der Platte verteilt sein. Sie können die Form von Löchern, d. h. Öffnungen, die nicht zu dem Luftspalt hin offen sind, oder die Form von Öffnungen aufweisen, die zum Luftspalt offen sind, vorzugsweise über enge Verbindungen. Breite Verbindungen sind nicht wünschenswert, da sie ein Ansteigen der Wirbelströme in den Oberflächen der Reluktanzpole des anderen Motorteils bewirken.
Anstelle von Stapeln dünner Laminierungen oder Eisenplatten kann ein zusammengesetzter Körper aus in eine Plastikmatrix eingebettetem Eisenpuder oder darin eingebetteten Eisenflocken verwendet werden.
Alternative Ausführungsformen
Motors nach der Erfindung enthalten Polgruppen mit Wicklungen und können eine Form für Drehbewegungen oder lineare Bewegungen aufweisen.
Die Drehmotoren können aufweisen:

1. Eine plattenförmige oder zylindrische, konische etc. Luftspaltoberfläche, prinzipiell jede Form der Oberfläche, die eine allgemeine Rotation um eine stationäre Achse beschreiben kann.
2. Einen externen Rotor.
3. Der Unterschied zwischen der Polanzahl des Stators und des Rotors kann jeweils willkürlich gewählt werden, z. B. bei einem segmentierten Stator, segmentierten Statoren.
4. Bei einem Motor mit einer zylindrischen Luftspaltoberfläche und einem in ternen Rotor können einige Polgruppen so angeordnet sein, daß sie axial voneinander beabstandet sind. Ein Motor kann aus einigen solcher "Motorscheiben" bestehen. Diese Schreiben können individuell geschlossene Flußpfade aufweisen oder können durch axial gerichtete Flußpfade miteinander verbunden sein. Beispiele einer solchen Anordnung können in der WO 90/02437 A1 gefunden werden. Die verschiedenen "Motorscheiben" können z. B. durch gemeinsame Spulen für zwei "Motorscheiben" magnetisiert werden.
5. Für Motoren mit einer axialen Flußverbindung zwischen "Motorscheiben" kann die Wicklung aus einer Zylinderspule bestehen, die die Drehachse umgibt (ein Beispiel solch einer Anordnung ist in der WO 90/02437 A1 beschrieben). In diesem Fall kann das drehbare Teil z. B. die Polarten enthalten, die ansonsten stationär gewesen wären und umgekehrt.
6. Die Form und/oder Verteilung der Pole in einem Motor, z. B. der Reluktanzpole, kann so gewählt werden, daß durch eine Veränderung der Magnetkräfte zwischen Stator und Rotor erzeugter Krach und erzeugte Vibrationen soweit wie möglich reduziert werden. Beispiele von bekannten Maßnahmen dieser Art sind abschrägte Polkanten oder eine leicht unebene Verteilung der Pole entlang des Außendurchmessers des Rotors oder ein bestimmter Unterschied zwischen dem Polabstand in einer Polgruppe des Stators und des Polabstands auf dem Rotor. Verschiedene Maßnahmen können auch kombiniert werden.
7. Bei Motoren mit zwei oder einer anderen gradzahligen Anzahl von Reluktanzpolen in jeder Gruppe des Stators und keinen permanentmagnetischen Polen auf dem Stator kann das weichmagnetische Statorjochteil, welches in den gezeigten Ausführungsformen in der Mitte der Polgruppe verläuft, ohne Beeinträchtigung der magnetischen Funktion des Motors eliminiert werden. Die mechanische Funktion des Statorjochteils als Abstandshalter kann durch einen nicht-magnetischen Abstandshalter ersetzt werden.
8. Es ist hervorzuheben, daß die in den 1 bis 6 für die Magnetisierung der Polgruppen vorgesehenen Spulen auch anders angeordnet sein können, z. B. als Spulen des Transformatortyps, die die Joche zwischen den Polgruppen umschließen. Das Statorjoch kann auch geteilt sein, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, vorgewickelte Spulen zu verwenden. Alter nativ kann ein Joch als ein Bereich eines Torroiden geformt sein, wobei die Spule abschnittsweise ringförmig um das Joch gewunden ist. Es kann bei kleinen Motoren z. B. auch wirtschaftlich vorteilhaft sein, zwei zwei Polgruppen untereinander verbindende Joche durch ein einziges Joch mit verdoppelter Querschnittsfläche zu ersetzen und eine einzige das Joch umschließende Spule vorzusehen. Solche Anordnungen sind aus kleinen Spaltpolmotoren und Gleichstrommotoren bekannt.
10. Um den Einsatz nur eines einzigen elektronischen Schaltelements in Motoren zu ermöglichen, die mit Strompulsen einer einfachen Polarität versorgt werden, kann die Feldenergie mittels einer parallel zur Betriebswindung gewundenen Rückführwindung an die Gleichstromquelle zurückgeführt werden, wie es in der WO 90/02437 A1 beschrieben ist.

Claims

Selbststartender bürstenloser Elektromotor, mit einem ferromagnetischen ersten Motorteil, welches eine Mehrzahl von Polen aufweist, die in einer ersten Polreihe voneinander beabstandet angeordnet sind, einem ferromagnetischen, relativ zum ersten beweglichen zweiten Motorteil, welches eine Mehrzahl von Polen aufweist, die in einer zweiten Polreihe voneinander beabstandet angeordnet sind und der ersten Polreihe über einen Luftspalt gegenüber liegen, einer Wicklung auf dem ersten Motorteil, die für jede Wicklungsphase eine erste Wicklungsspule aufweist, die einer ersten Polgruppe der ersten Polreihe zugeordnet ist, um bei Erregung der ersten Wicklungsspule durch die erste Polgruppe ein die Pole der ersten Polreihe mit denen der zweiten Polreihe verbindendes Magnetfeld zu erzeugen, wobei die erste und die zweite Polreihe ein Polsystem bilden, welches eine erste Art und eine zweite Art von Polen aufweist, wobei ein Pol der ersten Art ein Reluktanzpol und ein Pol der zweiten Art ein permanentmagnetischer Pol ist, der in Richtung zum Luftspalt gepolt ist, und das erste Motorteil mit einem sich ausserhalb eines von der ersten Wicklungsspule umschlossenen Bereichs befindlichen Hilfspol versehen ist, und der permanentmagnetische Pol dem ersten Motorteil zugeordnet ist, von der Wicklungsspule umschlossen und sein Magnetfeld dem durch die Wicklung bei deren Erregung erzeugten Magnetfeld entgegen gerichtet ist, und wenigstens die erste und/oder zweite Polreihe eine magnetische Asymmetrie liefert, die bei Erregung der Wicklung eine vorzuziehende relative Bewegungsrichtung der Motorteile erzeugt, wobei die Motorteile magnetisch nicht ausgeglichene relative Positionen aufweisen, in denen ein Pol der ersten Polreihe magnetisch zu einem Pol der zweiten Polreihe ausgerichtet ist, wobei sich dabei auf dem ersten Motorteil kein anderer Pol befindet, der entgegengesetzt gepolt ist und zu derselben Wicklungsphase gehört, zu der der ausgerichtete Pol der ersten Polreihe gehört, und der ebenfalls zu einem Pol der zweiten Polreihe ausgerichtet ist, und der Hilfspol in den magnetisch nicht ausgeglichenen relativen Positionen der Motorteile einen Pfad zur Zurückführung des magnetischen Flusses des permanentmagnetischen Pols über das das zweite Motorteil an das erste Motorteil bereitstellt.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Polgruppe wenigstens einen magnetisch symmetrischen Pol der ersten Art und einen magnetisch asymmetrischen Pol der zweiten Art aufweist (1, 3, 5).
Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Polgruppe zwei Pole der ersten Art und einen dazwischenliegend angeordneten Pol der zweiten Art aufweist, wobei die Abstände zwischen den Polen der ersten Art zu den Abständen zwischen den Polen der zweiten Polreihe korrespondieren (1-4, 6).
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Polreihe eine Mehrzahl von im wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandeten magnetisch asymmetrischen Polen der ersten Art aufweist (1-6).
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass erste Polgruppe ein Paar entgegengesetzt gepolter Pole der zweiten Art und die zweite Polreihe eine Mehrzahl von im wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandeten Polen der ersten Art aufweist (5).
Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass erste Polgruppe wenigstens einen zusätzlichen Pol der zweiten Art aufweist, der in Bezug zu dem daneben liegenden Pol oder den danebenliegenden Polen in die entgegengesetzte Richtung gepolt ist.
Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole der ersten Art der ersten Polgruppe symmetrisch sind und der Pol der zweiten Art in die bezüglich des Magnetfeldes der Wicklungsspule entgegengesetzte Richtung gepolt ist und in einer Position angebracht ist, die hinsichtlich der Pole der ersten Art asymmetrisch ist, und die zweite Polreihe eine Mehrzahl von im wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandeten Polen der ersten Art aufweist (3).
Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pol der zweiten Art entlang der ersten Polreihe aus der asymmetrischen Position in eine korrespondierende asymmetrische Position auf der gegenüberliegenden Seite einer Symmetrielinie zwischen den Polen der ersten Art umpositionierbar ist, und dass die Pole der ersten Art der zweiten Polreihe ein Polhauptteil und ein jeweils am Ende des Polhaupteils angeordnetes Polhilfsteil aufweisen (3).
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch asymmetrischen Pole ein Polhauptteil und ein Polhilfsteil aufweisen, welches von dem Polhauptteil in der vorzuziehenden relativen Bewegungsrichtung des jeweiligen Motorteils hervorsteht.
Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Polhilfsteile eine solche entlang den Polreihen gemessene Länge aufweisen, dass sich das Polhilfsteil wenigstens eines der magnetisch asymmetrischen Pole von einem der Motorteile bei einer magnetischen Ausrichtung eines beliebigen Pols eines der beiden Motorteile zu einem Pol des anderen Motorteils wenigstens in die Nähe eines benachbart liegenden Pols des anderen Motorteils ausdehnt und den benachbarten Pol vorzugsweise leicht überlappt.
Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Polreihe wenigstens eine zusätzliche Polgruppe und eine dazugehörige zusätzliche Wicklungsspule aufweist, die einen Teil der selben Wicklungsphase bildet wie die erste Wicklungsspule, wobei das Hilfspolmittel zwischen der ersten Polgruppe und der zusätzlichen Polgruppe angeordnet ist (1).
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfspolmittel ein Paar Hilfspolglieder aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten der ersten Polgruppe angeordnet sind.
Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste Motorteil ein Stator und das zweite Motorteil ein Rotor ist, der so gelagert ist, dass sich relativ zum Stator dreht.
Motor nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Polgruppe, die diametral gegenüberliegend zu der ersten Polgruppe angeordnet ist und ein Paar voneinander beabstandeter Pole der ersten Art aufweist, wobei die Beabstandung der Pole der ersten Art zu der der Pole der zweiten Polreihe korrespondiert (1).
Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfspolmittel diametral gegenüberliegend zu der ersten Polgruppe angeordnet ist und sich umfangsmäßig entlang des Luftspaltes über eine Winkelentfernung ausdehnt, die wenigstens zu dem doppelten Polabstand des Rotors korrespondiert (2, 3, 5).
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung eine mehrphasige Wicklung ist, die die erste Wicklungsspule als eine Wicklungsspule der ersten Phase und eine zusätzliche Wicklungsspule als eine Wicklungsspule der zweiten Phase aufweist, die erste Polreihe eine zweite Polgruppe aufweist, die zu der Wicklungsspule der zweiten Phase gehört und die von der ersten Polgruppe so beabstandet ist, dass nur einer der gleichartigen Pole der ersten und der zweiten Polgruppe gleichzeitig zu einem Pol der zweiten Polreihe ausgerichtet ist (6).