DE9112158U1 - Flachbauender, bürstenloser Gleichstrommotor - Google Patents

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P 303

Bremen

27. September 1991

Papst-Motoren GmbH & Co. KG,
Karl-Maier-Str. 1, 7742 St. Georgen

Flachbauender, bürstenloser Gleichstrommotor

Die Erfindung betrifft einen flachbauenden, bürstenlosen Gleichstrommotor, insbesondere in Verbindung mit einem Kleingebläse, mit einem Permanentmagnetrotor, der einen ringförmigen, mehrpolig axial magnetisierten Rotormagneten aufweist, und mit einem Stator, der mindestens eine Flachspule für eine eisenlos ausgebildete Statorwicklung hat, die von dem axial wirkenden Magnetfeld des Rotormagneten durchdrungen wird.

Aus der DE-OS 29 34 183 ist bereits ein flachbauender, bürstenloser Gleichstrommotor dieser Art bekannt, bei

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dem das Magnetfeld des Rotormagneten die Statorwicklungen durchdringt und sich in einem darunter liegenden Eisenrückschluß schließt. Diese Eisenrückschlußplatte bedeutet nicht nur höheren Aufwand, sondern vergrößert auch die axiale Baulänge des Motors. Ein weiterer bürstenloser Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnetrotor und einer als Flachspule ausgebildeten, eisenlosen Statorwicklung, die von einem axial wirkenden Magnetfeld des Rotormagneten durchdrungen wird, ist aus dem DE-GM 87 02 271 bekannt. Dieser Motor weist auf der dem Permanentmagnetrotor abgekehrten Seite der Flachspule keinen Eisenrückschluß auf, sondern lediglich eine Leiterplatte zur Aufnahme der Motorelektronik des Motors, sowie eine im Abstand davon angeordnete Endkappe. Die besondere Bauart dieses Motors mit nur einer Statorspule und ohne Eisenrückschluß bringt verhältnismäßig große Streufelder mit sich, so daß empfindliche Bauteile einen gehörigen Abstand von den magnetischen Teilen des Motors einhalten müssen, was im vorliegenden Fall durch eine in verhältnismäßig großem Abstand angeordnete Endkappe sichergestellt wird. Dies bringt es jedoch mit sich, daß die axiale Baulänge des Motors verhältnismäßig groß ist und kaum weiter reduziert werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flachbauenden, bürstenlosen Gleichstrommotor zu schaffen, der ohne Eisenrückschluß auf der dem Permanentmagnetrotor abgekehrten Seite der Statorwicklung auskommt, und der dennoch bei kurzer Baulänge ein nur minimales Streufeld außerhalb des Motorgehäuses aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

daß die Polteilung des Rotormagneten gegenüber der axialen Länge der Statorwicklung(en) so fein ist, daß sich das axial wirkende Magnetfeld des Rotormagneten zwischen nebeneinander liegenden Polen in Umfangsrichtung durch den Bereich der Statorwicklungen ohne Verwendung eines Eisenrückschlusses mit einem wesentlichen Anteil noch innerhalb des Motorgehäuses schließt.

Ein solcher Motor weist eine außerordentlich geringe Baulänge auf, weil diese im wesentlichen nur durch die axiale Länge des Rotormagneten und die axiale Länge der Statorspulen bestimmt ist, während Lageranordnung und Rotornabe an Stellen untergebracht werden können, die die axiale Baulänge nicht störend vergrößern. Insbesondere ist ein solcher Motor für ein Kleingebläse geeignet, wobei die Rotornabe zur Luftführung herangezogen werden kann.

Die erfindungsgemäße Lehre wird vorzugsweise dadurch ausgeführt, daß der axiale Abstand zwischen der dem Rotormagneten abgekehrten Endfläche der Statorwicklung (en) und der zugekehrten Stirnfläche des Rotormagneten ca. 25% bis 70%, vorzugsweise 30% bis 40% der mittleren Polteilung des Rotormagneten beträgt. Hierbei beträgt dieser axiale Abstand zweckmäßigerweise ca. 15% bis 25%, vorzugsweise 20%, des mittleren Ringdurchmessers des Rotormagneten. Der Rotormagnet ist wenigstens 6-polig, vorzugsweise 8-polig, wobei die Ringbreite des Rotormagneten ca. 4 0% bis 50% des mittleren Ringdurchmessers des Rotormagneten beträgt. Die Statorwicklungen sind aus Gründen der billigeren Fertigung vorzugsweise kreisringförmig, wobei der mittlere Spulendurchmesser ca. 45% bis 60%, vorzugsweise 50%, des mittleren Ringdurchmessers des Rotormagneten beträgt. Die axiale Spu-

lenlänge der Statorwicklung(en) beträgt ca. 10% bis 15%, vorzugsweise 13% des mittleren Ringdurchmessers des Rotormagneten.

Der Motor wird zweckmäßigerweise mit drei Statorwicklungen ausgestattet, die mittels dreier Hallsensoren dreiphasig angesteuert werden. Hierdurch gibt sich ein besonders gleichmäßiges Drehmoment. Eine Reduzierung des Aufwandes ist vorzugsweise dadurch möglich, daß nur zwei Statorwicklungen vorgesehen sind, die mittels zweier Hallsensoren zweiphasig angesteuert werden.

In der einfachsten Ausführung als Dreiphasenmotor bzw. Zweiphasenmotor - wie vorstehend angegeben - enthält dieser nur drei Statorwicklungen bzw. zwei Statorwicklungen. Es ist jedoch auch möglich, jede der drei bzw. zwei Statorwicklungen aus jeweils zwei diametral einander gegenüberliegenden Teilwicklungen zusammenzusetzen, die vom jeweiligen Hallsensor gemeinsam angesteuert werden. Dies hat insbesondere beim zweiphasigen Motor den wesentlichen Vorteil, daß sich eine völlige Kraftsymmetrie und damit noch geringeres Geräusch ergibt. Solche Konfigurationen sind bereits an sich aus den deutschen Patentschriften 25 33 187 und 29 34 183 bekannt. Im vorliegenden Fall ergibt sich eine Optimierung beim zweiphasigen Motor mit vier Spulen, wenn der Rotor sechspolig ausgebildet ist.

Um ein axiales Pendeln des Motors zu verhindern, was zu Laufgeräuschen führen würde, ist vorzugsweise außerhalb des Wirkungsbereiches der Statorwicklungen eine Eisenscheibe zur Erzeugung einer axialen, magnetisch erzeugten Vorspannung der Rotorachse gegen eine Anlaufkappe vorgesehen. Diese Eisenscheibe zieht den Permanentmagne-

trotor an, so daß eine geringe Vorspannkraft ausgeübt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen flachbauenden, bürstenlosen Gleichstrommotor gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem Kleingebläse;

Fig. 2 eine schematische Endansicht, in Fig. 1 von unten gesehen, auf die Statorwicklungen und den Rotormagneten; und

Fig. 3 eine Abwicklung in schematischer Darstellung des Rotormagneten der Statorwicklungen und eines Gehäuseteils.

Der in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Gleichstrommotor mit Kleingebläse weist ein Gehäuse 1 auf, das durch einen Deckel 2 an einer Endseite verschlossen ist. Das Gehäuse nimmt neben dem bürstenlosen Gleichstrommotor auch die zu einem Gebläse gehörenden Teile auf, nämlich an einem Rotor 7 angeordnete radiale Lüfterflügel 8, die von dem Gehäuse 1 umschlossen sind, sowie eine Ansaugöffnung 9 und Ausblasöffnungen 15. Dieses Kleingebläse ist als Radialgebläse ausgebildet und dient dazu, Luft anzusaugen und über einen Thermofühler zu leiten, damit dieser die Umgebungstemperatur eines Raumes mißt.

Der als Permanentmagnetrotor ausgebildete Rotor 7 ist mittels einer Rotorachse 6 in einem Lagerrohr 3 gelagert, das im Deckel 2 befestigt ist. Die Befestigung erfolgt durch Umbördeln eines inneren Abschnittes des

Lagerrohres 3 über einer Eisenscheibe 11, um eine Verformung des Deckels 2 zu vermeiden, der aus Kunststoff gespritzt ist. Die Rotorachse 6 läuft mit einer abgerundeten Endkuppe gegen eine Anlaufkappe 16 an, wobei eine axiale Vorspannung der Rotorachse 6 gegen die Anlaufkappe 16 dadurch erfolgt, daß der Permanentmagnetrotor 7 eine Anzugskraft auf die Eisenscheibe 11 ausübt.

Der Permanentmagnetrotor 7 weist einen Rotormagneten auf, der, wie insbesondere Fig. 2 zeigt, im vorliegenden Beispiel acht sich in Umfangsrichtung abwechselnde Pole 10a, 10b aufweist. In Fig. 1 gesehen, sind unterhalb des Rotormagneten 10 Statorwicklungen 5 angeordnet, die von dem Magnetfeld des Rotormagneten 10 in axialer Richtung durchdrungen werden. Gleichzeitig weist der Permanentmagnetrotor 7 einen Eisenrückschluß 13 auf. Schließlich ist in Fig. 1 eine Leiterplatte 4 gezeigt, die die Motorelektronik des bürstenlosen Gleichstrommotors trägt, wovon ein Hallsensor 12 gezeigt ist.

Aus der schematischen Endansicht nach Fig. 2 und der Abwicklung nach Fig. 3 ist zu erkennen, daß die Feldlinien 14 der Pole 10a und 10b des Rotormagneten 10 etwa in Axialrichtung austreten und sich zwischen den Polen 10a und 10b unter Durchdringung der Statorwicklungen 5 in einem verhältnismäßig kurzen axialen Abstand schließen. Dies wird dadurch erreicht, daß die mittlere Polteilung t des Rotormagneten 10 gegenüber der axialen Länge a der Statorwicklung 5 so fein gewählt ist, daß die magnetischen Feldlinien 14 nur geringfügig über die Statorwicklungen 5 hinausreichen, sich also mit einem wesentlichen Anteil noch innerhalb des strichpunktiert angedeuteten Motorgehäuseteils (Deckel) 2 schließen. Das Streufeld am Deckel 2 ist schon so weit abgeschwächt, daß praktisch

keine Störungen nach außen oder von außen erfolgen können. Solche Störungen könnten z.B. darin bestehen, daß dicht am Motor vorbeigeführte Signalleitungen (z.B. Tonfrequenzleitungen oder elektronische Steuerleitungen) durch Streufelder gestört werden, oder daß etwa die Befestigung des Motorgehäuses 1, 2 an einer Eisenblechwand die Funktion des bürstenlosen Gleichstrommotors aufgrund seiner elektronischen Steuerung beeinträchtigt.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel haben sich bestimmte Abmessungen und Abstände in der Rotorkonfiguration bewährt, hierbei wird auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen.

Die mittlere Polteilung t des Rotormagneten 10, also der Abstand der sich abwechselnden Nordpole und Südpole im Bereich des mittleren Ringdurchmessers c (s. Fig. 2) ist so bemessen, daß der axiale Abstand b zwischen der dem Rotormagneten 10 abgekehrten Endfläche der Statorwicklungen und der zugekehrten Stirnfläche des Rotormagneten 10 ca. 25% bis 70%, vorzugsweise 30% bis 40%, der mittleren Polteilung t des Rotormagneten 10 beträgt. Der axiale Abstand b zwischen der dem Rotormagneten abgekehrten Endfläche der Statorwicklungen 5 und der zugekehrten Stirnfläche des Rotormagneten 10 sollte zwischen 15% bis 25% des mittleren Ringdurchmessers c des Rotormagneten 10 betragen. Ein Wert von 20% hat sich besonders bewährt.

Ist der Rotormagnet 10 mindestens 6-polig, insbesondere wie im vorliegenden Beispiel 8-polig, so ergeben sich günstige Werte für die magnetischen Feldlinien 14, so daß diese sich sicher innerhalb des Motorgehäuses 1, 2 schließen, ohne daß nennenswerte Störsignale nach außen gelangen oder von außen eine Funktion des Motors beein-

trächtigen können. Für den Fall, daß der Rotormagnet 8-polig ist, beträgt die Ringbreite d des Rotormagneten 10 ca. 40% bis 50% des mittleren Ringdurchmessers c des Rotormagneten 10.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Statorwicklungen 5 kreisringförmig ausgebildet, was fertigungstechnische Vorteile hat. Kreisringförmige Spulen lassen sich leichter und schneller wickeln als z.B. sektorförmige oder trapezförmige Spulen, die an sich zu einem besseren Wirkungsgrad führen würden. Kreisringförmige Spulen sind jedoch dann möglich, wenn die ringsektorförmigen Magnetpole 10a und 10b des Rotormagneten 10 gegenüber den Statorwicklungen eine bestimmte Konfiguration haben. Bei einem mittleren Spulendurchmesser e der Statorwicklungen 5 von ca. 45% bis 60%, vorzugsweise 50%, des mittleren Ringdurchmessers c des Rotormagneten 10 ergeben sich günstige Verhältnisse für die Geometrie der Pole 10a und 10b des Rotormagneten 10 im Verhältnis zu den Statorspulen 5. In einem solchen Fall können die Statorwicklungen 5 ohne wesentliche Nachteile kreisringförmig ausgebildet sein. Die axiale Spulenlänge a der Statorwicklungen 5 beträgt bei den vorstehenden Verhältnissen vorzugsweise ca. 10% bis 15%, insbesondere 13%, des mittleren Ringdurchmessers c des Rotormagneten 10.

In der Darstellung nach Fig. 2 ist der Motor mit drei Statorwicklungen 5 abgebildet. Diese Statorwicklungen 5 werden zweckmäßigerweise durch drei Hallsensoren 12 dreiphasig angesteuert, so daß sich ein verhältnismäßig gleichmäßiges Drehmoment ergibt. Es ist jedoch auch möglich, die Anzahl der Statorwicklungen 5 auf zwei zu reduzieren und zur Ansteuerung nur zwei Hallsensoren 12

vorzusehen. Diese Konfiguration führt bei gleichmäßigem Motorlauf zu einem niedrigen Aufwand. Während der im Ausführungsbeispiel gezeigte Motor dreiphasig ausgebildet ist und drei Statorwicklungen 5 aufweist, ist es auch möglich, jede der drei Statorwicklungen 5 aus jeweils zwei diametral einander gegenüberliegenden Teilwicklungen (nicht gezeigt) zusammenzusetzen, die vom jeweiligen Hallsensor 12 gemeinsam angesteuert werden. Diese Konfiguration ist insbesondere bei einer zweiphasigen Lösung mit zwei Hallsensoren 12 von Vorteil. Bei einer zweiphasigen Lösung mit nur zwei Statorwicklungen 5 wären diese um 90° gegeneinander versetzt angeordnet, so daß sich gewisse Unsymmetrien in der Antriebskräfteverteilung ergeben. Ordnet man jedoch die zwei Statorwicklungen jeweils diametral einander gegenüber an, so ergibt sich eine völlige Kräftesymmetrie, was eine weitere Reduzierung der Laufgeräusche bedeutet.

Die vorliegende Erfindung läßt sich auch bei bürstenlosen Gleichstrommotoren mit nur einer Statorwicklung anwenden, d.h., die Vorteile des endseitig fehlenden Eisenrückschlusses lassen sich auch auf solche Motoren übertragen, ohne daß ein nennenswertes Störfeld nach außen tritt. Schließlich ist es auch möglich, auf Positionssensoren, wie den Hallsensoren 12, zu verzichten und die Ansteuerung der Statorwicklungen 5 sensorlos durchzuführen, d.h., die Stromzufuhr zu den Statorwicklungen durch andere Maßnahmen durchzuführen, z.B. durch Signale, die aus in den Statorwicklungen induzierten Spannungen oder von sonstigen winkelabhängigen Änderungen der Eigenschaften der Statorspulen herrühren.

Claims (11)

Schutzansprüche

1. Flachbauender, bürstenloser Gleichstrommotor, insbesondere in Verbindung mit einem Kleingebläse, mit einem Permanentmagnetrotor (7), der einen ringförmigen, mehrpolig axial magnetisierten Rotormagneten (10) aufweist, und

mit einem Stator, der mindestens eine Flachspule für eine eisenlos ausgebildete Statorwicklung (5) hat, die von dem axial wirkenden Magnetfeld des Rotormagneten (10) durchdrungen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Polteilung (t) des Rotormagneten (10) gegenüber der axialen Länge (a) der Statorwicklung(en) (5) so fein ist, daß sich das axial wirkende Magnetfeld des Rotormagneten (10) zwischen nebeneinander liegenden Polen (10a, 10b) in Umfangsrichtung (U) durch den Bereich der Statorwicklung(en) (5) ohne Verwendung eines Eisenrückschlusses mit einem wesentlichen Anteil noch innerhalb des Motorgehäuses (1, 2) schließt.

2. Motor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand (b) zwischen der dem Rotormagneten (10) abgekehrten Endfläche der Statorwicklung(en) (5) und der zugekehrten Stirnfläche des Rotormagneten (10) ca. 25% bis 70%, vorzugsweise 30% bis 40%, der mittleren Polteilung (t) des Rotormagneten (10) beträgt.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand (b) zwischen der dem Rotormagneten (10) abgekehrten Endfläche der Statorwicklung(en) (5) und der zugekehrten Stirnfläche des Rotormagneten (10) ca. 15 % bis 25 %, Vorzugs-

-Ii-

weise 2 0 %, des mittleren Ringdurchmessers (c) des Rotormagneten (10) beträgt.

4. Motor nach Anspruch 1 bis 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Rotormagnet (10) wenigstens 6-polig, vorzugsweise 8-polig ist, daß die Ringbreite (d) des Rotormagneten (10) ca. 40 % bis 50 % des mittleren Ringdurchmessers (c) des Rotormagneten (10) beträgt.

5. Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung(en) (5) kreisringförmig ist (sind), und daß der mittlere Spulendurchmesser (e) ca. 45 % bis 60 %, vorzugsweise 50 %, des mittleren Ringdurchmessers (c) des Rotormagneten (10) beträgt.

6. Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Spulenlänge (a) der Statorwicklung(en) (5) ca. 10 % bis 15 %, vorzugsweise 13 % des mittleren Ringdurchmessers (c) des Rotormagneten (10) beträgt.

7. Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß drei Statorwicklungen (5) vorgesehen sind, die mittels drei Hallsensoren (12) dreiphasig angesteuert werden.

8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Statorwicklungen (5) vorgesehen sind, die mittels zwei Hallsensoren (12) zweiphasig angesteuert werden.

9. Motor nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, daß jede der drei bzw. zwei Statorwicklungen (5) aus jeweils zwei diametral einander gegenüberliegenden Teilwicklungen besteht, die vom jeweiligen Hallsensor (12) gemeinsam angesteuert werden.

10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung(en) (5) ohne Verwendung von Positionssensoren sensorlos angesteuert werden.

11. Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine außerhalb des Wirkungsbereiches der Statorwicklung(en) (5) angeordnete Eisenscheibe (11) zur Erzeugung einer axialen, magnetisch erzeugten Vorspannung der Rotorachse (6) gegen eine Anlaufkappe (16).