DE3331194A1

DE3331194A1 - Kollektorloser gleichstrommotor mit dreistraengiger, ungesehnter statorwicklung

Info

Publication number: DE3331194A1
Application number: DE19833331194
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Lipp (FH), 7119 Hohebach; Wilhelm 7187 Schrozberg Reinhardt
Original assignee: Elektrobau Mulfingen and Co EBM GmbH
Current assignee: Elektrobau Mulfingen and Co EBM GmbH
Priority date: 1983-08-30
Filing date: 1983-08-30
Publication date: 1985-03-07
Also published as: GB2147745A; US4577139A; GB8417116D0; GB2147745B

Description

ebm Elektrobau Mulfingen GmbH & Co., 7119 Mulfingen

Kollektorloser Gleichstrommotor mit dreisträngiger, ungesehnter.Statorwicklung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit zylindrischem Luftspalt, bestehend aus einem Stator mit drei, um 120° el versetzten Wicklungssträngen und einem permamentmagnetischen Außenrotor mit mindestens ρ = 1 Polpaaren und N = 2p χ 3 Wicklungsnuten im Stator sowie- mit mindestens zwei aus Hall-Generatoren gebildeten Drehstellungsdetektoren, die in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors die einzelnen Wicklungsstränge ein- und ausschalten.

Ein derartiger Gleichstrommotor ist aus der DE-PS 25 47 bekannt. Bei diesem herkömmlichen dreisträngigen kollektorlosen Gleichstrommotor tritt das Problem auf, daß aufgrund der durch die Einschaltung der einzelnen Wicklungen entstehenden unsymmetrischen Lagerbelastungen die Betriebsdauer des Motors sehr stark verringert wird. Auch entsteht während des Hochlaufs des Motors ein Anlaufgeräusch,

Asamstraße 8, D-8000 München 90 Patentanwalt Dr. Ing. Dipl.-Ing. W. Hasse

Telefon (089) 653665; Telefax (0202) 451226; Patentanwalt Dr.-Ing. Dipl.-Ing. A. SoIf

Telex: 8591273 soza Patentanwalt Dipl.-Ing. Chr. Zapf

-4-das sich störend bemerkbar macht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den eingangs beschriebenen Gleichstrommotor derart zu verbessern, daß er einen hohen Wirkungsgrad.besitzt und dessen Lagerbelastung gleichmäßig über den Umfang des Lagers bzw. der Welle verteilt auftritt und bei dem keine störenden Anlaufgeräusche .vorhanden sind.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Rotor ρ = 2 oder ρ = 4 Polpaare aufweist und die Statorwicklungen ungesehnt.sind, sowie jeder Wicklungsstrang in w = 2p Wicklungsteile unterteilt ist, deren Mittelachsen einen Abstand von 180°el ,in Drehrichtung gesehen, aufweisen und der Wickelsinn der Wicklungsteile derart ist, daß am Umfang des Stators Nord- und Südpole, in Drehrichtung gesehen, von den Wicklungsteilen erzeugt werden. Erfindungsgemäß entstehen damit am Umfang des Statorblechpaketes 2 ρ Pole, deren Polarität so gerichtet ist, daß sich Nord- und Südpole am Umfang des Statorblechpaketes abwechseln. Hierdurch ergibt sich ein geringerer Streufluß und eine bessere Symmetrie der Feldverteilung. Außerdem bringt die Erfindung den Vorteil mit sich, daß die Höhe des Wickelkopfes reduziert werden kann und weiterhin eine bessere und gleichmäßigere Gewichtsverteilung erreicht wird. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Motors verbessert und die Lagerbelastung aufgrund der gleichmäßigeren Wicklungsverteilung verringert.

Erfindungsgemäß ist es dabei zweckmäßig, wenn zur Steuerung der Kommutierung vorzugsweise drei digital schaltende Hall-IC's verwendet werden, die jeweils um 120° elektrisch gegeneinander versetzt angeordnet sind. Demnach ist erfindungsgemäß jedem Wicklungsstrang ein Drehstellungsdetektor zugeordnet und es ergibt sich ein 3 χ ρ pulsiger

Betrieb des erfindungsgemäßen Motors, d.h., seinen Wicklungen werden pro Rotorumdrehung 3 χ ρ Stromimpulse zugeführt. Demnach ergibt sich für den vierpoligen Motor mit der Polpaarzahl ρ = 2 ein sechspulsiger Betrieb und für den achtpoligen Motor mit der Polpaarzahl ρ = 4 ergibt sich ein zwölfpulsiger Betrieb.

. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. .

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: .

Fig. 1 ein Wickelschema eines erfindungsgemäßen

Motors mit 12 Nuten,

Fig. 2 ein Wickelschema eines erfindungsgemäßen Motors mit 24 Nuten,
. .

Fig. 3 das Prinzipschaltbild einer Ansteuerschaltung

eines erfindungsgemäßen Motors, .

Fig. 4 die abgewickelte Darstellung des Rotormagnetbandes für einen erfindungsgemäßen vierpo

ligen Motor und

Fig. 5 eine Abwicklung des Stators und des Rotors eines zwölfnutigen erfindungsgemäßen Motors .in Schnittdarstellung.

In Fig. 1 ist eine Aufsicht auf die Stirnseite eines Blechpaketes.eines Stators 1 und auf einen Rotor 7 eines vierpoligen Außenläufermotors mit zwölfnutigem Stator 1 dargestellt. In seine Nuten 2 (2^"2-^₂) i^st eine dreisträngige Statorwicklung eingewickelt. Jeder Wickelstrang 3,4,5 ist entsprechend der Gleichung w = 2p (mit der Polpaarzahl ρ = 2) in w = 4 Wicklungsteile unterteilt, deren Mittelachsen im Abstand von 180° elektrisch gegeneinander versetzt in den Nuten am Umfang des Stators angeordnet sind. Der Wickelsinn ist dabei so gerichtet, daß beim Stromfluß durch die Wicklungsstränge durch die Aufteilung in vier Wicklungsteile vier Pole am Statorblechpaketumfang entstehen, deren Polarität so, gerichtet ist, daß.sich Nord- und Südpole abwechseln. Die von den einzelnen Wicklungssträngen gebildeten Pole sind mit S₃, N₃₁ S., N₄ und S₅, N₅ gekennzeichnet. ^:

Wird bei der Betrachtung des Wicklungssinnes von einem mit A bezeichneten Wicklungsanfang des Wicklungsstranges 3 ausgegangen, so wird der Draht in der Nut 2^ in die Zeichenebene hineingeführte ® ) und in der Nut 2, zurückgeführt ( Θ ). Ist die für diesen Wickelabschnitt· notwendige Windungszahl erreicht, erfolgt der zweite Wickelschritt in den Nuten 2. und 2₇, wobei nun in die Nut 2^ der Draht ebenfalls in die Zeichenebene .hinführt ( ® ) und in die Nut 2_η zurückgeführt wird ( Θ ). Nach Ausführung dieses Wicklungsteiles erfolgt in analoger Weise die Bewicklung des dritten Wicklungsteiles in den Nuten 2_ und 2,„ und des vierten Wicklungsteiles in den Nuten 2,α und 2γ. Durch diese Wicklungsart entsteht bei Stromfluß durch den gesamten Wicklungsstrang auf der Luftspaltseite zwischen den Nuten 2^ und 2^ ein Südpol,zwischen

2. und 2_ ein Nordpol, zwischen 2_ und 2,_Q nochmals ein Südpol, und zwischen den Nuten 2, „ und 2, wieder ein Nordpol. ·

Die beiden noch folgenden Wicklungsstränge 4 und 5 weisen die gleichen Einzelmerkmale auf, sie sind jedoch jeweils um 120° elektrisch gegeneinander versetzt in den Nuten 2, - 2,« untergebracht.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Darstellung handelt es sich ■ um den Stator 1 eines achtpoligen Außenläufermotors mit 24 Nuten (2-, - 2₂₄). Auch hier ist eine dreisträngige Wicklung 3,.4,5 vorhanden, die nach w = 2 ρ (mit ρ = 4) in w = 8 Wicklungsteile unterteilt ist, wobei die einzelnen Wicklungsteile eine ebenfalls um 180° elektrisch gegeneinander versetzte Anordnung aufweisen. Der zweite Wicklungsstrang 4 ist gegenüber dem Wicklungsstrang

3 und der Wicklungsstrang 5 gegenüber dem Wicklungsstrang

4 um 120° elektrisch versetzt angeordnet. Entsprechend der Beschreibung nach Fig. 1 ergeben sich am Umfang des Statorblechpaketes abwechselnd Nord- und Südpole, wenn nach Ansteuerung der Wicklungen durch die Hall-ICs 6-., 6., 6(- ein Stromfluß erfolgt.

Die Ansteuerung der einzelnen Wicklungsstränge 3,4,5 erfolgt mittels einer in Fig. 3 im Prinzip dargestellten . Ansteuerschaltung. Die hierbei als Rotorstellungssensoren verwendeten digitalschaltenden Hall-IC's 6-,, 6. 6,. sind etwa in, oder am Rande einer Nut 2 positioniert und jeweils gegeneinander um 120° elektrisch versetzt. Dabei ist die Anordnung der Hall-IC abhängig von deren Schaltverhalten, d.h., auf welche Polarität eines Rotormagneten die Durchschaltung der Hall-IC erfolgt.

Werden z.B. Hall-IC's verwendet, die beim Vorbeilauf ■ eines Südpols durchschalten und bei Vorbeilauf eines Nordpols bzw. bei nicht vorhanden em Magnetfeld aufgrund einer Aussparung im Magnetband gesperrt sind, so ist bei einem'zwölfnutigen Motor (siehe Fig.l) der erste Hall-IC 6., in der Nut 2. anzuordnen.

Wie bereits erwähnt, erfolgt von hier aus betrachtet · die Anordnung der beiden weiteren Hall-IC's in einem Abstand von jeweils 120° elektrisch in Drehrichtung des Rotors. Dies ergibt eine Positionierung in den Nuten 2_a und 2_Q

D O . .

Eine entsprechende Funktionsweise ergibt sich bei der Anordnung des ersten Hall-IC's 6^ in der Nut 2,_Q mit nachfolgender Anordnung des Hall—IC (64 ) bzw. (65 ) in den Nuten 2,« bzw. 2 '(alle Hall-IC um 360° elektrisch versetzt).

Für die Wirkungsweise des Motors ist es vorteilhaft, wenn das Magnetband bei Verwendung von Hall-IC's der oben beschriebenen Art, z.B. beim zwölfnutigen Motor, an zwei einander gegenüberliegenden Stellen nach Fig.4 ausgespart bzw. ausgeschnitten ist. Die ^ssparung 8 beginnt- grundsätzlich in Drehrichtung gesehen, am Anfang jedes Südpols des Rotormagneten 7 und erstreckt sich ca. 50 - 60° elektrisch am Umfang des Südpols.' Die Höhe der Aussparung 8 ist. dabei so zu bemessen, daß der HaIl-IC durch.das Magnetfeld des oberen Teiles des Rotormagneten nicht mehr beeinflußt wird. ^:

Durch die vorbeschriebene erfindungsgemäße Ausgestaltung.

-Cj—

. ergibt sich ein gleichmäßiger Drehmomentenverlauf und guter Motorwirkungsgrad bei einfacher Kommutierungselektronik.

Wird nun die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Motors (siehe Fig. 1) betrachtet und wird dabei von einer Ausgangsstellung des Rotors 7 ausgegangen, bei der die Polteilung zwischen Nord- und Südpol den Hall-IC H 6₃ erreicht, so wird durch den gerade beginnenden Südpol der Hall-IC H 6₃ durchgesch'altet. Dieser bringt nun über zwischengeschaltete Verstärkerstufen den Stromfluß durch Wicklung 3 zustande. Es entsteht, wie bereits erwähnt, ein Magnetfeld am Statorluftspalt mit von Wicklungsabschnitt zu Wicklungsabschnitt verschiedener Polarität mit einem Südpol zwischen Nut 2, und 2., einem Nordpol zwischen Nut 2^ und 2_, einem Südpol zwischen Nut 2-j und 2^q und nochmals einem Nordpol zwischen Nut 2^Q und 2-,.

Aufgrund der Kraftwirkung zwischen Stator 1 und Rotor 7 erfolgt eine Drehung des Rotors entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn. Wird der Hall-IC 6. vom Südpol des Rotors erreicht, so wird die Wicklung 4 eingeschaltet und.etwa gleichzeitig durch die Aussparung am Südpol des Rotormagnetbandes der Hall-IC 6₃ und damit die Wicklung 3 ausgeschaltet. Nun stehen die durch den Wickelsinn der Statorwicklung 4 entstehenden Süd- bzw. Nordpole S₄ N₄ den Süd- bzw. Nordpolen des Rotormagneten 7 gegenüber, so daß aufgrund der entstehenden Kraftwirkungen eine Weiterdrehung erfolgt. Nach Erreichen des Hall-IC 6 5 durch den Südpol des Rotormagneten 7 erfolgt .nun die Einschaltung der Wicklung 5, wobei wiederum durch die Aussparung am Südpol des Rotor" magnetbandes die Abschaltung der Wicklung 4 erfolgt.

Nach Weiterdrehung bis zu Beginn der ersten Halbdrehung des Rotors erfolgt nun wieder die Einschaltung der Wicklung 3, wobei etwa gleichzeitig die Abschaltung der Wicklung 5 erfolgt.

.

Nun wiederholt sich die Einschaltfolge in der bereits beschriebenen Art, so·daß also pro Rotorumdrehung jeder einzelnen Wicklung 3,4,5 zwei Stromimpulse zugeführt werden und damit bei Betrachtung der gesamten drei Wicklungsstränge 3,4,5 ein sechspulsiger Betrieb vorliegt.

Die Punktionsweise des Motors nach Fig. 2 mit vierundzwanzignutigem Stator 1 ist analog der in Fig. 1. Es sind hier die einzelnen Wicklungsstränge 3,4 und 5 nach der erfindungsgemäßen Lehre w = 2 ρ (mit ρ = 4 Polpaaren des Rotormagneten) in'w = 8 Einzelwicklungen unterteilt. Dies hat zur Folge, daß beim Stromfluß durch einen Wicklungsstrang 3,4,5 je vier Nord- und Südpole am Statorblechpaket entstehen. Dieser Aufteilung entspricht auch die Polpaarzahl des Rotormagneten 7, der auch hier, mit einer Aussparung 8 von ca. 50 - 60 ° elektrisch in-jedem Südpol versehen ist. Es.ergibt sich bei dieser Ausführung . des Motors ein zwölfpulsiger Betrieb, was mit einer erhöhten Konstanz der Drehzahl und des Drehmoments verbunden ist und gleichzeitig mit einer Verringerung der Lagerbelastung. Dieser vierundzwanzignutige Motor findet vorwiegend für kleinere Drehzahlen Verwendung.

Fig. 5 zeigt in einer abgewickelten Darstellung den .

Stator 1 eines erfindungsgemäßen zwölfnutigen Motors mit den Nutöffnungen 2, - 2,„ und den eingewickelten Wicklungen 3,4 und 5. Die. Hall-IC's 6^, 6., 6₅ sind in der Nut 2. zum Schalten der Wicklung 3 in der Nut 2g zum Schalten der Wicklung 4 und in der Nut 2g zum Schalten der Wicklung 5 untergebracht.

Der Rotormagnet 7 ist vierpolig magnetisiert und mit den in Fig. 4 dargestellten Aussparungen 8 von 50 - 60 ° elektrisch versehen.

Claims

-BR. HASSE - DR. SOLF & ZAPF

Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt

European Patent Attorneys München - Wuppertal

• II/mj/M 141 ebm Elektrobau Mulfingen GmbH & Co., 7119 Mulfingen

Ansprüche: '

[1.) Kollektor loser Gleichstrommotor mit zylindrischem Luftspalt, bestehend aus einem Stator mit drei um. 120° el versetzten Stator-Wicklungssträngen und einem permamentmagnetischen Außenrotor mit mindestens ρ = 1 Polpaaren und mit N = 2p χ 3 Wicklungsnuten im Stator, sowie mit mindestens zwei aus Hall-Generatoren gebildeten Drehstellungsdetektoren, die in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors die einzelnen Wicklungsstränge ein- und ausschalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) ρ = 2 oder ρ = 4 Polpaare aufweist, und die Statorwicklungen ungesehnt sind,sowie jeder Wicklungsstrang (3,4,5) in w = 2 ρ Wicklungsteile unterteilt ist, deren Mittelachsen einen Abstand von 180° el,in Drehrichtung gesehen, aufweisen und der Wickelsinn der Wicklungsteile derart ist, daß am Umfang des Stators (1) abwechselnd Nord- und Südpole, in Drehrichtung gesehen, von den Wicklungsteilen erzeugt werden.

Asamstraße 8, D-8000 München 90- Patentanwalt Dr. Ing. Dipl.-Ing. W. Hasse

Telefon (089) 653665; Telefax (0202) 451226; · Patentanwalt Dr.-Ing. Dipl.-Ing. A. SoIf

Telex: 8591273 soza Patentanwalt Dipl.-Ing. Chr. Zapf
2. Gleichsstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß jedem Wicklungsstrang (3,4,5) ein als digital schaltendes Hall-IC (6-., 6., Sc),ausgebildeter Hall-Generator zugeordnet ist und der dem ersten Wicklungsstrang (3) zugeordnete Hall-IC(6₃)in der Nut(2.)angeordnet ist, deren Mitten-■ abstand von der.Mittelachse X'des ersten Wicklungstei-· ies des ersten Wicklungsstranges (3) 90° el .beträgt und der zweite und dritte Hall-IC(6., O_n.) jeweils um 120° el in Drehrichtung, weiter gegeneinander versetzt sind.
3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g ekennzeichnet, daß in die Nuten (2,-²l2' ^l ~ 2₂₄)jeweils nur angrenzende Wicklungsteile desselben Wicklungsstranges (3,4,5) gleichsinnig eingewickelt sind.
4. Gleichstrommotor nach einem oder mehreren der An-Sprüche 1 bis 3, da"durch gekennzeichnet, daß der Magnet des Rotors (7) Aussparungen (8) enthält, die, in Drehrichtung gesehen, entweder, und zwar in Abhängigkeit von dem Ansprechverhalten der Hall-Generatoren( 6.,, 6., 6₅ )am Anfang jedes Süd-oder Nordpols beginnen und sich ca. 50° bis 60° el vom Beginn des Pols am Umfang desselben erstrecken und die radiale Höhe derart bemessen ist, daß eine Beeinflußung der statorseitig angeordneten Hall-IC's durch das Magnetfeld des Teils des Rotor-■ magneten' oberhalb der Aussparung (8) nicht gegeben ist. ' .