Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
CONSTRUCTION AND MODE OF OPERATION OF STATORLESS ELECTRONICALLY SWITCHED MOTORS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/074206
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to the construction and a mode of operation of statorless electronically switched DC motors that have two freely turning rotors. The invention also relates to embodiments of the invention regarding the bearings, the circuit design and the mode of operation of machines such as fans and blowers.

Inventors:
LUNGU IANCU (RO)
Application Number:
PCT/RO2000/000009
Publication Date:
December 07, 2000
Filing Date:
April 21, 2000
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
LUNGU IANCU (RO)
International Classes:
H02K16/00; (IPC1-7): H02K/
Domestic Patent References:
WO1996009683A11996-03-28
Foreign References:
EP0300063A11989-01-25
EP0469263A21992-02-05
SU1677799A11991-09-15
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1997, no. 03, 31. März 1997 (1997-03-31) -& JP 08 317621 A (MIZUMOTO MASATAKE), 29. November 1996 (1996-11-29)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche
1. 1). Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, der einen wicklungstragenden Feldrotor mit Schalteletronik hat, welche ein Drehfeld produziert, das auf einen Folgerotor einwirkt, wobei die Stromübertragung von einem feststehenden Träger auf dem Feldrotor l durch eine Hohlwelle 11 stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der stromführenden Schleifringe (111) mit zumindest einer dazugehörenden Bürste (33) sich am Ende der Hohlwelle (11) befindet, so dass zumindest ein Festlager (32) sich zwischen den Rotoren (l, 2) und dem System Schleifring (111) Bürste (33) befindet, und dass dieses (111, 33) mit einem Gehäuse (37) gegenüber der Umgebung abgeschirmt werden kann, welches über dem Lager (32) abgedichtet ist.
2. Motor, dem Anspruch 1 nach dadurch gekennzeichnet, dass der Feldrotor (1) bzw. der Folgerotor (2) als Innen, Seiten, oder Außenrotor gestaltet werden kann.
3. Motor, den Ansprüchen 1 und 2 nach dadurch gekennzeichnet, dass die Festlager (31,32) auf einer oder auf beiden Seiten der Rotoren (1) bzw. (2) angebracht werden können.
4. Motor, den Ansprüchen 1 bis 3 nach dadurch gekennzeichnet dass die Stromübergang z. B. von dem Minusanschluß bzw. von der Bürste (34) durch die Hohlwelle (11) des Motors bzw. durch deren Rahmen (14) erfolgt.
5. Motor, den Ansprüchen 1 bis 4 nach dadurch gekennzeichnet, dass er einen Sensor (12) für die kontaktlose Übertragung von Steuerungssignalen hat.
6. Motor, den Ansprüchen 1 bis 5 nach dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12) an einem Ende der Welle angebracht ist.
7. Motor, den Ansprüchen 1 bis 6 nach dadurch gekennzeichnet, dass die Führung der Starkstromleitungen (111,145) und ggf. der Steuerstromleitungen (121) durch die Hohlwelle (11) des Motors erfolgt.
8. Motor, den Ansprüchen 1 bis 7 nach dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang der Ströme durch die Hohlwelle (11) zu der Elektronik des Motors (143,144) über steckerartige Verbindungen zwischen Axialleiter (111,121) und Radialleiter (145,146) erfolgt, wobei letztere radial in den ersteren eingesteckt werden können, oder umgekehrt durch die Einführung der Axialbausteine (11 I, 121) als letztere.
9. Motor, den Ansprüchen l bis 8 nach dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (11) und der Motorrahmen (14) als Stromleitungen dienen, wobei eine Bürste (34) einen elektrischen, schleifenden Kontakt zu der Hohlwelle (11) macht.
10. Motor, den Ansprüchen 1 bis 9 nach dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Signale durch die Welle (11) mit Koaxialleitungen erfolgt.
11. Motor, den Ansprüchen 1 bis 10 nach dadurch gekennzeichnet, dass der Schutz gegen gefährliche Drehzahlen durch einen zentrifugalkraftbetätigten Kontakt erfolgt.
12. Motor, den Ansprüchen 1 bis 11 nach dadurch gekennzeichnet, dass dessen Drehzahlregelung mit Hilfe von feststehenden elektrischen Vorrichtungen erfolgt, wobei der Wechselstromanteil des aufgenommenen Stromes vor den Bürsten (33,34) als Regelungsparameter dient.
13. Motor, den Ansprüchen 1 bis 12 nach dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der vom Feldrotor (1) bzw. Folgerotor (2) abgegebenen Leistungen durch die Änderung der Drehzahl/DrehmomentKennlinie, der von der erwähnten Rotoren angetriebenen Vorrichtungen geschieht.
14. Motor, den Ansprüchen l bis 13 nach dadurch gekennzeichnet, dass er ein zweioder mehrstufiges Axialgebläse antreibt, so dass einer der Rotoren (1,2) zumindest einen Lüfter (19) am Innendurchmesser der Schaufeln antreibt, wobei der andere Rotor (2,1) einen entgegengesetzt drehenden Lüfter (29) antreibt, wobei von dessen Schaufelspitzen sich ein rohrförmiger Ansatz (29') erstreckt, welcher zumindest einen gleichdrehenden weiteren Lüfter (26) über dessen Schaufelspitzen antreibt.
15. Motor, den Ansprüchen 1 bis 14 nach, mit Lüfter, dadurch gekennzeichnet, dass er einen festen seitlich angebrachten Träger (37) hat, welcher in der Art einer Ansaugöffnung ausgebildet ist, welcher einen Abdichtungskragen (38) hat, was mit dem zylindrischen Lüfterantriebsrohr (27) zusammenwirkt.
16. Motor, den Ansprüchen 1 bis 13 nach dadurch gekennzeichnet, dass einer der Rotoren (1,2) unmittelbar die Schaufeln eines Lüfters (19) antreibt, wobei der andere Rotor (2,1) über ein Getriebe mit festem oder variablem Übersetzungsverhältnis (241) einen weiteren Lüfter (29) antreibt, welcher außerhalb der Abluftströmung des ersten Lüfters angeordnet ist.
17. Motor, den Ansprüchen 1 bis 13 nach dadurch gekennzeichnet, dass seine Rotoren (1,2) zwei radiale, voneinander unabhängige Gebläse (19,29) antreibt.
18. Motor, den Ansprüchen l bis 13 nach dadurch gekennzeichnet, dass seine Rotoren (1,2) zwei konzentrische Radialgebläse antreibt.
19. Motor, den Ansprüchen 1 bis 18 nach dadurch gekennzeichnet, dass die Bürsten (33,34) als Doppelbürsten ausgefiihrt sind, z. B. entlang eines Durchmessers entgegengesetzt angeordnet, wobei diese auf den Schleifringen (11, 111) von aus Band hergestellten Doppelrollfedern (331) angedrückt werden.
Description:
Bau-und Betriebsweise gegenläufiger, statorloser, elektronisch kommutierter Motoren Die Erfindung betrifft bürstenlose Gleichstrommotoren ohne Kommutierungsbürsten und ohne Stator.

Diese sind also elektronisch kommutierte Motoren und bestehen aus zwei gegeneinander frei beweglichen Rotoren, wobei diese in der Regel als Innen-bzw. Außenrotor ausgebildet sind, so daß das Magnetfeld durch einen zylindrischen Luftspalt wirkt.

Ein solcher Motor ist aus der internationalen Anmeldung PCT-RO 00012/95 bekannt.

Die Erfindung kann auch bei Motoren mit ebenem Axialluftspalt angewandt werden.

Einer der Rotoren, im folgenden"Feldrotor 1"genannt, ist aktiv, wobei er Strom führt, mit dessen Einwirkung durch Feldspulen ein rotierendes Magnetfeld geschaffen wird.

Der andere Rotor, als"Folgerotor 2"genannt, ist passiv und besteht aus einem Blechpakett, wie bei Reluktanzmotoren (SR-Motoren) üblich. Für andere Motorbauarten kann dieser auch als Motor mit Permanetmagneten ausgebildet werden.

Jeder eletronisch kommutierte Motor kann in einen erfindungsgemäßen Motor umgewandelt werden, wenn der bisherige Stator sich frei mit Hilfe zusätzlicher Lager 31,32 drehen kann und dadurch zum Feldrotor wird. Die gegenläufigen Rotoren sind dementsprechend auf einen Träger mit Lagerstellen angebracht, und werden über zwei rotierende Kontakte mit Strom über zwei Bürsten, plus bzw. minus gespeist.

Die Schaltelektronik des Motors 13 gehört zum Feldrotor und rotiert dementsprechend mit diesem mit.

Die Steuerelektronik 143 kann entweder auf dem Rahmen 14 des Feldrotorsl (Fig. 5b) angebracht werden oder außerhalb dessen, wobei sie mit der Schaltelektronik 13 durch galvanischen Kontakt (Zusatzbürsten) oder durch magnetische bzw. optische Kopplung zusammenwirkt.

Diese Motoren liefern die Nutzleistung über zwei gegenläufigen Rotoren, die mit dem gleichen Drehmoment belastet sind, wobei deren Drehzahlen unterschiedlich sein können. Daher ist es notwendig, dass die Erfindung dem Fachmann auch die Lösungen für die Anwendung dieser unüblichen Motorart anbietet.

Dies ist die Voraussetzung für die Realisierung technisch und wirtschaftlich wettbewerbsfähiger Arbeitseinheiten.

Aufgabe der Erfindung ist also, Fachleuten für elektronisch kommutierten Motoren bzw. Fachleuten fur Arbeitsvorrichtungen (insbes. Lüfter) Varianten für Ausführungslösungen anzubieten, damit Sie optimierte Arbeitseinheiten realisieren können.

Dies ist auch notwendig, um eine zweckmäßige Zusammenarbeit von Fachleuten verschiedener Fachrichtungen zu ermöglichen, weil ohne ein Verständnis der Gesamtvorrichtung jeder Fachmann geneigt sein könnte, herkömmliche Lösungen anzuwenden, die nicht zu optimalen Ergebnissen führen Die Lösung der Aufgabe dieser Erfindung ist in dem Anspruch 1 angegeben und in weiteren Einzelvarianten konkretisiert, die den Unteransprüchen entsprechen.

Die Teile, die vom Rotor 1 angetrieben sich solidarisch mit diesem in einer Richtung drehen, sind in den Zeichnungen durch links abfallende Schraffierung dargestellt, und tragen Bezugszeichen die mit der Ziffer 1 anfangen und diejenigen, die mit dem Rotor 2 solidarisch sich in entgegengesetzter Richtung drehen, durch rechtsabfallende Schraffierung bzw. Anfangsziffer 2. Die nicht rotierenden Teile sind durch senkrechte Schraffienmg, ggf. durch Kreuzschraffierung dargestellt und haben Bezugszeichen die mit 3 anfangen.

Sollte keine Schraffierung vorhanden sein, so zeigt die Anfangsziffer des Bezugszeichens die Art der Bewegung. Die Leistungsanschlüsse (Bürsten) werden mit (+) bzw. (-) bezeichnet und die Steuerungsteile werden durch eine Logikstufe (High-Low) dargestellt.

Die Fig. 1 a, b, c stellen drei Konstruktionsvarianten eines gegenläufigen Motors, die je aus den Konzepten vormaliger Motoren mit Innenrotor (a), Außenrotor (b) bzw. eines vormaligen Motors mit Axialluftspalt (c) abgeleitet sind. Die Bezugszeichen aller drei Zeichnungen bezeichnen funktionsgleiche Teile, und richten sich nach den obengenannten Regeln, wie folgt : 1-stellt den Feldrotor (mit Wicklungen) dar, 11-ist eine Hohlwelle, durch die die Leistungsanschlüsse bzw. Steuerungsleitungen geführt sind, und die mit dem Feldrotor verbunden ist, 12-ist ein kontaktloser Sensor (magnetisch oder optisch), 13-sind Leistungshalbleiter die das Drehfeld des Feldrotors steuern, 14-ist ein Flansch, an dem die angetriebene Vorrichtung mechanisch angekoppelt ist, die zum multifunktionellem Motorrahmen gehört, 15-ist eine Linie, die den Verlauf der Leistungs-bzw. Steuerungsleitungen darstellt (durch die Hohlwelle 11, bzw. den Feldrotor 1), 16-ist ein Hallsensor, welcher die Rotorstellung ermittelt, 2-stellt den Folgerotor dar (mit oder ohne Magnete), 22-ist das Lager, das zu diesem Rotor gehört, welches hier als Lagerung gegenüber der Hohlwelle II dient, 24-ist der Flansch zum koppeln des angetriebenen Aggregates, 25 ist eine Magnetscheibe zur Ermittlung der Rotorstellung,

31,32-stellen die festen Lager dar, 33-ist die Plusbürste, 34-ist die Minusbürste, 35-ist eine Bürste für die Steuerung (falls notwendig), 36-ist ein Sender, der auf den Sensor 12 wirkt 37-ist die vereinfachte Darstellung eines gegenüber der Umgebung geschlossenen Raumes, der über einem der Lager 31, 32 abgedichtet ist, so daß die Bürsten von der Umgebung abgetrennt sind.

Fig. 1 a stellt einen Motor dar, bei welchem die Trägerlager 31,32 auf beiden Seiten der Rotoren angebracht sind. Der Fig. l b, c, nach sind die Trägerlager 31, 32 nur einseitig angebracht. Die drei Motoren der Fig. 1 a, b, c können selbstverständlich mit einer der drei Anordungsvarianten der Lager 31,32, der Bürsten 33,34,35, oder der Sensoren 12 bzw. des Steuerungssenders 36 ausgeführt werden.

Die Fig. 2 zeigt mehr Details der prinzipiellen Bauweise eines Motors mit dem Folgerotor als Innenläufer (Fig. l a), zum Beispiel wie bei einem Motor, welcher aus der Anmeldung PCT-RO 00012/95 bekannt ist. Der Folgerotor 2, welcher sich gegenüber der Hohlwelle 11 frei dreht, ist auf einer Zwischenplatte befestigt, die sich zwischen der ersteren und der Lagerbüchse 22 erstreckt und mit einem Flansch 24 endet, was zur Ankoppelung des angetriebenen Gegenstandes dient.

Der Rotor 2 trägt auch eine Magnetscheibe 25, die als Geber für die Relativstellung der Rotoren 1 und 2 dient, wobei der Feldrotor l dementsprechend einen Hallsensor 16 trägt. Der Feldrotor I ist auf der Hohlwelle 11 mit Hilfe eines Multifunktionsrahmens 14 befestigt, welcher die Joche 141 mit Wicklungen 142 trägt. Die angetriebene Vorrichtung wird am Außenrand des Rahmens 14 befestigt.

Die Wicklungen 142 sind an der Leiterplatte 143 angeschlossen, wo auch die Anschlüsse der Leistungstransistoren 13 angebracht sind, wobei diese den Rahmen 14 als Kühler benutzen.

Der Strom fließt vom Plusanschluß der Stromquelle durch die Bürste 33, die den Axialstift 111 kontaktiert, welcher gegenüber der Welle isoliert ist. Der Stift 111 ist gebohrt und geschlitzt, so daß er als Mutterteil einer Steckerverbindung wirkt (z. B.. Fig 3 a).

Durch diese wird der Radialsteckerstift 145 durchgesteckt, welcher gegenüber dem Rahmen 14 isoliert ist und somit den Strom vom +Anschluß zu der Leiterplatte 143 führt.

Es können auch andere Varianten realisiert werden, so z. Bsp. kann der Stift 145 als erstes eingeführt werden, wobei der Stift 111 in diesen eingesteckt wird.

Der Minusanschluß der Stromquelle ist an der Bürste 34 angeschlossen, die direkt auf die Welle 11 drückt, die unmittelbar Kontakt zu dem Rahmen 14 hat, so daß die Motorteile am minus-Potential liegen.

Mit diesen einfach realisierten Anschlüssen (+,-) ist der Motor bereits funktionsfähig. Eine abnormale Zunahme der Motordrehzahl, insbesondere des Außenrotors, kann mit Hilfe eines Kontaktes vermieden werden, der auf der Leiterplatte 143 angebracht ist und über die Fliehkraft beim Überschreiten einer vorgegebenen Drehzahl betätigt wird.

Sollte die Möglichkeit bestehen, auf die Elektronik des Motors (Leiterplatte 143 bzw. die Halbleiter 13) steuernd Einfluß zu nehmen, um z. B. den Motor zu starten oder dessen Leistung zu regeln, so kann dies mit Hilfe des Sensors 12 geschehen.

Dieser weist z. B. drei Anschlüsse 121 auf, die in einem Isolierkörper 122 angeordnet sind. Die Anschlüsse 121 des Sensors 12, die um 120° auf einem Kreisumfang angeordnet sind, werden an die Stifte 146, die gegenüber dem Rahmen 14 isoliert sind, angeschlossen, wobei diese Stifte mit der Leiterplatte 143 verbunden sind.

Der Isolierkörper 122 kann durch Spritzgießen oder eine sonstige Bearbeitung aus einem thermoplastischen oder nicht thermoplastischen Material hergestellt werden.

In einer einfachen Form wird dieser Nuten aufweisen, die die Anschlüsse 121 aufnehmen.

Hier werden bekannte Regeln vom Stand der Technik eingesetzt, um eine sichere elektrische Verbindung zwischen den Lamellen 121 und den Stiften 146 herzustellen. Man kann z. B. so verfahren, dass die Stifte 146 mit elastischem Druck in die Lamellen 121 (radial) eingesteckt werden, oder daß die Lamellen 121 elastisch in die Stiften 146 (axial) einrasten.

Wenn dies gewünscht wird, kann man auch andere Anschlußtechniken einsetzen, z. B. mit Hilfe koaxialer, rohrförmiger Leitungen, die zu Schleifringen oder zum Sensor 12 führen, wobei dadurch vermieden wird, dass die Hohlwelle 11 als Leiter wirkt.

Man kann ebenfalls isolierte Drähte durch den Motorrahmen 14 und die Hohlwelle 11 ziehen.

Die beispielhafte Ausführung nach Fig. 2 ist jedoch einfacher und eignet sich für eine automatisierte Montage. Eine kompaktbauende Variante der Bürstenanordnung, die sich für hohe Ströme eignet, ist in Fig. 3 b dargestellt, wo zwei Bürsten 33 und 33', (bzw. 34,34') symmetrisch gegenüber dem Stift 111 angeordnet sind, wobei deren elektrischen Anschlüsse parallel geschaltet sind und jede Bürste von einer doppelten Rollfeder 331 angedrückt wird.

Für die Motorregelung überträgt der Sender 36 berührungslos Steuerungssignale auf den Sensor 12, welcher auf die rotierende Elektronik wirkt.

Die festen Lager 31 und 32 gestatten, dass die Welle 11 sich frei dreht und übernehmen nur Stützkräfte, die von der gesamten gegenläufigen Anordnung verursacht sind. Die beiden Enden der Hohlwelle 11 befinden sich innerhalb geschlossener Räume 37 und 37', wobei die Abdichtung der

Lager 31,32 für den Schutz der Bürsten und der Einheit Sender 36-Empfänger 12 genutzt werden, wobei die Gehäuse 37,37 gleichzeitig Halterungen des Motors sind.

Kennzeichnend für diese Motoren mit gegenläufigen Rotoren ist, dass sie den gleichen Drehmoment über jeden der Rotoren 1,2 liefern, so dass auf die Halterung 37 lediglich ein vernachlässigbarer Reibmoment übertragen wird, welcher von den Bürsten 33,34 bzw. Lager 31,32 stammt.

Die Auslegungsdrehzahl fúr die Elektrik des Motors (die Relativdrehzahl bzw. die Schaltfrequenz) ist die Summe der Absolutdrehzahlen der beiden Rotoren l, 2, zumal diese gegenseitig rotieren. Die Drehzahl und ggf. die Leistung des Motors kann von außen auch ohne den Sensor 12 geregelt werden, durch die Auswertung der Spannung und des Stromes an den Bürsten 33,34 des Motors, sowie über die Frequenz der Stromwelligkeit, die auf die Kommutierung zurückzuführen ist.

Diese Parameter können nach Bedarf geregelt werden mit Hilfe einer Elektronik, die außerhalb des Motors z. B in dem feststehenden Träger untergebracht ist.

Die Drehzahlen der beiden Rotoren 1,2, können unterschiedlich sein und man kann die Drehzahl eines einzelnen Rotors beeinflussen, (z. B. durch die Änderung der Drehzahl/Drehmomentkennlinie der angetriebenen Vorrichtung), wobei der Drehmoment bzw. die Drehzahl am anderen Rotor (2,1) ebenso verändert wird.

Dies sind also Möglichkeiten zum Zwecke der Regelung der beiden Arbeitsvorrichtungen 19,29, die von den Rotoren l und 2 angetrieben werden, wobei man die Kommutierungsfrequenz und/oder das Verhältnis der Drehzahlen der Rotoren beeinflussen kann Das Vorzugsgebiet für die Anwendung gegenläufiger Motoren dieser Erfindung ist der Antrieb axialer gegenläufiger Gebläse. Die Realsierungsmöglichkeit eines solchen Gebläses mit mehreren Stufen (vier) ist in Fig. 4 gezeigt. Der Außenrotor 1 treibt zwei Axialventilatorstufen b und d mit Schaufeln 19 an, die sich in einer Richtung drehen, wobei der Innenrotor 2 über den Fuß der Lüfterschaufeln 29 der a-Stufe diese, bzw. die c-Stufe antreibt, die an der a-Stufe über ein mitdrehendes, zylindrisches Rohr 27 befestigt ist.

Die Wand (der Träger) 38, die die Über- (P) bzw. Unterdruckräume (J) trennt, kann als Verlängerung der Gehäuse der Lager 31,32 bzw. der Bürsten 33,34 ausgebildet werden. Diese weist einen zylindrischen Kragen im Bereich der Stufe d (Lufteinlauf) um die Verluste zwischen diesem und dem Rohr 27 zu verringern.

Für Anwendungen, die einen hohen Durchsatz bei geringem Druck benötigen, ist die Variante eines gegenläufigen Motors mit zwei Lüftern nach Fig. 5a, b, vorteilhaft. (schematische Darstellung und Motorquerschnitt).

Der Motor nach Fig. 5b (Antriebsanordnung s. Fig. 5a) weist die Konfiguration der zwei Rotoren wie in Fig. 1 a, wobei die Lageranordnung der Fig. 1 b entspricht. Hier treibt der Außenrotor 1 die

Schaufeln 19 eines Lüfters und der Innenrotor 2 treibt mit Hilfe des Riemens 241 einen seitlich versetzt angeordneten Lüfter 29, so daß die zwei Lüfter nebeneinander (parallel) fördern. Das Übersetzungsverhältnis des vom Innenrotor 2 über dem Riemenrad (Flansch) 24 angetriebenen Riemenantriebes 241 kann 1 : 1 sein oder davon abweichend, und bei Bedarf sogar veränderbar, womit man zusätzliche Regelungsmöglichkeiten bekommen könnte. Die übrigen Teile sind wie in Fig. 1 bezeichnet. Das Verhältnis der von den zwei Lüftern benötigten Leistungen kann durch die Änderung der Lüfterkennlinie durch bekannte Verfahren erfolgen.

Wenn man berücksichtigt, daß die zwei Drehmomente gleich sind, so kann der Arbeitspunkt jeden Liifters ermittelt werden. Die 2 Lüfter können in der gleichen (Fig. 5a) oder auf unterschiedlichen Ebenen plaziert werden.

Fig. 6 zeigt zwei radiale Gebläse 19,29, jedes mit einem Spiralgehäuse, die von den Rotoren l und 2 gemäß der Erfindung angetrieben werden. In Fig. 7 ist eine Variante mit zwei radial konzentrischen Gebläsen 19,29, die von den Rotoren l, 2 angetrieben werden, dargestellt, wobei das eine Gebläserad im Inneren des anderen sitzt. Diese Art benötigt kein Spiralgehäuse, wobei die Luft in radialer Richtung geblasen wird. Die Erfindung gestattet die Realisierung wirtschaftlicher, leichter und effizienter Motor-Gebläseeinheiten durch einfache technologische Verfahren.