AT508745B1 - Elektrischer mikromotor - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT508 745 B1 2011-12-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen elektrischen Mikromotor, mit einem Rotor mit einer Rotorwelle und einem Stator mit zumindest einer Statorwicklung und um jeder Statorwicklung angeordneten Statorpaketen mit Permanentmagneten an deren Stirnseiten.

[0002] Die Fertigung von elektrischen Mikromotoren stellt eine große Herausforderung dar, da üblicherweise klassische Konstruktionen von Elektromotoren miniaturisiert werden. Gerade der Aufbau klassischer Elektromotoren ist jedoch für eine Miniaturisierung nicht geeignet.

[0003] Die DE 196 51 660 A1 beschreibt beispielsweise einen elektrischen Mikromotor, bei dem innerhalb des Motorgehäuses auch ein Impulsgeber anordenbar ist, wodurch der Mikromotor samt Impulsgeber in Dimensionen im Bereich einiger Millimeter herstellbar ist.

[0004] Die US 5,216,310 A beschreibt einen Mikromotor in Scheibenform, der ebenfalls nicht einfach miniaturisierbar ist.

[0005] Die Konstruktion eines Mikromotors gemäß der WO 95/33296 A1 weist ein radial gerichtetes Magnetfeld auf und kann mit Durchmessern unter einem Millimeter und Längen unter zwei Millimetern hergestellt werden.

[0006] Die Konstruktion eines Mikromotors gemäß der WO 99/05770 A1 ist aufgrund der großen Polanzahl relativ aufwendig und daher für eine Miniaturisierung nicht besonders geeignet.

[0007] Schließlich beschreibt die DE 100 58 669 B4 einen Permanentmagnet erregten Mikromotor mit radial gerichtetem Magnetfluss der insbesondere als Pumpenantrieb für die Medizintechnik, beispielsweise innerhalb eines Katheters, herangezogen werden kann.

[0008] Die CH 625 385 A3 beschreibt einen elektrischen Schritt-Mikromotor für Quarzuhren, der zur Verminderung der Empfindlichkeit gegenüber äußeren Magnetfeldern speziell gestaltet ist.

[0009] In der Veröffentlichung von In-Soung Jung et al.: „A Study on Design and Manufacturing of a Micro Brushless DC Motor" (Electrical Machines and Systems, IEEE 2005. ICEMS 2005; Vol. 3, Seiten 2320-2323) wird die Konstruktion eines miniaturisierten Mikromotors beschrieben, dessen Außendurchmesser nur 2 mm beträgt.

[0010] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines oben genannten elektrischen Mikromotors der möglichst einfach und kostengünstig miniaturisiert werden kann. Die Dimensionen des Mikromotors sollen möglichst klein sein und auch unter einem Millimeter liegen können, sodass neue Anwendungsgebiete eröffnet werden können. Nachteile bekannter elektrischer Mikromotoren sollen vermieden oder zumindest reduziert werden.

[0011] Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch einen oben genannten elektrischen Mikromotor, bei dem die Rotorwelle aus magnetisch leitfähigem Material aufgebaut ist, und beiderseits jeder Statorwicklung je ein mit der Rotorwelle drehfest verbundener Rotorzahn aus magnetisch leitfähigem Material angeordnet ist, sodass der von jeder Statorwicklung hervorgerufene magnetische Fluss über die Statorpakete, die Rotorzähne und die Rotorwelle geschlossen wird. Die besonders einfache Konstruktion dieses elektrischen Mikromotors zeichnet sich dadurch aus, dass die magnetischen Feldlinien in axialer Richtung orientiert sind und über die Rotorwelle geleitet werden. Dadurch, dass die Rotorwelle auch als Magnetflussleiter verwendet wird, kann der Mikromotor insbesondere im Durchmesser besonders klein ausgeführt werden. Dieses Konzept unterscheidet den vorliegenden Mikromotor von anderen Konstruktionen mit axialem Magnetfluss, beispielsweise Flachmotoren. Prinzipiell benötigt der gegenständliche elektrische Mikromotor nur eine Statorwicklung, wobei jedoch das Anfahren des Motors aufwendiger ist. Daher können in axialer Richtung auch mehrere Statorwicklungen um die Rotorwelle angeordnet sein, welche vorzugsweise gegeneinander winkelversetzt sind. Um die Drehrichtung des Mikromotors bestimmen zu können, sind zumindest zwei Statorwicklungen notwendig.

[0012] Die Rotorwelle und/oder die Statorpakete und/oder die Rotorzähne sind vorzugsweise 1/11 österreichisches Patentamt AT508 745 B1 2011-12-15 aus magnetischem Stahl hergestellt. Dieses Material ist besonders billig, leicht verarbeitbar und bietet insbesondere der Rotorwelle auch die notwendige Stabilität neben der für die erfindungsgemäße Konstruktion notwendigen magnetischen Leitfähigkeit.

[0013] Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Permanentmagnete durch Sputtern der Stirnseiten der Statorpakete hergestellt sind. Bei einem derartigen Sputterprozess wird die Oberfläche mit Ionen beschossen und werden dadurch Atome aus der Oberfläche herausgeschlagen, welche an der Oberfläche kondensieren und eine Schicht bilden können. Auf diese Weise können permanentmagnetische Schichten an den Stirnseiten der Statorpakete mit besonders kleinen Dimensionen hergestellt werden. Prinzipiell wäre es auch möglich die Statorpakete selbst aus permanentmagnetischem Material herzustellen. Dies ist jedoch von Nachteil, da der Mikromotor dadurch magnetisch stark gesättigt wäre und ein höherer Strom in den Statorwicklungen benötigt würde, um den Rotor in Drehung zu versetzen, ohne dass das nutzbare Drehmoment erhöht wird. Der gegenständliche Mikromotor ist so konstruiert, dass sich die magnetische Induktion in den Komponenten des Mikromotors, welche vorzugsweise aus magnetischem Stahl hergestellt sind, an der Grenze der Sättigung befindet.

[0014] Die Permanentmagnete sind vorzugsweise aus Samarium-Kobalt (SmCo) gebildet.

[0015] Jede Statorwicklung besteht vorzugsweise aus einer einlagigen Wicklung eines lackierten Kupferdrahtes. Der Kupferdraht kann beispielsweise einen Durchmesser von einigen Mikrometern, wie z.B. 50 pm aufweisen. Durch die Verwendung derartiger Drähte für die Stator-Wicklungen) können wiederum die geringen Dimensionen des elektrischen Mikromotors erzielt werden.

[0016] Wie bereits oben erwähnt, weist der elektrische Mikromotor vorzugsweise zumindest zwei Statorwicklungen mit den Statorpaketen auf, welche um die Rotorwelle angeordnet sind, wobei jede Statorwicklung mit den Statorpaketen gegenüber der daneben angeordneten Statorwicklung mit den Statorpaketen um 45° winkelversetzt angeordnet ist. Durch die Verwendung zumindest zweier Statorwicklungen, welche um 45° winkelversetzt angeordnet sind, wird das automatische Anfahren des elektrischen Mikromotors ermöglicht. Neben der 45° winkelversetz-ten Anordnung nebeneinander angeordneter Statorwicklungen kann auch eine Winkelversetzung um jeweils 90° vorgesehen sein. Durch die Anordnung mehrerer Statorwicklungen zusammen mit den Statorpaketen hintereinander um die Rotorwelle, kann das resultierende Moment des elektrischen Mikromotors erhöht werden.

[0017] Vorteilhafterweise sind jeweils zwei Statorpakete in Form eines Teils eines Hohlzylinders um eine Statorwicklung angeordnet. Diese einfache Konstruktion des Stators ermöglicht wiederum eine Ausführung des Mikromotors mit besonders kleinen Abmessungen.

[0018] Die Statorpakete sind vorzugsweise mit der Statorwicklung verklebt.

[0019] Vorzugsweise ist um die Statorpakete ein Motorgehäuse in zylindrischer Form angeordnet. Dieses Gehäuse, welches aus Metall oder Kunststoff gebildet sein kann, ist vorzugsweise mit den Außenseiten der Statorpakete verbunden, insbesondere verklebt.

[0020] Zur Ansteuerung des elektrischen Mikromotors ist jede Statorwicklung mit einer Steuereinheit verbunden. Die Steuereinheit kann durch eine relativ einfach aufgebaute elektrische bzw. elektronische Schaltung gebildet sein, welche die zeitversetzten Stromimpulse für die Statorwicklungen entsprechend der Anzahl an Statorwicklungen erzeugt.

[0021] Um eine Steuerung des Mikromotors in Abhängigkeit der Position der Rotorwelle vornehmen zu können, kann die Steuereinheit mit einem Positionsencoder verbunden sein, der entsprechend der Position der Rotorwelle Signale erzeugt und an die Steuereinheit weiterleitet. Die Positionsbestimmung der Rotorwelle kann auf verschiedene Arten, vorzugsweise optisch, mit entsprechenden mikroelektronischen Bauteilen erfolgen.

[0022] Der Außendurchmesser eines derartig aufgebauten elektrischen Mikromotors kann < 1 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,7 mm, und die Länge < 2 mm, vorzugsweise 1,3 bis 1,7 mm, betragen. Diese mit relativ geringem Aufwand herstellbaren Dimensionen ermöglichen den Einsatz 2/11 österreichisches Patentamt AT508 745 B1 2011-12-15 von elektrischen Mikromotoren in neuen Gebieten, vorzugsweise in der Medizintechnik. Beispielsweise können mit derartigen Motoren angetriebene Roboter bei laparoskopischen Operationen eingesetzt werden. Ebenso könnten derartige elektrische Mikromotoren in Blutgefäße eingeführt und für medizinische Eingriffe verwendet werden.

[0023] Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen, welche ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Mikromotors zeigen, näher erläutert.

[0024] [0025] [0026] [0027] [0028]

Darin zeigen:

Fig. 1 einen klassisch aufgebauten Mikromotor;

Fig. 2 einen erfindungsgemäß aufgebauten elektrischen Mikromotor;

Fig. 3 den Mikromotor gemäß Fig. 2 in Explosionsdarstellung;

Fig. 4 mehrere Darstellungen eines Mikromotors gemäß Fig. 2 während eines Drehvorganges; [0029] Fig. 5a und 5b einen Schnitt durch einen elektrischen Mikromotor mit zwei Stator wicklungen zur Veranschaulichung der auftretenden Magnetflüsse; [0030] Fig. 6 das Prinzip der Ansteuerung eines elektrischen Mikromotors; [0031] Fig. 7 einen elektrischen Mikromotor mit acht Statorwicklungen zur Erhöhung des Mo ments; und [0032] Fig. 8 den Mikromotor gemäß Fig. 7 mit den entsprechenden Anschlüssen der einzel nen Statorwicklungen.

[0033] Fig. 1 zeigt einen klassisch aufgebauten Mikromotor 1 mit einem Rotor R und einem Stator S in axialer Blickrichtung und in Draufsicht. Der Rotor R des Mikromotors 1 besteht aus der Rotorwelle 2 mit entsprechenden Wicklungen und Polelementen, wohingegen der Stator S entsprechende Permanentmagnete 5 aufweist. Durch diesen klassischen Aufbau eines Mikromotors resultiert ein relativ großer Außendurchmesser DÄ.

[0034] Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Mikromotors 1 in axialer Blickrichtung und geschnittener Draufsicht, wobei zwei Statorwicklungen 3 um die Rotorwelle angeordnet sind und mit jeweils zwei Statorpaketen in Form eines Teiles eines Hohlzylinders verbunden sind. Beiderseits jeder Statorwicklung 3 ist je ein mit der Rotorwelle 2 drehfest verbundener Rotorzahn 6 aus magnetisch leitfähigem Material angeordnet, sodass der von jeder Statorwicklung 3 hervorgerufene magnetische Fluss Φ über die Statorpakete 4, die Rotorzähne 6 und die Rotorwelle 2 geschlossen wird. An den Stirnseiten der Statorpakete 4 befinden sich die Permanentmagnete 5. Alternativ dazu können auch die gesamten Statorpakete 4 aus permanentmagnetischem Material hergestellt sein. Im Vergleich zu einem klassischen Mikromotor gemäß Fig. 1, wo der Magnetfluss Φ radialer Richtung orientiert ist, verläuft der Magnetfluss Φ beim Mikromotor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 2 hauptsächlich in axialer Richtung. Dieses Konzept ermöglicht die Herstellung des Mikromotors 1 mit einem geringeren Außendurchmesser DA.

[0035] Fig. 3 zeigt den Mikromotor 1 gemäß Fig. 2 in Explosionsdarstellung, umfassend die Rotorwelle 2, zwei Statorwicklungen 3 jeweils zwei Statorpakete 4 um jede Statorwicklung 3, wobei an den Stirnseiten der Statorpakete 4 jeweils Permanentmagnete 5 angeordnet sind. Diese Permanentmagnete 5 können beispielsweise durch Sputtern an den Stirnseiten der Statorpakete 4 hergestellt werden. Beiderseits jeder Statorwicklung 3 sind sogenannte Rotorzähne 6 drehfest mit der Rotorwelle 2 verbunden, wobei natürlich ein gemeinsamer Rotorzahn 6 zwischen den beiden Statorwicklungen 3 angeordnet sein kann. Wie der Explosionsdarstellung gemäß Fig. 3 entnommen werden kann, sind die einzelnen Komponenten des Mikromotors 1 relativ einfach aufgebaut, sodass eine Miniaturisierung einfach und zu geringen Kosten möglich ist. Die Teile des Mikromotors 1, welche den magnetischen Fluss Φ leiten, dass sind die Rotorwelle 2, die Statorpakete 4 und die Rotorzähne 6, sind aus magnetisch leitfähigem Material, beispielsweise aus magnetischem Stahl, hergestellt. Die Statorwicklungen 3 sind vorzugsweise 3/11

Claims (12)

1. österreichisches Patentamt AT508 745 B1 2011-12-15 aus einem dünnen isolierten Kupferdraht, beispielsweise mit 50 pm Durchmesser, aufgebaut. Auch eine derartige Statorwicklung 3 kann mit relativ geringen Dimensionen hergestellt werden. Als geeignetes Material für die Permanentmagnete 5 sei Samarium-Kobalt (SmCo) genannt. [0036] Fig. 4 zeigt den Mikromotor 1 gemäß den Fig. 2 und 3 während der Drehung. Der Mikromotor 1 vollzieht von links gesehen jeweils eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn um 45°, was anhand der Stellung der Rotorzähne 6 erkennbar ist. Die Drehung des Mikromotors 1 wird durch Ansteuerung der Statorwicklungen 3 mit entsprechenden Stromimpulsen erzielt. [0037] In den Fig. 5a und 5b werden die magnetischen Feldlinien bei Ansteuerung der jeweiligen Statorwicklung veranschaulicht. In Fig. 5a wurde die obere Statorwicklung 3 mit einem entsprechenden Strom I durchflossen, wodurch sich ein hauptsächlich in axialer Richtung orientierter magnetischer Fluss Φ bildet. Durch den Magnetfluss kommt es zu einer Kraftwirkung auf die Rotorzähne 6 und den Rotor 2, wodurch dieser in Rotation versetzt wird. Im Bild gemäß Fig. 5b ist die untere Statorwicklung 3 stromdurchflossen, wodurch ein entsprechender magnetischer Fluss Φ über die Rotorwelle 2, die Rotorzähne 6 und die Statorpakete 4 fließt und eine entsprechende Kraftwirkung und somit Rotation des Rotors hervorruft. [0038] Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer mit dem Mikromotor 1 verbundenen Steuereinrichtung 7, wobei die beiden Statorwicklungen 3 über entsprechende Brückenschaltungen mit Steuerströmen I versorgt werden. Zusätzlich kann die Steuereinheit 7 mit einem Positionsencoder 8 verbunden sein, welcher über einen entsprechenden Positionssensor 9 die jeweilige Position der Rotorwelle 2 erfasst und die Steuerung des Mikromotors 1 entsprechend veranlasst. Die Steuereinheit 7 kann relativ einfach aufgebaut sein und ebenfalls, wie der Mikromotor 1 miniaturisiert werden, sodass eine Unterbringung innerhalb eines allfälligen Gehäuses (nicht dargestellt) des Mikromotors 1 möglich wird. [0039] Fig. 7 zeigt eine Anordnung eines Mikromotors 1 mit insgesamt acht Statorwicklungen 3 und entsprechend um die Statorwicklungen 3 angeordneten Statorpaketen 4, wodurch das Moment des Mikromotors 1 erhöht werden kann. Die Statorwicklungen 3 mit den, vorzugsweise damit verklebten Statorpaketen 4, sind von einer Statorwicklung 3 zur nächsten Statorwicklung 3 vorzugsweise um 45° winkelversetzt angeordnet. [0040] Fig. 8 zeigt den Mikromotor 1 gemäß Fig. 7 mit den entsprechenden Ansteuerleitungen der Statorwicklungen 3, welche mit einer entsprechenden Steuereinrichtung (nicht dargestellt) verbunden werden. [0041] Auf diese Weise lassen sich Mikromotoren hersteilen, welche einen Durchmesser DÄ < 1 mm und eine Länge L < 2 mm aufweisen. Mit derartigen Mikromotoren können interessante Anwendungen in der Mikrotechnik und Medizintechnik ermöglicht werden. Patentansprüche 1. Elektrischer Mikromotor (1), mit einem Rotor (R) mit einer Rotorwelle (2) und einem Stator (S) mit zumindest einer Statorwicklung (3) und um jeder Statorwicklung (3) angeordneten Statorpaketen (4) mit Permanentmagneten (5) an deren Stirnseiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (2) aus magnetisch leitfähigem Material aufgebaut ist, und beiderseits jeder Statorwicklung (3) je ein mit der Rotorwelle (2) drehfest verbundener Rotorzahn (6) aus magnetisch leitfähigem Material angeordnet ist, sodass der von jeder Statorwicklung (3) hervorgerufene magnetische Fluss (Φ) über die Statorpakete (4), die Rotorzähne (6) und die Rotorwelle (2) geschlossen wird.
2. 2. Elektrischer Mikromotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (2) und/oder die Statorpakete (4) und/oder die Rotorzähne (6) aus magnetischem Stahl hergestellt ist bzw. sind.
3. 3. Elektrischer Mikromotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (5) durch Sputtern der Stirnseiten der Statorpakete (4) hergestellt sind. 4/11 österreichisches Patentamt AT508 745 B1 2011-12-15
4. 4. Elektrischer Mikromotor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (5) aus Samarium-Kobalt (SmCo) gebildet sind.
5. 5. Elektrischer Mikromotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Statorwicklung (3) aus einer einlagigen Wicklung eines lackierten Kupferdrahtes besteht.
6. 6. Elektrischer Mikromotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Statorwicklungen (3) mit den Statorpaketen (4) um die Rotorwelle (2) angeordnet sind, wobei jede Statorwicklung (3) mit den Statorpaketen (4) gegenüber der daneben angeordneten Statorwicklung (3) mit den Statorpaketen (4) um 45° winkelversetzt angeordnet ist.
7. 7. Elektrischer Mikromotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Statorpakete (4) in Form eines Teils eines Hohlzylinders um eine Statorwicklung (3) angeordnet sind.
8. 8. Elektrischer Mikromotor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorpakete (4) mit der Statorwicklung (3) verklebt sind.
9. 9. Elektrischer Mikromotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass um die Statorpaketen (4) ein Gehäuse angeordnet ist.
10. 10. Elektrischer Mikromotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Statorwicklung (3) mit einer Steuereinheit (7) verbunden ist.
11. 11. Elektrischer Mikromotor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) mit einem Positionsencoder (8) verbunden ist.
12. 12. Elektrischer Mikromotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (DA) < 1 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,7 mm und die Länge (L) < 2 mm, vorzugsweise 1,3 bis 1,7 mm betragen. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen 5/11