DE3401776A1

DE3401776A1 - Kollektorloser gleichstrommotor mit eisenloser statorwicklung

Info

Publication number: DE3401776A1
Application number: DE19843401776
Authority: DE
Inventors: Fritz 7746 Hornberg Schmider
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1984-01-19
Filing date: 1984-01-19
Publication date: 1985-08-01
Anticipated expiration: 2004-01-20
Also published as: DE3401776C2

Description

Kollektorloser Gleichstrommotor
mit eisenloser Statorwicklung Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit Permanentmagnetrotor und eisenloser Statorwicklung, die in einem Luftspalt zwischen Rotoreisenteilen angeordnet ist.
Ein solcher Motor ist bekannt (Aufsatz ¢Ein elektronisch kommutierter Doppelzylinderläufermotor in VDI-Bericht Nr. 482, 1983, Seite 17). Der Rotor des bekannten Motors weist eine Vielzahl (dort 24) von quaderförmigen Seltenerd-Kobalt-Magneten auf. Er umfaßt vier Rotorpole mit je sechs Magneten. Über die Anzahl der Statorspulen und deren Lage ist in dem Aufsatz nichts gesagt.
Es ist bei solchen Motoren problematisch, eine effektive Kupferverteilung in einer einlagigen Wicklung unterzubringen, die im Gegensatz zu altbekannten Anordnungen nicht aus einer verteilten Wicklung, sondern aus konzentrierten Spulen besteht.
Auf dem Markt ist auch bereits ein kollektorloser Kopfradmotor für Videorecorder mit eisenlosen Zylinderspulen sowie rotierend angeordnetem Permanentmagnet und zugehörigen Eisenrückschlußteilen bekannt, der vier äquidistante Spulen und sechs Rotorpole aufweist. Bei einer solchen Auslegung ist die Forderung, vor allem im Falle von axialer Kompaktheit des Motors, einen hohen Anteil des Kupfers zur Drehmomenterzeugung heranzuziehen, nicht zu erfüllen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit eisenloser Statorwicklung zu schaffen, der gegenüber bekannten Motoren der genannten Art höheren Wirkungsgrad und verbessertes Leistungsgewicht hat und der ein besonders gleichmäßiges Drehmoment abgibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die als dreiphasige Wicklung ausgebildete Statorwicklung aus wenigstens 3n einander nicht überlappenden, äquidistant verteilten, konzentrierten Spulen besteht und der Rotormagnet mit 2n Polen versehen ist, wobei n eine ganze Zahl - 1 und vorzugsweise gleich 2 ist.
Eine solche Lösung hat den besonderen Vorteil, daß im Luftspalt relativ viel elektromotorisch wirksames Leitungsmaterial untergebracht werden kann und sich dieses Leitungsmaterial weitgehend effektiv parallel erstreckt. Es werden verbesserter Wirkungsgrad und verbessertes Leistungsgewicht erzielt. Bei gleicher Luftspaltproportion stehen ein hohes Leistungsvolumen und ein relativ gleichmäßiges Drehmoment zur Verfügung. Die Vorteile wirken sich insbesondere bei beschränkter axialer Länge des Motors, d.h. axialer Kompaktheit, aus. Aus der DE-OS 31 22 049 ist zwar ein kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor mit sechs überlappungsfreien statorspulen und vier Rotorpolen bei dreisträngiger Ausbildung der Statorwicklung bekannt. Dort handelt es sich aber um einen genuteten Stator, bei dem die Statorspulen um die Schenkel von T-förmigen Statorpolen herumgewickelt sind.
Der Luftspalt ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig zylindrisch, wobei die Spulen vorteilhaft Teil eines hohlzylindrischen, insbesondere hülsenförmigen, eisenlosen Statorkörpers sind, der einfach dadurch erhalten werden kann, daß die Spulen mit einer Kunststoffmasse ul))-spritzt sind. Die Spulen bzw. der diese Spulen beinhaltende Statorkörper sind (ist) vorteilhaft von der einen Stirnseite her gehaltert und zu diesem Zweck z.B. in einen ringförmigen Bereich einer Spulenhalterung eingebettet. Die Montage wird besonders einfach, wenn die Spulen auf ihrer Halterungsseite in eine Spulenanschlüsse tragende gedruckte Leiterplatte eingelassen sind, wobei die zum Umspritzen der Spulen vorgesehene Kunststoffmasse auch in Ausnehmungen der Leiterplatte eingespritzt sein kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung trägt die Leiterplatte zugleich den z.B. als Mäandertachowicklung ausgebildeten Statorteil eines Tachogenerators, während der Rotorteil des Tachogenerators von einem Magnetring gebildet sein kann, der von den Rotoreisenteilen getragen ist.
Eine besonders robuste Konstruktion wird erhalten, wenn die Rotoreisenteile einen Rotortopf, dessen Umfangswand die Spulen von außen umgreift, und einen zu den Spulen und dem Rotortopf konzentrischen, auf der Innenseite der Spulen liegenden Rotorzylinder aufweisen. Der Rotortopf kann beispielsweise als Tiefziehteil ausgebildet und mit dem Rotorzylinder auf beliebige Weise verbunden sein. Rotortopf und Rotorzylinder können aber auch zu einem einstückigen, vorzugsweise gesinterten, Rotorbauteil zusammengefaßt sein.
Der Rotormagnet ist zweckmäßig an der zylindrischen Außenfläche des Rotorzylinders angebracht und zusammen mit den Rotoreisenteilen von der gleichen Stirnseite her gelagert wie die Spulen. Dabei kann der Rotorzylinder vorteilhaft auf der vom Boden des Rotortopfs abliegenden Seite über eine Buchse mit einer Antriebswelle verbunden sein.
Zweckmäßig weist der Motor ein topfförmiges Gehäuse auf, an dessen Bodeninnenseite die Spulenhalterung befestigt und/oder der Rotor drehbar abgestützt oder gehaltert sein kann. Die mechanisch relativ empfindliche Spulenanordung ist besonders gut geschützt, wenn der Boden des Gehäuses und der Boden des Rotortopfs benachbart gegenüberliegenden Stirnseiten der Spulen sitzen. Besteht nicht nur der Rotortopf, sondern auch das Gehäuse aus magnetisch gut leitendem Werkstoff, wird durch diese Ausführungsform außerdem eine besonders wirkungsvolle magnetische Abschirmung erzielt. Rotor und Stator des Motors können zu einer vormontierten Einheit zusammengefaßt sein, die sich mit einer vorhandenen Antriebswelle lösbar verbinden läßt. Der Hagnetring des Tachogenerators kann besonders einfach an der vom Boden des Rotortopfs abgewendeten Stirnseite der Rotortopf-Umfangswand angebracht sein.
Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch einen Gleichstrommotor entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 einen Teilschnitt eines Motors gemäß einer zweiten Ausführungsform, Fig. 3 einen Teilschnitt ähnlich Fig. 2 für eine dritte Ausführungsform des Motors nach der Erfindung, Fig. 4 einen Schnitt durch den Rotor eines Motors gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5 eine teilweise geschnittene Darstellung einer Ausführungsform des Stators des Motors nach der Erfindung, und Fig. 6 eine Draufsicht auf den Stator gemäß Fig. 5.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann es sich um den Antriebsmotor 1 eines nicht dargestellten Videorecorders handeln. In einem Lagerflansch 2 sind Gleitlager 3, 4 zur Lagerung einer Antriebswelle 5 befestigt. Auf dem in Fig. 1 unteren Ende der Antriebswelle 5 ist eine Rotorbuchse 6 fest angebracht. Die Rotorbuchse 6 ist mit einem bezüglich der Statorwicklung innenliegenden Rotorzylinder 7 sowie über diesen mit einem bezüglich der Statorwicklung außenliegenden Rotortopf 8 fest verbunden.
Der Rotorzylinder 7 und der Rotortopf 8 bestehen aus weichmagnetischem Material. Sie sind am Boden 33 des Rotortopfes 8 durch Schweißen (in Fig. 1 angedeutet), Stauchen oder Rollieren (in Fig. 2 angedeutet) oder auf ähnliche Weise zusammengefügt. Ein Rotormagnet 10 befindet sich auf der Außenfläche des Rotorzylinders 7.
Der Rotormagnet 10 wird von einem Dauermagnetring gebildet, der derart radial magnetisiert ist, daß auf der Mantelfläche des Magneten in Umfangsrichtung vier Magnetpole (zwei magnetische Nordpole und zwei damit abwechselnde magnetische Südpole) entstehen, wie dies beispielsweise in Fig. 1 der oben genannten DE-OS 31 22 049 näher dargestellt ist. An Stelle eines einteiligen Magnetrings können zur Bildung des Rotormagneten 10 auch mehrere gesonderte Magnetsegmente vorgesehen sein.
Gegenüber der offenen Seite des Rotortopfes 8 ist eine ringförmige gedruckte Leiterplatte 13 angeordnet. Auf der dem Rotortopf 8 zugewendeten Seite der Leiterplatte 13 sitzt radial außen eine planare Mäandertachowicklung 14 mit z.B. 32 oder 48 Polen mit oder ohne Kompensationsschleife. Solche Mäandertachowicklungen und zugehörige Kompensationsschleifen sind beispielsweise aus der DE-OS 29 27 958 bekannt und bedürfen infolgedessen vorliegend keiner näheren Erläuterung. Der Rand 12 des Rotortopfs 8 trägt einen mit der Mäandertachowicklung 14 einen Tachogenerator bildenden, planaren, entsprechend hochpoligen Magnetring 11 mit Eisenrückschluß.
Der Rückschluß kann durch einen zusätzlich aufgesetzten Ring oder einen aufgesetzten oder beim Tiefziehen des Rotortopfes 8 angedrückten Wulst 37 (Fig. 3) bestehen.
Radial innerhalb der ringförmigen Leiterplatte 13 sitzt ein magnetfeldabhängiger Drehstellungssensor 24, beispielsweise in Form eines Hall-ICs mit radial nach innen sensibler Richtung. Auf die Rotorbuchse 6 ist ein Permanentmagnet 25 aufgesetzt, der an dem Sensor 24 vorbeiläuft. Bei jedem solchen Vorbeilauf gibt der Sensor 24 einen Impuls ab.
Die Welle 5 weist an ihrem in Fig. 1 unteren Ende eine Kuppe 34 auf, die auf einer axialen Gleitlagerung 15 läuft.
Die Innenwandung des Rotortopfs 8 und die Außenwand des Rotormagneten 10 begrenzen einen zylindrischen Luftspalt 32, in dem ein Stator 16 mit einer Folge von einander nicht überlappenden, konzentrischen Spulen 17 angeordnet ist. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind, wie im einzelnen aus den Fign. 5 und 6 hervorgeht, sechs äquidistante, in Umfangsrichtung im wesentlichen unmittelbar aneinander anschließende Spulen vorgesehen, die vorzugsweise unter Bildung eines im wesentlichen hülsenförmigen Statorkörpers mit einer Kunststoffmasse 20 umspritzt sind. Letztere verleiht dem Stator 16 relativ hohe Stabilität.
Die erläuterte Anordnung erlaubt es, in dem zylindrischen Luftspalt 32 zwischen Rotormagnet 10 und Rotortopf 8 besonders viel zur Drehmomenterzeugung beitragendes Leitungsmaterial (im allgemeinen Kupferdraht) unterzubringen. Damit werden ein erhöhter Wirkungsgrad und ein besseres Leistungsgewicht erzielt. Im Vergleich zu bekannten ähnlichen Motoren kommt man zu gleichmäßigerem Drehmoment und höherem Leistungsvolumen. Dies gilt insbesondere bei axial kompakt aufgebauten Motoren, d.h. Motoren, bei denen das Verhältnis zwischen dem mittleren Durchmesser D des Luftspalts 32 und der effektiven Leiterlänge L der Spulen 17 größer als 0,5 und vorzugsweise größer als 1 ist.
Die Spulen 17 greifen im Bereich ihrer einen Stirnseite durch entsprechende Ausnehmungen der Leiterplatte 13 hindurch, und sie sind in einen Bereich 18 einer ringförmigen Spulenhalterung 19 eingebettet. Die Wicklungsenden der Spulen 17 sind zweckmäßig mit Spulenanschlüssen verbunden, die auf der Leiterplatte 13 vorgesehen sind (nicht näher veranschaulicht). Die Spulenhalterung 19 bzw. der von den Spulen 17 und der Kunststoffmasse 20 gebildete Statorkörper sind mit Schrauben 21 am Boden 35 eines topfförmigen Gehäuses 22 befestigt. Das Gehäuse 22 ist in einer entsprechenden Ausnehmung 23 des Lagerflanschs 2 festgemacht. Der Boden 35 des Gehäuses 22 trägt die Gleitlagerung 25. Ein Anschlußkabel 26 führt von der Leiterplatte 13 durch eine Öffnung 27 des Bodens 35 hindurch.
Während sich das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel besonders als komplette Antriebseinheit eignet, zeigen die Fign. 2 und 3 Ausführungsformen eines Motors, der als Zulieferungsteil einen nachträglichen Anbau ermöglicht. In diesem Fall sind der Lager flansch 2, die Welle 5 und im Lager flansch 2 befestigte Kugellager 36 vorhanden. Die Welle 5 weist be d dienst XtlS fUhr vngs rr,tmen eine Führungsfläche 28, beispielsweise in Form einer Abflachung, und einen vorzugsweise Außengewinde tragenden Ansatz 29 auf. Das dargestellte eine Kugellager 36 ist - ebenso wie das eine Gleitlager 4 - etwa im Bereich der Mitte des magnetisch wirksamen Luftspalts 32 angeordnet. Die übrigen, oben beschriebenen Einzelteile des Antriebsmotors sind komplett vormontiert und werden in vormontierter Form auf die Welle 5 bzw. in die Ausnehmung 23 des Lagerflanschs 2 geschoben. Dann wird eine Scheibe 31 auf den Ansatz 29 gesteckt. Auf das Außengewinde des Ansatzes 29 wird eine Mutter 30 aufgeschraubt.
Entsprechend der abgewandelten Ausführungsform nach Fig.4 können der Rotorzylinder 7, der Rotortopf 8 und die Rotorbuchse 6 auch zu einem doppelzylinderförmigen einstückigen Rotorbauteil 9 zusammengefaßt sein, das zweckmäßig aus weichmagnetischem Sintereisen gefertigt werden kann. Dabei müssen nur der äußere Mantel des Rotorzylinders 7 im Bereich der Anbringung des Rotormagneten 10 und die eine Stirnseite des Rotorzylinders zur Befefestigung des Magnetrings 11 spanabhebend bearbeitet werden. Daraus ergibt sich gegenüber den Ausführungsformen gemäß den Fign. 1 bis 3 eine erhebliche Kostensenkung.
Bei den Ausführungsformen nach den Fign. 1 und 2 ist in Verbindung mit der dreiphasigen Statorwicklung nur ein einziger Drehstellungssensor 24 vorhanden. Dieser Sensor 24 kann an einen Mikroprozessor angeschlossen sein, der als Kommutierungsteuereinrichtung dient und über eine entsprechende Endstufe für eine zyklische Beaufschlagung der Spulen 17 mit Strom sorgt, wie dies im einzelnen in der DE-Patentanmeldung P 33 41 731.8 erläutert ist.
Statt dessen können grundsätzlich aber auch in der für kollektorlose Gleichstrommotoren mit Dreiphasenwicklung üblichen Weise drei Drehstellungssensoren vorgesehen sein, wie dies beispielsweise in der DE-OS 31 22 049 und der DE-Patentanmeldung P 33 31 940.5 erläutert ist.

Claims

An spr üch e Kollektorloser Gleichstrommotor mit Permanentmagnetrotor und eisenloser Statorwicklung, die in einem Luftspalt zwischen Rotoreisenteilen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dreiphasige Statorwicklung aus wenigstens 3n einander nicht überlappenden, äquidistant verteilten, konzentrierten Spulen (17) besteht und der Rotormagnet (10) mit 2n Polen versehen ist, wobei n eine ganze Zahl = 1 ist.
2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (32) zylindrisch ist.
3. Gleichstrommotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (17) Teil eines hohlzylindrischen, eisenlosen Statorkörpers (17, 20) sind.
4. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (17) mit einer Kunststoffmasse (20) umspritzt sind.
5. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (17) von ihrer einen Stirnseite her gehaltert sind.
6. Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (17) in einen ringförmigen Bereich (18) einer Spulenhalterung (19) eingebettet sind.
7. Gleichstrommotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (17) auf ihrer Halterungsseite in eine Spul enanschl üsse tragende gedruckte Leiterplatte (13) eingelassen sind.
8. Gleichstrommotor nach Anspruch 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffmasse (20) in Ausnehmungen der Leiterplatte (13) eingespritzt ist.
9. Gleichstrommotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (13) zugleich den Statorteil (14) eines Tachogenerators (11, 14) trägt.
10. Gleichstrommotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorteil des Tachogenerators (11, 14) als Mäandertachowicklung (14) ausgebildet ist.
11. Gleichstrommotor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorteil des Tachogenerators (11, 14) von einem von den Rotoreisenteilen (7, 8) getragenen Magnetring (11) gebildet ist.
12. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoreisenteile einen Rotortopf (8), dessen Umfangswand die Spulen (17) von außen umgreift, und einen zu den Spulen (17) und dem Rotortopf (8) konzentrischen, auf der Innenseite der Spulen liegenden Rotorzylinder (7) aufweisen.
13. Gleichstrommotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotortopf (8) und der Rotorzylinder (7) zu einem einstückigen Rotorbauteil (9) zusammengefaßt sind.
14. Gleichstrommotor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotormagnet (10) an der zylindrischen Außenfläche des Rotorzylinders (7) angebracht ist.
15. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotormagnet (10) und die Rotoreisenteile (7, 8) von der gleichen Stirnseite her gelagert sind wie die Spulen (17).
16. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 12 bis 14 und Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorzylinder (7) auf der vom Boden (33) des Rotortopfs (8) abliegenden Seite über eine Buchse (6) mit einer Antriebswelle (5) verbunden ist.
17. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein topfförmiges Gehäuse (22).
18. Gleichstrommotor nach Ansprüchen 6 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenhalterung (19) an der Innenseite des Bodens (35) des Gehäuses (22) befestigt ist.
19. Gleichstrommotor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (6 bis 10) an der Innenseite des Bodens (35) des Gehäuses (22) drehbar abgestützt und/oder gehaltert ist.
20. Gleichstrommotor nach Anspruch 12 und einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (35) des Gehäuses (22) und der Boden (33) des Rotortopfs (8) benachbart gegenüberliegenden Stirnseiten der Spulen (17) sitzen.
21. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Rotor und Stator des Motors zu einer mit einer Antriebswelle (5) lösbar verbindbaren vormontierten Einheit zusammengefaßt sind.
22. Gleichstrommotor nach Änspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (11) des Tachogenerators (11, 14) an der vom Boden (33) des Rotortopfs (8) abgewendeten Stirnseite der Umfangswand des Rotortopfs angebracht ist.
23. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (6 bis 10) des Motors einen Permanentmagnet (25) trägt, der an einem Magnetfeldsensor (24) vorbeiläuft.
24. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 2 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem mittleren Durchmesser (D) des zylindrischen Luftspalts (32) und der effektiven Leiterlänge (L) der Spulen (17) größer als 1 ist.
25. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sechs Spulen (17) vorgesehen sind und der Rotormagnet (10) vier Pole aufweist.