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PATENTANSPRÜCHE
1. Elektromotor mit einem flachen Luftspalt, einem permanentmagnetischen Rotor und mit einer zwischen diesem Rotor und einem stationären magnetischen Rückschlussglied angeordneten eisenlosen Statorwicklungsanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Wicklungsanordnung (31 bis 34; 41 bis 44) ein Kunststoff-Formstück (27) vorgesehen ist, welches auf dem Rückschlussglied (13) fixiert ist.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Formstück (27) mit Formhöhlungen zur Aufnahme von Spulen der Statorwicklungsanordnung versehen ist.
3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Formstück (27) auf seiner dem Rückschlussglied (13) zugewandten Seite mit einer Formhöhlung (64) zur Aufnahme einer Leiterplatte (51; 63) versehen ist, welche Leiterplatte mindestens einen galvanomagnetischen Sensor (54, 55; 62) trägt, der sich im montierten Zustand innerhalb des Magnetfelds des permanentmagnetischen Rotors (11) befindet.
4. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anpressmittel (71, 87) zum Festhalten der Wicklungsanordnung am Kunststoff-Formstück (27) vorgesehen sind.
5. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpressmittel ein um die Rotorwelle (17) herum angeordnetes Federglied (71) aufweisen, dessen Enden (72) jeweils einen zugeordneten Abschnitt der Wicklungsanordnung in Richtung zum Kunststoff-Formstück (27) beaufschlagen.
6. Elektromotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpressmittel ein den Rand des Rotors (lt) umschliessendes Ringteil (78) aufweisen, welches mit einer Schulter (85) gegen den äusseren Peripheriebereich der Wicklungsanordnung anliegt.
7. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (85) mit vorzugsweise integrierten Federmitteln (87) zum Beaufschlagen der Wicklungsanordnung in Richtung gegen das Kunststoff-Formstück (27) versehen ist.
8. Elektromotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringteil (78) Abschnitte (88) aufweist, welche über die Oberseite (75) des Rotors (11) überstehen und welche zur Aufnahme von Schrauben ausgebildet sind.
9. Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die überstehenden Abschnitte (88) durchgehende Bohrungen (89) aufweisen, die sich auch durch das stationäre magnetische Rückschlussglied (13) hindurch fortsetzen.
10. Elektromotor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringteil (78) aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff besteht.
11. Elektromotor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringteil (78) mit axialen Fortsätzen (79) zum Durchdringen des magnetischen Rückschlussgliedes (13) versehen ist.
12. Elektromotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Fortsätze (79) auf der vom Ringteil (78) abgewandten Seite des magnetischen Rückschlussgliedes (13) durch Heissverformung verbreitert sind und so das Ringteil (78) am Rückschlussglied (13) festhalten.
13. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff Formstück (27) mit Vorsprüngen (26) zum Eingriff in entsprechenden Ausnehmungen (23) des magnetischen Rückschlussgliedes (13) versehen ist oder umgekehrt.
14. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff Formstück (27) zur Aufnahme von vier mit einem Winkelabstand von jeweils 90 mech. voneinander angeordneten Flachspulen (31 bis 34; 41 bis 44) ausgebildet ist.
15. Elektromotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (31 bis 34) etwa fünfeckförmig ausgebildet sind.
16. Elektromotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (41 bis 44) etwa sektorförmig ausgebildet sind.
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Elektromotoren, die meist als kollektorlose Gleichstrommotoren ausgebildet sind, werden vor allem in der Unterhaltungselektronik und der Datentechnik angewandt, z.B. zum Antrieb von sogenannten Floppy Disks oder zum Direktantrieb von Plattenspielern oder Capstanwellen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung wirddarin gesehen, einen einfachen und preiswerten Aufbau eines solchen Motors aufzuzeigen, welcher u.a. je nach dem verwendeten Antriebsprinzip einen variablen, baukastenartigen Motoraufbau gestattet und gleichzeitig bevorzugt einen sehr hohen Kupferfüllfaktor hat.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die im Anspruch 1 angegebene Massnahme.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der vorliegenden Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen. Es zeigt:
Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Motor, etwa im Massstab 2:1 vergrössert,
Fig. 2 eine Draufsicht von oben auf den Motor der Fig. 1, wobei der gesamte Rotor nicht dargestellt ist, etwa im Vergrösserungsmassstab 1,5 :1,
Fig. 3 einen Schnitt, gesehen längs der Linie III-III der Fig. 2,
Fig. 4 einen Schnitt durch den den Rotor umgebenden Schutzring,
Fig. 5 eine Einzelheit der Fig. 4,
Fig. 6 eine Draufsicht auf das magnetische Rückschlussglied des Motors, etwa im Massstab 1:
:1,
Fig. 7 eine Draufsicht von oben auf das zur Aufnahme der Statorspulen dienende Kunststoff-Formstück,
Fig. 8 einen Schnitt, gesehen längs der Linie VIII-VIII der Fig. 7,
Fig. 9 einen Schnitt, gesehen längs der Linie IX-IX der Figur 7,
Fig. 10 eine Draufsicht von unten auf das zur Aufnahme der Statorspulen dienende Kunststoff-Formstück,
Fig. 11 einen Schnitt, gesehen längs der Linie XI-XI der Fig. 10, Fig. 12 eine Draufsicht von oben auf die zur Halterung der Statorspulen dienende Flachfeder,
Fig. 13 einen Schnitt, gesehen längs der Linie XIII-XIII der Fig. 12,
Fig. 14 analog zu Fig. 2 eine Draufsicht von oben auf den Stator eines erfindungsgemässen Motors, aber modifiziert für zweipulsigen Betrieb,
Fig. 15 die Magnetisierung des zum Stator nach Fig. 14 gehörenden Rotors,
Fig. 16 einen Schaltungsaufbau für den Motor nach den Fig. 14 und 15,
Fig.
17 analog zu Fig. 2 eine Draufsicht von oben auf den
Stator eines erfindungsgemässen Motors, modifiziert für vierpulsigen Betrieb,
Fig. 18 die Magnetisierung des zum Stator nach Fig. 17 gehörenden Rotors,
Fig. 19 die Anordnung der vier Wicklungsstränge beim Stator nach Fig. 17; der entgegengesetzte Wicklungssinn der diametral gegenüberliegenden Spulen ist durch Pfeile verdeutlicht, und
Fig. 20 einen Schaltungsaufbau für den Motor nach den Fig. 17-19.
In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche oder gleichwirkende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben. Winkelangaben und sonstige Beschriftungen der Zeichnung stellen einen Teil der schriftlichen Beschreibung dar und werden deshalb gewöhnlich in der Beschreibung nicht wiederholt, um unnötige Längen zu vermeiden.
Fig. I zeigt einen Längsschnitt durch einen kollektorlosen Gleichstrommotor 10 mit einem Rotor 11 und einem Stator 12. Als tragendes Teil und gleichzeitig als magnetisches Rückschlussglied enthält der Stator eine Eisenplatte 13, die im folgenden als magnetisches Rückschlussglied 13 bezeichnet wird und die die Form eines unregelmässigen Achtecks hat, vgl.
Fig. 6, welche diese Platte etwa im Massstab 1:1 zeigt. Etwa in seiner Mitte hat das Rückschlussglied 13 ein Loch 14, in dem ein Lagertragrohr 15 bei 16 eingebördelt ist (vgl. Fig. 1).
Das Lagertragrohr 15 dient zur Aufnahme und Lagerung der Rotorwelle 17. Diese ist an ihrem unteren Ende mit einer Spurkuppe 18 versehen und auf einem Kunststoffelement 19 gelagert, das seinerseits in der Mitte einer Lagerschale 22 angeordnet ist, welche mittels drei Schrauben 23 an entsprechenden Gewindebohrungen 24 (Fig. 6) des Rückschlussglieds 13 befestigt ist. Die Lagerschale 22 kann bei Bedarf auch einen Tachogenerator für die Drehzahlregelung des Motors 10 aufnehmen. Zum Herausführen der bei 24 angedeuteten Anschlusskabel eines solchen Tachogenerators ist im Rückschlussglied 13 eine längliche Öffnung 25 vorgesehen. - Die Welle 17 kann z.B. zum Direktantrieb des Plattentellers eines Grammophons dienen.
Das Rückschlussglied 13 ist gemäss Fig. 6 mit vier Passbohrungen 23 versehen, denen entsprechende Passzapfen 26 eines Kunststoff-Formstücks 27 entsprechen, welches z.B. aus Polystyrol bestehen kann und in den Fig. 7 bis 11 anhand verschiedener Schnitte sehr ausführlich dargestellt ist. Bei der Montage greifen die Zapfen 26 in die Passbohrungen 23 ein und fixieren dadurch die Teile 13 und 27 in ihrer Lage relativ zueinander unverrückbar.
Zur Aufnahme von vier Formspulen 31, 32, 33 und 34 ist das Formstück 27 mit vier entsprechenden Vorsprüngen 35, 36, 37 und 38 versehen, die etwa die Form eines unregelmässigen Fünfecks haben entsprechend den in Fig. 2 und Fig. 14 dargestellten Spulen.
Soll hingegen auch die Aufnahme von sektorförmigen Spulen möglich sein - die Fig. 17 zeigt vier solche sektorförmige Spulen 41, 42, 43 und 44, so wird man wie in Fig. 17 dargestellt die Formstücke 45 etwa U-förmig und radial nach aussen hin geöffnet ausbilden und zur Halterung der Spulen im Aussenbereich nur ein zapfenartiges Teil 46 vorsehen. Ein solches Formstück kann dann Spulen beider Arten (Fünfeck oder Sektor) gleich gut aufnehmen. Die Vorsprünge 35 bis 38 sind zur Gewichtsersparnis innen hohl ausgebildet. Zur weiteren Gewichtsersparnis sind drei dreieckförmige Aussparungen 47 vorgesehen.
In seiner Mitte hat das Formstück 27 einen etwas hochgezogenen Kragen 48, der im montierten Zustand das Lagertragrohr 15 umschliesst und gleichzeitig als Anschlag für Anpressmittel zum Anpressen der Flachspulen dient, vgl. die nachfolgende Beschreibung.
Wenn ein erfindungsgemässer Motor als kollektorloser Gleichstrommotor ausgebildet ist, benötigt er zur Steuerung der Ströme in den vier Spulen 3 1 bis 34 mindestens einen Sensor zum Erfassen der jeweiligen Rotorstellung. Gewöhnlich ist dies ein galvanomagnetischer Sensor, der vom Magnetfeld des Rotormagneten gesteuert wird. Ein solcher Sensor wird nach der Erfindung auf einer gesonderten Leiterplatte 51 angeordnet, welche eine Steckerleiste 52, Abgleichwiderstände 53 und entsprechende gedruckte Leiterbahnen trägt.
Fig. 2 zeigt, dass bei Verwendung von zwei Hallgeneratoren 54, 55, die voneinander einen mechanischen Winkelabstand von 90 haben und in der Mittelebene der Spulen 31 bzw. 34 liegen, die Leiterplatte 51 mit zwei abstehenden Seitenflügeln oder Ohren 56, 57 versehen wird, welche Aussparungen 58, 59 zur Aufnahme der beiden Hallgeneratoren 54, 55 haben.
Wird dagegen nur ein Hallgenerator 62 benötigt, der dann genau zwischen den beiden Spulen 31 und 34 liegt, so benötigt man eine Leiterplatte 63 der in Fig. 14 gezeigten Form, die sich also zum Hallgenerator 62 hin verjüngt.
Zur Aufnahme entweder einer Leiterplatte 51 oder einer Leiterplatte 63 ist das Formstück 27 mit einer etwa schubfachartigen Aussparung 64 versehen, die zur Aufnahme der beiden Ohren 56, 57 mit seitlichen Erweiterungen 65, 66 versehen ist. Überstehende Lappen 67, die mit nach unten ragenden Zapfen 68 versehen sind, dienen zur Halterung und Fixierung der jeweiligen Leiterplatte, wobei die Zapfen 68 in entsprechende Löcher der Leiterplatte eingreifen und diese dadurch unverrückbar fixieren, vgl. Fig. 2. Wie z.B. Fig. 11 klar zeigt, erstrecken sich die Vorsprünge zum Teil freitragend über die Aussparung 64 hinweg, vgl. dort den Vorsprung 35, und dasselbe gilt für die Spulen selbst (vgl. z.B. Fig. 2).
Bei der Montage wird also zuerst die entsprechende Leiterplatte 51 oder 63 in die schubfachartige Aussparung 64 des Formstücks 2; gelegt, und erst anschliessend wird das Formstück 27 auf dem Rückschlussglied 13 befestigt, und es werden die Spulen 31 bis 34 aufgelegt und deren Anschlüsse werden miteinander und mit den Leiterbahnen auf der Leiterplatte 51 (oder 63) durch Löten verbunden.
Die Spulen 31 bis 34 werden zweckmässig durch eine kleine Menge schnellhärtenden Klebers auf dem Formstück 27 fixiert. Zu ihrer Anpressung gegen das Formstück 27 dienen Anpressmittel in Form einer Federscheibe 71, die in den Fig. 12 und 13 sehr genau dargestellt ist und vier federnde Arme 72 hat, einen für jede Spule. Zwischen den Federarmen 72 und den Spulen liegt eine Isolierscheibe 73, um Beschädigungen der Spulen zu vermeiden. Die Federscheibe 71 ist vom Lagertragrohr 15 geführt. Ein Federring 74 ist über das Lagertragrohr 15 nach unten geschoben und presst das Zentrum der Federscheibe 71 gegen den als Anschlag dienenden hochgezogenen Kragen 48.
Der Rotor 11 weist eine flache Tragescheibe 75 aus Stahl auf, die mittels einer Buchse 76 auf der Welle 17 befestigt ist und auf deren Unterseite ein axial magnetisierter Keramik Dauermagnetring 77 festgeklebt ist. Die Magnetisierung dieses Magnetrings kann z.B. gemäss Fig. 15 oder Fig. 18 ausgeführt sein.
Eng um den Dauermagneten 77 herum ist ein Ringteil 78 aus glasfaserverstärktem Kunststoff angeordnet, das an seiner Unterseite drei Zapfen 79 aufweist, welche Löcher 80 des Rückschlussglieds 13 durchdringen und auf dessen Rückseite durch Hitze zu Nietköpfen verformt sind, die das Ringteil 78 sicher festhalten. Zum freien Durchführen der Zapfen 79 ist das Formstück 27 seitlich mit drei Aussparungen 81 versehen.
Das Ringteil 78 hat einen dünnen zylindrischen Abschnitt 84, der unten über eine Ringschulter 85 übergeht in einen zylindrischen Abschnitt 86 grösseren Durchmessers. Zur Anpressung der Aussenseiten der vier Spulen 31 bis 34 (oder 41 bis 44) sind in der Ringschulter 85 vier jeweils um 90" versetzte federnde Lappen 87 ausgebildet, die beim Aufsetzen des Ringteils 78 die Aussenseiten der vier Spulen gegen das
Formstück 27 pressen. Sind die Spulen zusätzlich angeklebt, so wird auf diese Weise ohne besondere Vorrichtung sichergestellt, dass sich die Spulen in der richtigen Lage befinden, wenn der Klebstoff aushärtet.
Das Ringteil 78 ist ferner zur Befestigung des Motors 10 mit drei identischen Befestigungselementen 88 versehen, die jeweils um 1200 gegeneinander versetzt sind und die über die
Oberseite des zylindrischen Abschnitts 84 wie auch über die
Oberseite der Tragescheibe 75 des Rotors 11 überstehen, wie das die Fig. 3 und 4 klar zeigen. Wie Fig. 3 zeigt, sind sie mit durchgehenden Bohrungen 89 versehen, die sich bis zu entsprechenden Löchern 90 des Rückschlussglieds 13 erstrecken, so dass man also auf diese Weise den Motor 10 hängend an einer Platte oder dergleichen befestigen kann, die sich oberhalb des Rotos 11 und parallel zu diesem erstreckt. Das Ringteil 78 erfüllt also bei der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Funktionen.
Die Fig. 14 bis 16 zeigen die Ausbildung beim Betrieb des vorliegenden Motors als zweipulsiger Motor nach den Prinzipien, die in der deutschen Patentanmeldung P 27 30 142.4-32 mit grosser Ausführlichkeit beschrieben sind und hier nicht wiederholt werden sollen. Die Magnetisierung des Rotormagneten 77 geht exakt aus Fig. 15 hervor. Fig. 14 zeigt die Lage des Hallgenerators 62 in der Mitte zwischen den beiden Spulen 31 und 34. Fig. 16 zeigt die zugehörige Schaltung, die genau der Schaltung nach Fig. 2 der DE-OS 2 730 142 ent spricht. Der Hallgenerator 62 ist über einen Widerstand 91 mit der Plusleitung 92 und über einen Widerstand 93 mit der
Minusleitung 94 verbunden. Er steuert einen Differenzverstärker mit zwei pnp-Transistoren 95 und 96, die ihrerseits zwei npn-Leistungstransistoren 97 und 98 steuern.
Im Kollek torkreis des Transistors 97 liegen die - gleichsinnig gewickelten - Statorspulen 31 und 33. Im Kollektorkreis des Transi stors 98 liegen die ebenfalls gleichsinnig gewickelten Stator spulen 32 und 34. Der Hallgenerator 62 wird von der inneren
Umlaufbahn des Rotors 77 nach Fig. 15 gesteuert, d.h. ihm liegt jeweils während eines Drehwinkels von etwa 1800 ein
Nordpol und während des anschliessenden Drehwinkels von etwa 1800 ein Südpol gegenüber.
Die Fig. 17 bis 20 zeigen die Ausbildung als vierpulsiger, viersträngiger Motor. (Bei Verwendung einer Brückenschal tung kann man naturgemäss denselben Motor auch bei zwei strängiger Ausbildung vierpulsig betreiben). Der Rotor 77' hat hier sechs identisch geformte Pole, deren Form und
Anordnung aus Fig. 18 hervorgeht. Die Spulen 41 bis 44 sind wie bereits beschrieben in diesem Falle Sektorspulen, d.h.
ihre magnetisch aktiven Abschnitte verlaufen jeweils etwa senkrecht zur Drehachse des Motors. Es sind jeweils die bei den diametral gegenüberliegenden Spulen 41 und 43 in Reihe geschaltet, ebenso die Spulen 42 und 44, und zwar mit entge gengesetztem Wicklungssinn, angedeutet durch die Pfeile in
Fig. 19. Da alle Spulen zweidrähtig, bevorzugt sogar bifilar, gewickelt sind, erhält man so vier Wicklungsstränge oder
Phasen Sl bis S4, die gemäss Fig. 20 geschaltet sind. Bemer kenswert ist besonders, dass durch die gegensinnige Wicklung das von den Statorspulen erzeugte Streufeld sehr niedrig ist, vgl. z.B. Fig. 19: Legt man dort zwischen die Anschlüsse A und E eine Gleichspannung, so erzeugt die eine Spule oben einen Nordpol, die andere einen Südpol.
Dadurch entsteht ein sehr geringes Streufeld, was ein grosser und ausserordent lich wichtiger Vorteil einer solchen Anordnung ist, auch im Vergleich zu einer Anordnung nach Fig. 14. Ein weiterer Vorteil ist der für einen vierpulsigen Motor optimale Kupferfüll faktor, der sich bei der vorliegenden sechspoligen Version ergibt. Der Nachteil gegenüber der achtpoligen Version, wie sie die DE-OS 2 533 187 der Anmelderin zeigt, ist, dass man die Hallgeneratoren 54 und 55 über oder unter Spulen anordnen muss. Da man aber ohnedies zur Verringerung der Induktivität der Spulen diese lieber im Abstand vom Rückschlussglied 13 anordnet, ergibt sich durch das Schubfach 64 eine optimale Lösung für die Anordnung der Hallgeneratoren bei stationärem Rückschlussglied 27.
Fig. 20 zeigt die zugehörige Schaltung, die für sich bekannt ist. Der Hallgenerator 54 steuert zwei npn-Transistoren 101 und 102, von denen der erste den Strang Sl, der zweite den Strang S2 steuert. Der Hallgenerator 55 steuert zwei npn-Transistoren 103 und 104, von denen der erstere den Strang S3 und der letztere den Strang S4 ansteuert. Die Emitter der Transistoren 101 bis 104 sind miteinander und dem Kollektor eines npn-Transistors 105 verbunden, der von einem Drehzahlregler R gesteuert wird. Zur Erfassung der Motordrehzahl dient ein Tachogenerator TG.
Folgende Merkmale sollen abschliessend nochmals hervorgehoben werden:
Die schubfachartige Erweiterung könnte zwar auch breiter ausgebildet werden, aber die erfindungsgemässe Gestaltung mit den seitlichen Erweiterungen 65, 66 in der Form von Fledermausohren hat den grossen Vorteil, dass die Spulen 31 und 34 (bzw. 41 und 44) eine wesentlich grössere Auflagefläche zur Verfügung haben und nur auf einem kleinen Teil ihrer Erstreckung freitragend sind. - Der Abstand der Spulen 31 bis 34 vom Rückschlussglied beträgt mit Vorteil etwa 2 mm, so dass in der Aussparung 64 eine 1,5 mm dicke Leiterplatte 51 oder 63 bequem Platz hat.
Das Formstück 27 kann mit Vorteil aus Polypropylen ausgebildet werden. Es ist mit dem Rückschlussglied 13 nur über seine Passzapfen verbunden, braucht also nicht festgeklebt zu werden.
Der Federring 74 ist mit Vorteil ein selbstsperrender Zakkenring.
Die nach oben überstehenden seitlichen Befestigungsaugen 88 des Ringteils 78 haben praktisch die Funktion von identisch bemessenen Distanzhülsen und gewährleisten eine plane Befestigung an einer Befestigungsplatte oder einer Gerätewand, so dass ein Verziehen des Rückschlussglieds 13 sicher vermieden wird.
Für die Montage ist ferner wichtig, dass zwischen der Innenseite der Spulen und der Aussenseite des Kragens 48 ein Kanal 105 (Fig. 1) gebildet wird, in dem alle Verbindungsdrähte der Spulen bequem untergebracht werden und der auch mit der Leiterplatte 51 (oder 63) direkt verbunden ist, so dass die Spulendrähte direkt an der Leiterplatte festgelötet werden können. Dieser Kanal 105 wird nach der Montage von der Isolierplatte 73 vollständig überdeckt, d.h. die dort untergebrachten Drähte können niemals am Rotor streifen.
Die Zapfen 79 des Ringteils 78 sind, wie Fig. 2 zeigt, unsymmetrisch angeordnet und können deshalb nur in einer Stellung am Formstück 27 montiert werden, da sie nur dann in dessen Aussparungen 81 passen. Dadurch erreicht man erfindungsgemäss, dass das Ringteil 78 stets in der richtigen Lage montiert wird. Die Zapfen 79 können mit Ultraschall vernietet werden, wenn sie z.B. aus Polyamid bestehen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist gemäss Fig. 17 dadurch gekennzeichnet, dass das Formstück 27 zur alternativen Aufnahme fünfeckiger oder sektorförmiger Spulen 45, 46 ausgebildet ist. Ferner sieht eine Ausführung ein Formstück 27 zur wahlweisen Aufnahme einer Leiterplatte 51 mi zwei im Abstand von (90" +n 1800 el) voneinander angeordneten galvanomagnetischen Sensoren 54, 55, wobei n=0, 1, 2, ... ist, vor oder ist zur Aufnahme einer Leiterplatte 63 mit einem einzigen galvanomagnetischen Sensor 62 ausgebildet.
Dabei kann die Formhöhlung 64, 65, 66 für die Aufnahme der Leiterplatte 51 oder 63 so ausgebildet sein, dass bei Verwendung von zwei Sensoren 54, 55 diese jeweils etwa auf der Symmetrieachse einer Statorspule 41, 44 liegen, wobei bei Verwendung nur eines Sensors 62 dieser etwa auf der Mittelachse zwischen zwei benachbarten Statorspulen 41, 34 liegt. In Weiterbildung der Erfindung weist gemäss Fig. 18 der Rotormagnet 77' dann sechs gleichmässig verteilte Magnetpole (drei Nordpol, drei Südpole) auf. Dabei weist, wie in Fig. 15 dargestellt, der Rotormagnet 77 diametral gegenüberliegend zwei Südpol-Magnetzonen mit einer Winkelerstreckung von 60 mech. und an diese jeweils anschliessend und ebenfalls diametral gegenüberliegend zwei Nordpol-Magnetzonen mit einer Winkelerstreckung von ebenfalls 60 mech. auf.
Diese Anordnung sieht vorteilhafterweise, wie in Fig. 15 auch dargestellt, in den an die Süd- und Nordpol-Magnetzonen anschliessenden Winkelbereichen Dipol-Magnetzonen vor, welche entsprechend den Erfordernissen des von ihnen gesteuerten galvanomagnetischen Sensors 62 magnetisiert sind und insgesamt eine Magnetisierung aufweisen, die in einem quer zu ihnen bewegten Leiter angenähert die Spannung Null induziert.
Die vorstehend aufgeführten Merkmale haben ersichtlich in Kombination wie auch allein erfinderische Bedeutung.
Naturgemäss sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen möglich, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere die Anordnung nach den Fig. 17 bis i9 hat auch für sich selbst Bedeutung.
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PATENT CLAIMS
1. Electric motor with a flat air gap, a permanent magnetic rotor and with an ironless stator winding arrangement arranged between this rotor and a stationary magnetic return element, characterized in that a plastic molding (27) for receiving the winding arrangement (31 to 34; 41 to 44) is provided, which is fixed on the yoke (13).
2. Electric motor according to claim 1, characterized in that the plastic molding (27) is provided with mold cavities for receiving coils of the stator winding arrangement.
3. Electric motor according to claim 1 or 2, characterized in that the shaped piece (27) on its yoke member (13) facing side is provided with a mold cavity (64) for receiving a circuit board (51; 63), which circuit board has at least one galvanomagnetic Sensor (54, 55; 62) carries, which is in the assembled state within the magnetic field of the permanent magnetic rotor (11).
4. Electric motor according to one of the preceding claims, characterized in that pressing means (71, 87) are provided for holding the winding arrangement on the plastic molding (27).
5. Electric motor according to claim 4, characterized in that the pressing means have a spring member (71) arranged around the rotor shaft (17), the ends (72) of which each act on an assigned section of the winding arrangement in the direction of the plastic molding (27).
6. Electric motor according to claim 4 or 5, characterized in that the pressing means have a ring part (78) surrounding the edge of the rotor (lt), which rests with a shoulder (85) against the outer peripheral region of the winding arrangement.
7. Electric motor according to claim 6, characterized in that the shoulder (85) is preferably provided with integrated spring means (87) for loading the winding arrangement in the direction against the plastic molding (27).
8. Electric motor according to claim 6 or 7, characterized in that the ring part (78) has sections (88) which protrude above the top (75) of the rotor (11) and which are designed to accommodate screws.
9. Electric motor according to claim 8, characterized in that the projecting sections (88) have through bores (89) which also continue through the stationary magnetic return element (13).
10. Electric motor according to one of claims 6 to 9, characterized in that the ring part (78) consists of a glass fiber reinforced plastic.
11. Electric motor according to one of claims 6 to 10, characterized in that the ring part (78) is provided with axial extensions (79) for penetrating the magnetic return element (13).
12. Electric motor according to claim 11, characterized in that the axial extensions (79) on the side of the magnetic return element (13) facing away from the ring part (78) are widened by hot deformation and thus hold the ring part (78) on the return element (13).
13. Electric motor according to one of the preceding claims, characterized in that the plastic molding (27) is provided with projections (26) for engagement in corresponding recesses (23) of the magnetic return element (13) or vice versa.
14. Electric motor according to one of the preceding claims, characterized in that the plastic molding (27) for receiving four with an angular distance of 90 mech. flat coils (31 to 34; 41 to 44) arranged from one another is formed.
15. Electric motor according to claim 14, characterized in that the coils (31 to 34) are approximately pentagonal.
16. Electric motor according to claim 14, characterized in that the coils (41 to 44) are approximately sector-shaped.
The invention relates to an electric motor according to the preamble of claim 1.
Such electric motors, which are usually designed as brushless DC motors, are used primarily in consumer electronics and data technology, e.g. to drive so-called floppy disks or to directly drive turntables or capstan shafts.
An object of the present invention is seen to provide a simple and inexpensive construction of such an engine, which among other things. depending on the drive principle used, allows a variable, modular motor structure and at the same time preferably has a very high copper fill factor.
This object is achieved according to the invention by the measure specified in claim 1.
Further details and advantageous developments of the invention result from the exemplary embodiments described below and shown in the drawing, which are in no way to be understood as a restriction of the present invention, and from the dependent claims. It shows:
1 is a partial longitudinal section through an engine according to the invention, enlarged approximately 2: 1,
2 shows a top view of the motor of FIG. 1, the entire rotor not being shown, for example on a magnification scale of 1.5: 1,
3 shows a section, seen along the line III-III of FIG. 2,
4 shows a section through the protective ring surrounding the rotor,
5 shows a detail of FIG. 4,
6 is a plan view of the magnetic yoke of the motor, approximately on a scale of 1:
:1,
7 is a top plan view of the plastic molding used to hold the stator coils,
8 shows a section, seen along the line VIII-VIII of FIG. 7,
9 shows a section, seen along the line IX-IX of FIG. 7,
10 is a plan view from below of the plastic molding used to hold the stator coils,
11 shows a section, seen along the line XI-XI of FIG. 10, FIG. 12 shows a top view of the flat spring serving to hold the stator coils,
13 is a sectional view taken along the line XIII-XIII of FIG. 12,
14 analogous to FIG. 2, a top view of the stator of a motor according to the invention, but modified for two-pulse operation,
15 shows the magnetization of the rotor belonging to the stator according to FIG. 14,
16 shows a circuit structure for the motor according to FIGS. 14 and 15,
Fig.
17 analogous to FIG. 2, a top view of the
Stator of a motor according to the invention, modified for four-pulse operation,
18 shows the magnetization of the rotor belonging to the stator according to FIG. 17,
FIG. 19 shows the arrangement of the four winding strands in the stator according to FIG. 17; the opposite winding direction of the diametrically opposite coils is indicated by arrows, and
20 shows a circuit structure for the motor according to FIGS. 17-19.
In the following description, parts that are the same or have the same effect are each designated with the same reference symbols and are usually described only once. Angle information and other inscriptions on the drawing form part of the written description and are therefore usually not repeated in the description in order to avoid unnecessary lengths.
Fig. I shows a longitudinal section through a brushless DC motor 10 with a rotor 11 and a stator 12. As a supporting part and at the same time as a magnetic yoke, the stator contains an iron plate 13, which is referred to below as a magnetic yoke 13 and which has the shape of an irregular Octagon has, cf.
Fig. 6, which shows this plate on a scale of 1: 1. Approximately in the middle, the yoke member 13 has a hole 14 in which a bearing support tube 15 is crimped at 16 (see FIG. 1).
The bearing support tube 15 serves to receive and support the rotor shaft 17. This is provided at its lower end with a track crest 18 and is mounted on a plastic element 19, which in turn is arranged in the middle of a bearing shell 22 which is fastened to corresponding threaded holes 24 by means of three screws 23 (Fig. 6) of the yoke member 13 is attached. The bearing shell 22 can also accommodate a tachometer generator for the speed control of the motor 10 if necessary. An elongated opening 25 is provided in the yoke 13 to lead out the connection cables of such a tachometer generator, indicated at 24. - The shaft 17 can e.g. serve to directly drive the turntable of a gramophone.
6 is provided with four fitting bores 23, which correspond to corresponding fitting pins 26 of a plastic molded piece 27, which e.g. can consist of polystyrene and is shown in great detail in FIGS. 7 to 11 on the basis of various cuts. During assembly, the pins 26 engage in the fitting bores 23 and thereby fix the parts 13 and 27 in their position in relation to one another so that they cannot move.
To accommodate four form coils 31, 32, 33 and 34, the shaped piece 27 is provided with four corresponding projections 35, 36, 37 and 38, which have approximately the shape of an irregular pentagon corresponding to the coils shown in FIGS. 2 and 14.
If, on the other hand, the inclusion of sector-shaped coils is also to be possible - FIG. 17 shows four such sector-shaped coils 41, 42, 43 and 44, then as shown in FIG. 17, the shaped pieces 45 are opened approximately U-shaped and radially outwards form and provide only a pin-like part 46 for holding the coils in the outer region. Such a shaped piece can then hold coils of both types (pentagon or sector) equally well. The projections 35 to 38 are hollow on the inside to save weight. To further save weight, three triangular cutouts 47 are provided.
In the middle, the shaped piece 27 has a somewhat raised collar 48 which, in the assembled state, surrounds the bearing support tube 15 and at the same time serves as a stop for pressing means for pressing on the flat coils, cf. the following description.
If a motor according to the invention is designed as a collectorless DC motor, it requires at least one sensor for detecting the respective rotor position in order to control the currents in the four coils 3 1 to 34. This is usually a galvanomagnetic sensor that is controlled by the magnetic field of the rotor magnet. According to the invention, such a sensor is arranged on a separate printed circuit board 51, which carries a connector strip 52, trimming resistors 53 and corresponding printed conductor tracks.
2 shows that when using two Hall generators 54, 55, which have a mechanical angular distance of 90 from one another and are in the center plane of the coils 31 and 34, the printed circuit board 51 is provided with two projecting side wings or ears 56, 57, which have cutouts 58, 59 for receiving the two Hall generators 54, 55.
If, on the other hand, only one Hall generator 62 is required, which then lies exactly between the two coils 31 and 34, a circuit board 63 of the shape shown in FIG. 14 is required, which tapers towards the Hall generator 62.
To accommodate either a circuit board 51 or a circuit board 63, the shaped piece 27 is provided with an approximately drawer-like recess 64, which is provided with lateral extensions 65, 66 for receiving the two ears 56, 57. Projecting tabs 67, which are provided with downwardly projecting pins 68, serve to hold and fix the respective circuit board, whereby the pins 68 engage in corresponding holes in the circuit board and thereby immovably fix them, cf. Fig. 2. How e.g. 11 clearly shows, the projections extend in a partially self-supporting manner over the recess 64, cf. there the projection 35, and the same applies to the coils themselves (see e.g. Fig. 2).
During assembly, the corresponding printed circuit board 51 or 63 is therefore first inserted into the drawer-like recess 64 of the molded part 2; placed, and only then is the fitting 27 fastened on the yoke member 13, and the coils 31 to 34 are placed and their connections are connected to one another and to the conductor tracks on the printed circuit board 51 (or 63) by soldering.
The coils 31 to 34 are expediently fixed on the shaped piece 27 by a small amount of fast-curing adhesive. Pressing means in the form of a spring washer 71, which is shown very precisely in FIGS. 12 and 13 and has four resilient arms 72, one for each coil, serve to press them against the shaped piece 27. An insulating washer 73 is located between the spring arms 72 and the coils in order to avoid damage to the coils. The spring washer 71 is guided by the bearing support tube 15. A spring ring 74 is pushed down over the bearing support tube 15 and presses the center of the spring washer 71 against the raised collar 48 serving as a stop.
The rotor 11 has a flat support disk 75 made of steel, which is fastened on the shaft 17 by means of a bushing 76 and on the underside of which an axially magnetized ceramic permanent magnet ring 77 is glued. The magnetization of this magnetic ring can e.g. 15 or FIG. 18.
A ring part 78 made of glass fiber reinforced plastic is arranged closely around the permanent magnet 77 and has on its underside three pins 79 which penetrate holes 80 of the yoke member 13 and on the back of which are deformed by heat to form rivet heads which hold the ring part 78 securely. For free passage of the pins 79, the shaped piece 27 is provided with three cutouts 81 on the side.
The ring part 78 has a thin cylindrical section 84 which merges at the bottom via an annular shoulder 85 into a cylindrical section 86 of larger diameter. For pressing the outer sides of the four coils 31 to 34 (or 41 to 44), four resilient tabs 87, each offset by 90 ", are formed in the annular shoulder 85, which the outer sides of the four coils against the
Press fitting 27. If the coils are additionally glued on, this ensures that the coils are in the correct position when the adhesive hardens without any special device.
The ring part 78 is further provided for fastening the motor 10 with three identical fastening elements 88, which are each offset by 1200 from one another and which are via the
Top of the cylindrical portion 84 as well as over the
3 protrude from the top of the support disk 75 of the rotor 11, as clearly shown in FIGS. As shown in Fig. 3, they are provided with through bores 89 which extend to corresponding holes 90 of the yoke 13, so that in this way the motor 10 can be suspended from a plate or the like which is above the rotos 11 and extends parallel to this. The ring part 78 therefore fulfills a multiplicity of functions in the present invention.
14 to 16 show the training in the operation of the present motor as a two-pulse motor according to the principles that are described in great detail in German patent application P 27 30 142.4-32 and are not to be repeated here. The magnetization of the rotor magnet 77 is shown exactly in FIG. 15. Fig. 14 shows the position of the Hall generator 62 in the middle between the two coils 31 and 34. Fig. 16 shows the associated circuit, which speaks exactly the circuit of FIG. 2 of DE-OS 2 730 142 ent. The Hall generator 62 is connected via a resistor 91 to the positive line 92 and via a resistor 93 to the
Negative line 94 connected. It controls a differential amplifier with two pnp transistors 95 and 96, which in turn control two npn power transistors 97 and 98.
In the collector circuit of the transistor 97 are the - wound in the same direction - stator coils 31 and 33. In the collector circuit of the transistor 98 are the same wound stator coils 32 and 34. The Hall generator 62 is from the inner
15 orbit controlled, i.e. it is in each case at an angle of rotation of approximately 1800
North Pole and a South Pole opposite during the subsequent rotation angle of about 1800.
17 to 20 show the design as a four-pulse, four-strand motor. (If a bridge circuit is used, the same motor can naturally also be operated with four pulses, even with two branches.) The rotor 77 'here has six identically shaped poles, their shape and
Arrangement shown in Fig. 18. The coils 41 to 44 are, as already described, sector coils in this case, i.e.
their magnetically active sections each run approximately perpendicular to the axis of rotation of the motor. The diametrically opposed coils 41 and 43 are each connected in series, as are the coils 42 and 44, namely with opposite winding directions, indicated by the arrows in
Fig. 19. Since all coils are wound with two wires, preferably even bifilar, four winding strands or are obtained
Phases S1 to S4, which are switched according to FIG. 20. It is particularly noteworthy that the stray field generated by the stator coils is very low due to the opposite winding, cf. e.g. Fig. 19: If there is a DC voltage between connections A and E, one coil generates a north pole at the top, the other a south pole.
This results in a very small stray field, which is a major and extraordinarily important advantage of such an arrangement, also compared to an arrangement according to FIG. 14. Another advantage is the optimal copper filling factor for a four-pulse motor, which is the case with the six-pole present Version results. The disadvantage compared to the eight-pole version, as shown in DE-OS 2 533 187 by the applicant, is that Hall generators 54 and 55 have to be arranged above or below coils. However, since one would prefer to arrange the inductance of the coils at a distance from the yoke 13 anyway, the drawer 64 provides an optimal solution for the arrangement of the Hall generators with a stationary yoke 27.
20 shows the associated circuit, which is known per se. The Hall generator 54 controls two NPN transistors 101 and 102, the first of which controls the line S1, the second controls the line S2. The Hall generator 55 controls two NPN transistors 103 and 104, of which the former drives the branch S3 and the latter the branch S4. The emitters of the transistors 101 to 104 are connected to one another and to the collector of an npn transistor 105, which is controlled by a speed controller R. A tachogenerator TG is used to record the engine speed.
Finally, the following features should be emphasized again:
The drawer-like extension could also be made wider, but the design according to the invention with the lateral extensions 65, 66 in the form of bat ears has the great advantage that the coils 31 and 34 (or 41 and 44) have a much larger contact surface have and are only self-supporting on a small part of their extension. - The distance between the coils 31 to 34 from the yoke is advantageously about 2 mm, so that a 1.5 mm thick printed circuit board 51 or 63 has space in the recess 64.
The shaped piece 27 can advantageously be formed from polypropylene. It is connected to the yoke member 13 only via its fitting pin, so it does not need to be glued.
The spring ring 74 is advantageously a self-locking zakken ring.
The upwardly projecting lateral fastening eyes 88 of the ring part 78 have the function of identically dimensioned spacer sleeves and ensure a planar fastening to a fastening plate or a device wall, so that warping of the yoke member 13 is reliably avoided.
It is also important for the assembly that a channel 105 (FIG. 1) is formed between the inside of the coils and the outside of the collar 48, in which all connecting wires of the coils are conveniently accommodated and that also with the printed circuit board 51 (or 63) is directly connected so that the coil wires can be soldered directly to the circuit board. This duct 105 is completely covered by the insulating plate 73 after assembly, i.e. the wires housed there can never touch the rotor.
As shown in FIG. 2, the pins 79 of the ring part 78 are arranged asymmetrically and can therefore only be mounted on the fitting 27 in one position, since they then only fit into the recesses 81 thereof. As a result, according to the invention, the ring part 78 is always installed in the correct position. The pins 79 can be riveted ultrasonically if they e.g. are made of polyamide.
An embodiment of the invention according to FIG. 17 is characterized in that the shaped piece 27 is designed for the alternative accommodation of pentagonal or sector-shaped coils 45, 46. Furthermore, an embodiment provides a shaped piece 27 for optionally holding a printed circuit board 51 with two galvanomagnetic sensors 54, 55 arranged at a distance of (90 "+ n 1800 el) from one another, where n = 0, 1, 2, ..., or is designed to receive a circuit board 63 with a single galvanomagnetic sensor 62.
The cavity 64, 65, 66 for receiving the printed circuit board 51 or 63 can be designed such that when two sensors 54, 55 are used, they each lie approximately on the axis of symmetry of a stator coil 41, 44, with only one sensor 62 being used this lies approximately on the central axis between two adjacent stator coils 41, 34. 18, the rotor magnet 77 'then has six uniformly distributed magnetic poles (three north poles, three south poles). As shown in FIG. 15, the rotor magnet 77 has diametrically opposite two south pole magnetic zones with an angular extent of 60 mech. and adjoining these and also diametrically opposite two north pole magnetic zones with an angular extent of 60 mech. on.
This arrangement advantageously, as also shown in FIG. 15, provides dipole magnetic zones in the angular ranges adjoining the south and north pole magnetic zones, which are magnetized in accordance with the requirements of the galvanomagnetic sensor 62 controlled by them and have an overall magnetization which In a conductor moved transversely to them, the voltage is approximately induced.
The features listed above are evident in combination, as well as alone, as meaning inventive.
Naturally, numerous modifications and developments are possible without leaving the scope of the present invention. In particular the arrangement according to FIGS. 17 to 19 is also of importance for itself.