DE102017217619A1

DE102017217619A1 - Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE102017217619A1
Application number: DE102017217619.9A
Authority: DE
Inventors: Mladen Zec; Armin Suttner-Reimann; Achim Brunner
Original assignee: Buehler Motor GmbH
Current assignee: Buehler Motor GmbH
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2019-04-04
Also published as: US11165289B2; US20190103773A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (1), mit einer eisenlosen Statorwicklung (2), einem radial außerhalb der Statorwicklung (2) angeordneten magnetischen Rückschluss (3) und einem Permanentmagnetrotor (4). Aufgabe der Erfindung ist es bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit eisenloser Statorwicklung für ein ausreichendes Bremsmoment zu sorgen, um eine selbsttätige Verstellung einer Anbaueinheit zu vermeiden, wobei der Gleichstrommotor eine möglichst kleine Baugröße, insbesondere in radialer Richtung und ein geringes Gewicht aufweist und die Amplitude, die Form und die Frequenz des Bremsmoments unabhängig vom Wicklungsdesign frei optimierbar sein soll. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (1), mit einer eisenlosen Statorwicklung (2), einem radial außerhalb der Statorwicklung (2) angeordneten magnetischen Rückschluss (3) und einem Permanentmagnetrotor (4).
Eisenlose Wicklungen werden bei Motoren eingesetzt, die eine geringe Baugröße und/oder ein geringes Gewicht und/oder ein geringes Rastmoment aufweisen sollen. Ein deutliches Rastmoment entsteht bei eisengenuteten Gleichstrommotoren insbesondere durch ausgeprägte Statorpole und/oder eine geringe Anzahl an Polpaaren sowohl am Stator als auch am Rotor. Mit genuteten Motoren lassen sich naturgemäß höhere Drehmomente erzeugen. Das dabei auftretende Rastmoment wird häufig durch Änderung der Polgeometrie so beeinflusst, dass Geräusche und Vibrationen auf ein für den jeweiligen Einsatzfall verträgliches Maß reduziert oder zumindest modifiziert sind. Diese Maßnahmen haben eine Verringerung des Wirkungsgrades zur Folge. Gleiches gilt für eisenlose Statorwicklungen, die in der Regel kontinuierlich gewickelt sind oder aus einem Leiterplattenlayout mit entsprechend kontinuierlich angeordneten Leiterschleifen bestehen. Ein geringes Rastmoment lässt sich auch bei eisenlosen Motoren nicht völlig vermeiden.
Bei Kommutatormotoren ist es bekannt ( DE 101 44 914 A1 , EP 2 980 967 A1 , DE 10 2008 039 194 A1 , DE 203 13 943 U1 , US 4,973,871 B1 ) die Dicke des magnetischen Stator-Rückschlusses alternierend auszubilden, um Gewicht einzusparen, denn die Konzentration an Magnetfeldlinien ist über den Umfang nicht konstant.
Aus der DE 10 2009 046 902 A1 ist bekannt die Dicke des magnetischen Stator-Rückschlusses über den Umfang zu variieren, die Gesamtdicke des Polgehäuses jedoch konstant auszubilden.
Die DE 603 10 489 T2 beschreibt einen Kommutatormotor mit einer Zusatzhülse, zur Verstärkung des Rückschlussrings.
Aus der DE 203 02 171 U1 ist ein Motor mit eisenloser Wicklung bekannt, bei welchem der Statorrückschluss aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Rohr und einer darauf montierten stabilisierenden Hülse aus magnetisch leitendem Material besteht.
Die JP 2002-136034 A zeigt einen nicht konstanten Statorrückschluss bei einem eisenlosen Motor.
Ausnehmungen im Rückschlussmantel zeigt die US 6,794,789 B2 , wobei diese Ausnehmungen spiralförmig um den Umfang des Stators verlaufen.
Ein Anwendungsgebiet für elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren sind Antriebe für Rollos, Jalousien, Rolltore etc. In der Regel sind die Gleichstrommotoren hierbei in enge Rohre eingebaut, die zugleich als Haspel zur Aufnahme der Rollo-Segmente etc. dienen. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse ist es sinnvoll elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren mit eisenloser Statorwicklung hierfür zu verwenden. Das Haltemoment ist bei diesen Gleichstrommotoren jedoch begrenzt, so dass aufwändige Bremseinrichtungen eingesetzt werden müssen um die erforderlichen Halte- oder Bremskräfte bereitstellen zu können.
Ein weiteres Einsatzbeispiel sind Medikamenten-Dosiereinheiten, insbesondere Insulinpumpen. Hierbei darf es zu keinen unkontrollierten Rotordrehungen durch Vibrationen, äußeren Magnetfeldern oder ähnlichem kommen, weil dies eine Fehldosierung zur Folge hätte.
Aufgabe der Erfindung ist es bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit eisenloser Statorwicklung für ein ausreichendes Bremsmoment zu sorgen, um eine selbsttätige Verstellung einer Anbaueinheit zu vermeiden, wobei der Gleichstrommotor eine möglichst kleine Baugröße, insbesondere in radialer Richtung, und ein geringes Gewicht aufweist und die Amplitude, die Form und die Frequenz des Bremsmoments unabhängig vom Wicklungsdesign frei optimierbar sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch dass der magnetisch leitende Rückschluss (3) über seinen Umfang unterschiedliche magnetische Leitfähigkeiten aufweist, bildet sich ein Rast- und damit im Stillstand des Rotors ein Brems- oder Haltemoment. Durch die unterschiedliche magnetische Leitfähigkeit werden die Magnetfeldlinien des Rotormagnetfelds in unterschiedlichen Winkelbereichen unterschiedlich gut geleitet, so dass sich Vorzugsbereiche ergeben, die durch Winkelbereiche mit höherer magnetischer Reluktanz getrennt sind. Mehrere über den Umfang verteilte derartige Bereiche verstärken diesen Effekt, sofern Rotor- und Statorpolzahl gleich sind oder ein ganzzahliges Vielfaches aufweisen. Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargestellt.
Eine Möglichkeit zur Beeinflussung des magnetischen Widerstands besteht darin, dass der magnetisch leitende Rückschluss über seinen Umfang unterschiedliche Materialstärken aufweist. Dies kann dadurch geschehen, dass der Rückschluss entsprechend um- oder urgeformt wird oder dass der Rückschluss aus mehreren zusammengesetzten Teilen besteht.
Die Materialstärke kann auf unterschiedliche Weise alternierend ausgeführt werden, z. B. indem der magnetisch leitende Rückschluss (3) an seinem Innenumfang eine zylindrische Mantelfläche (5) aufweist, nicht jedoch an seinem Außenumfang. Der Effekt ist hier spürbar, aber nicht für jeden Einsatzfall ausreichend.
Im umgekehrten Fall hat der magnetisch leitende Rückschluss (3) an seinem Außenumfang eine zylindrische Mantelfläche (6) und an seinem Innenumfang eine alternierende zahnartige Geometrie. Hier sind die Momentsprünge deutlich stärker als bei der vorher beschriebenen Ausführung, weil die Luftspaltbreite alterniert.
Den deutlichsten Effekt erzielt eine Kombination aus beiden Varianten, bei welcher keine der Mantelflächen, weder die innere noch die äußere, zylindrisch ist.
Zweckmäßigerweise erfüllt der magnetisch leitende Rückschluss, zumindest im Zylindermantelbereich eine Gehäusefunktion und macht zusätzliche Gehäuse obsolet.
Es ist auch Ziel der Erfindung eine Baureihe von Gleichstrommotoren bereitzustellen, bei welcher durch die Kombination einer möglichst geringen Anzahl verschiedener Teile eine möglichst große Vielfalt an unterschiedlichen Bremsmomenten zu erzeugen oder durch weglassen eines Bauteils auch einen gewöhnlichen Luftspaltmotor zu generieren, der keine erhöhten Anforderungen an ein Halte- oder Bremsmoment aufweist.
Der magnetisch leitende Rückschluss kann aus paketierten Blechen bestehen, welche durch Stanzen (Scherschneiden), Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden hergestellt sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen herkömmlichen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor gemäß dem Stand der Technik,
2 eine erste Ausführungsform der Erfindung und
3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung.

Hinweis: Bezugszeichen mit Index und entsprechende Bezugszeichen ohne Index bezeichnen namensgleiche Einzelheiten in den Zeichnungen und der Zeichnungsbeschreibung. Es handelt sich dabei um die Verwendung in einer anderen Ausführungsform, dem Stand der Technik und/oder die Einzelheit ist eine Variante. Die Ansprüche, die Beschreibungseinleitung, die Bezugszeichenliste und die Zusammenfassung enthalten der Einfachheit halber nur Bezugszeichen ohne Index.
1 zeigt einen herkömmlichen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 1 gemäß dem Stand der Technik, mit einem hohlzylindrischen magnetisch leitenden Rückschluss 3, einer hohlzylindrischen am Innenumfang des Rückschlusses 3 anliegenden eisenlosen Statorwicklung 2 und einem Permanentmagnetrotor 4.
2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Gleichstrommotors 1a, mit einer hohlzylindrischen eisenlosen Statorwicklung 2a und einem magnetisch leitenden Rückschluss 3a, welcher an seinen Innenumfang einen zylindrische Mantelfläche 5a aufweist. Ein geschlossener Innenring 7a weist eine Dicke d_a auf. Radial außen schließen sich Verstärkungsbereiche 8a an, welche durch Engstellen 9a voneinander getrennt sind. Der Rückschluss 3a weist im Bereich der Verstärkungen eine größere Dicke D_a auf. Da die Luftspaltbreite konstant bleibt, ist die erzielbare Halte- oder Bremskraft geringer als bei einer zweiten Ausführungsform.
3 zeigt die zweite Ausführungsform eines Gleichstrommotor 1b, welcher einen magnetisch leitenden Rückschluss 3b, eine hohlzylindrische eisenlose Statorwicklung 2b und einen Permanentmagnetrotor 4b aufweist. Der Rückschluss 3b weist eine geschlossene äußere zylindrische Mantelfläche 6b auf. Ein geschlossener Ring 7b weist eine Dicke d_b auf. Radial innen schließen sich Verstärkungsbereiche 8b an, welche durch Engstellen 9b voneinander getrennt sind. Der Rückschluss 3b weist im Bereich der Verstärkungsbereiche 8b eine größere Dicke D_b auf. Die Luftspaltbreite variiert hier aus dem Abstand zwischen dem Permanentmagnetrotor 4b und dem Verstärkungsbereich 8b, sowie dem Abstand zwischen dem Permanentmagnetrotor 4b und dem geschlossenen Ring 7b. Dadurch ist die erzielbare Halte- oder Bremskraft deutlich größer als bei der ersten Ausführungsform.
Bezugszeichenliste

1: Gleichstrommotor
2: Statorwicklung
3: Rückschluss
4: Permanentmagnetrotor
5: Innere zylindrische Mantelfläche
6: äußere zylindrische Mantelfläche
7: Innenring
8: Verstärkungsbereich
9: Engstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10144914 A1 [0003]
EP 2980967 A1 [0003]
DE 102008039194 A1 [0003]
DE 20313943 U1 [0003]
US 4973871 B1 [0003]
DE 102009046902 A1 [0004]
DE 60310489 T2 [0005]
DE 20302171 U1 [0006]
JP 2002136034 A [0007]
US 6794789 B2 [0008]

Claims

Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor (1), mit einer eisenlosen Statorwicklung (2), einem radial außerhalb der Statorwicklung (2) angeordneten magnetischen Rückschluss (3) und einem Permanentmagnetrotor (4), dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisch leitende Rückschluss (3) über seinen Umfang unterschiedliche magnetische Leitfähigkeiten aufweist.
Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisch leitende Rückschluss (3) über seinen Umfang unterschiedliche Materialstärken aufweist.
Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisch leitende Rückschluss (3) mehrteilig ist.
Gleichstrommotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisch leitende Rückschluss (3) an seinem Innenumfang eine zylindrische Mantelfläche (5) aufweist.
Gleichstrommotor nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisch leitende Rückschluss (3) an seinem Außenumfang eine zylindrische Mantelfläche (6) aufweist.
Gleichstrommotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisch leitende Rückschluss (3) weder an seinem Innenumfang noch an seinem Außenumfang eine zylindrische Mantelfläche aufweist.
Gleichstrommotor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisch leitende Rückschluss (3) als Gehäuse dient.
Baureihe eines Gleichstrommotors nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche.