Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen elektrischen Mikromotor, der einen Stator mit mindestens zwei Wicklungen aufweist, wobei der Rotor über mindestens einen Dauermagneten verfügt, der mit einer Welle des Rotors fest verbunden ist.
Ein solcher Mikromotor ist aus der EP 0 605 513 B1 bekannt, der dort in einem Ultraschall-Instrument zum Einsatz in kleinen Volumina vorgesehen ist. Mikromotoren werden insbesondere immer dann eingesetzt, wenn die Leistung des Motors nicht im Vordergrund steht, sondern eher vielmehr die möglichst geringe Grösse der Bauteile entscheidet. Bei solchen Motoren ist es naturgemäss für den Fachmann schwierig, die einzelnen Bauteile mit sehr geringen Toleranzen zueinander anzuordnen. Dies gilt insbesondere für die Ausgestaltung des Rotors, wenn der Rotor einen Magneten aufweist. Der Rotor nach der EP 0 605 573 B1 verfügt über eine Stahlwelle, auf die der oder die Dauermagnete aufgesetzt sind. Zweipolige Dauermagnete müssen entsprechend durchbohrt werden, um auf die Stahlwelle aufgesetzt zu werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Rotor für einen Mikromotor anzugeben, der bei einer besseren Fertigungsqualität zudem kostengünstiger herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird für einen Rotor für einen Mikromotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Welle in zwei nicht direkt aneinander grenzende Wellenenden geteilt ist und dass der den Dauermagneten aufweisende Rotorabschnitt mit den zwei Wellenenden unlösbar verbunden ist.
Dadurch, dass die Welle geteilt wird, ist es möglich, auf die Durchbohrung des Dauermagneten zu verzichten. Diese Arbeit ist besonders aufwändig und führt zu hohen Kosten zur Erreichung eines unwuchtfreien Laufes des Rotors.
Vorteilhafterweise wird der Dauermagnet in einem hohlen Gehäuse eingesetzt, welches im Bereich der Wicklungen die Welle selbst bildet. Wenn dabei das Gehäuse über mindestens eine \ffnung verfügt, durch die ein Klebstoff oder eine Schraube eingeführt ist, um den Dauermagneten mit dem Gehäuse drehfest zu verbinden, so kann durch entsprechende Bearbeitung eine Unwucht vermieden werden, ohne dass das magnetische Material bearbeitet werden muss. Damit ergeben sich bei der Kleinheit der erfindungsgemässen Mikromotoren erhebliche Vorteile bei den erreichbaren Toleranzen in der Fertigung.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung verfügt der Dauermagnet über zwei axiale Endflächen, die mit zugeordneten axialen Endflächen von zwei Wellenenden unlösbar verbunden, insbesondere miteinander verklebt oder lasergeschweisst, sind. Dabei wird durch die senkrecht zur Welle verlaufenden Grenzflächen eine Unwucht dann sicher vermindert, wenn die axialen Endflächen von Dauermagnet und Wellenenden über komplementäre ineinander greifende Zentrierungselemente, wie Nut und Feder, verfügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Der erfindungsgemässe Mikromotor wird nun anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen des Rotors mithilfe der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Mikromotor mit einem erfindungsgemässen Rotor gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Mikromotor mit einem erfindungsgemässen Rotor gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Rotors gemäss Fig. 2.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Mikromotor mit einem Rotor gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Mikromotor umfasst ein Gehäuse 1, welches vorteilhafterweise aus einem weichmagnetischen Material besteht. Das Gehäuse 1 ist hohlzylindrisch und nimmt den eigentlichen Motor auf. Der Motor, der eine aus dem Gehäuse 1 herausragende Welle 2 in einer Drehung um die Achse 3 antreibt, verfügt über einen Rotor 4, der einen zylindrischen Dauermagneten 14 aufweist. Der Dauermagnet 14 ist diametral magnetisiert, d.h. seine Magnetpole liegen im Umfangsbereich an einander gegenüberliegenden Seiten.
Der Dauermagnet 14 kann auch mehr Magnetpole aufweisen, die entsprechend äquidistant im Umfangsbereich verteilt sind, solange nur das magnetische Feld im Bereich des Rotors und in einem Schlitz 43 im Wesentlichen in einer radialen Ebene zur Welle 2 ausgerichtet ist.
Die Welle 2 ist in zwei Wellenenden 21 und 22 unterteilt, die beidseitig jeweils getrennt durch den Dauermagneten 14 auf der Achse 3 gelagert sind. Das Wellenende 21 verfügt über ei nen zylinderförmigen, flanschartig etwas grösseren Durchmesser als die Welle 2 aufweisenden Bereich 5. Der Bereich 5 dient zum einen als ringförmige Schulter zur Abstützung des Kugellagers 6, welches in einer Pressfassung in das Gehäuse 1 eingeschoben ist. Zum anderen verfügt der Bereich 5 des Wellenendes 21 über eine axiale Endfläche 31, die mit der einen axialen Endfläche 41 des Dauermagneten 14 im Kontakt unlösbar verbunden ist. Insbesondere kann diese Fläche 41 des Dauermagneten 14 mit der zugeordneten Endfläche 31 des Wellenendes 21 verklebt oder lasergeschweisst sein.
Der Rotor 4 mit seinem Permanentmagneten 14 ist über einen kleinen ringförmigen Schlitz 43 von dem im Wesentlichen hohlzylindrischen Wicklungskörper 7 getrennt. Auf dem Wicklungskörper 7 sind mindestens zwei, vorzugsweise drei Spulen 8 gewickelt. Die Drahtenden der Spulen 8 werden durch in dem Wicklungsträger 7 vorgesehene Bohrungen an Kontaktstifte 9 herangeführt und mit diesen elektrisch verbunden, vorzugsweise geschweisst oder gelötet.
Auf der dem Wellenende 21 gegenüberliegenden Seite ist das Wellenende 22 in einem Gleitlager 10 gelagert. Das Wellenende 22 verfügt über eine flanschartige Vergrösserung 15, die ähnlich zu dem Bereich 5 ausgestaltet ist. Dieser allerdings nicht als Schulter dienende Flansch 15 verfügt ebenfalls über eine axiale Endfläche 32, die mit einer zweiten axialen Endfläche 42 des Dauermagneten 14 im Kontakt unlösbar verbunden ist. Insbesondere kann diese Fläche 42 des Dauermagneten 14 mit der zugeordneten Endfläche 32 des Wellenendes 22 verklebt oder lasergeschweisst sein.
Neben den dargestellten Lagern 6 und 10 können auch zwei Kugellager oder zwei Gleitlager vorgesehen sein. Es ist weiterhin möglich, den Wicklungsträger 7 einstückig zu gestalten und in einer kreisförmige Ausnehmung das Wellenende 22 direkt einzusetzen und zu lagern.
Es ergibt sich folgende vorteilhafte Herstellungsweise des Mikromotors. Die Spulenkörper 8 werden auf den Wicklungskörper 7 aufgesetzt und mit den Drahtstiften 9 elektrisch verbunden, vorzugsweise geschweisst oder gelötet. Es wird der Dauermagnet 14 an den Wellenenden 21 und 22 befestigt und von der anderen Seite der Verdickung 5 her das Kugellager 6 auf die Welle 2 aufgesetzt. Anschliessend werden Wicklungskörper 7 und Welle 2 mit Rollenlager 6 von gegenüberliegenden Seiten her in ein Gehäuse 1 eingeführt und vorzugsweise jeweils in einer Presspassung bis zum Anschlag vorgeschoben. Dadurch ergibt sich ein sicherer und reibungsarmer Sitz des Rotors in dem Stator.
Vorteilhafterweise verfügt der Dauermagnet 14 in seinen Endflächen 41 und 42 über in der Zeichnung nicht dargestellte zentrale Ausnehmungen, in die entsprechend komplementäre Spitzen der Bereiche 5 und 15 hineinreichen. Damit ist eine Selbstzentrierung zu erreichen. Eine eventuell verbleibende Unwucht sollte durch Bearbeitung der Flansche 5 bzw. 15 vermindert werden.
Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Mikromotor mit einem erfindungsgemässen Rotor gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche Merkmale sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aufbau des Stators im Wesentlichen identisch zu dem Mikromotor nach Fig. 1. Das heisst, dass die elektrischen Anschlüsse 9, die Spule 8 und der Wicklungskörper 7 gleich ausgestaltet sind. Nur im Bereich des Wellenendes 21 ist ein zweites Gleitlager 16 vorgesehen.
Der Dauermagnet 24, strichliniert dargestellt, ist auf der Achse 3 in einem hohlzylindrischen Behälter 25 eingesetzt. Dieser Behälter 25 und sein Zusammenwirken mit dem Magneten 24 ist in Fig. 3 dargestellt. Es ist noch darauf hinzuweisen, dass ein gut zentrierter Behälter 25 das Vorsehen eines sehr schmalen Schlitzes 43 zwischen Behälter 25 und damit dem Dauermagneten 24 und dem Spulenträger 7 mit den Spulen 8 ermöglicht.
Die Fig. 3 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Rotors gemäss Fig. 2. Der untere Abschnitt zeigt die ungeschnittene Seitenansicht mit den Wellenenden 21 und 22 und dem hohlen Behälter 25. In dem hohlen Behälter 25 ist der zylindrische Dauermagnet 24 eingesetzt. Das Behältergehäuse 25 verfügt hier über zwei axial beabstandete \ffnungen 26 in gleicher Winkelposition zueinander. Es könnte auch nur eine \ffnung vorgesehen sein oder mehrere, die auch über den gesamten Umfang des Behälters 25 verteilt sein können.
In die beiden \ffnungen 26 sind in der Figur nicht dargestellte Schrauben einsetzbar, mit denen der Dauermagnet 24 in dem Behälter 25 feststellbar ist, sodass er zu der Welle 2 drehfest angeordnet ist. Es ist auch möglich, durch die \ffnung 26 einen Klebstoff in den Hohlraum zwischen Dauermagnet 24 und Gehäuseinnenwand 27 einfliessen zu lassen, sodass die drehfeste Verbindung auf diesem Wege hergestellt wird. Wichtig ist in jedem Falle, dass die Gehäuseinnenwand 27 sehr dünn ausgestaltet wird, da sie zu der Grösse des Schlitzes 43 zwischen Dauermagnet 24 und Spulen 8 beiträgt.
Das Gehäuse 25 kann insbesondere zweihälftig ausgestaltet sein und nach Einsetzen des Dauermagneten 24 auf Nuten der Wellenenden 21 und 22 aufsetzbar sein. Das Gehäuse kann ferner die Wellenenden 21 und 22 umfassen und somit aus zwei in den Bereichen 21 und 22 jeweils halbzylindrischen Abschnitten und zwei halben hohlzylindrischen Profilen im Bereich 25 bestehen, die nach Einlage des Dauermagneten 24 ineinander gesetzt werden und so den vollständigen Rotor 4 aus drei Elementen bilden.
Im montierten Zustand befinden sich in beiden Ausführungsbeispielen die drei Wicklungen am Umkreis zwischen dem Wicklungskörper 7 und der glatten Innenwand des Gehäuses 1. Der Stator ist somit polschuhlos. Die Welle 2 mit dem Dauermagneten 14 bzw. 24 des Rotors 4 kann im Innern des Wicklungskörpers rotieren, der aber vorzugsweise trotzdem sehr dünnwandig ausgebildet ist, um den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator möglichst klein zu halten.
Das Gehäuse 1 besteht beispielsweise aus einer handelsüblichen Fe-Ni-Legierung, wobei das weichmagnetische Gehäuse 1 Teil des Stators ist, da sich in ihm der magnetische Fluss rückschliesst. Die Dauermagnete sind beispielsweise aus einer intermetallischen Verbindung, z.B. Magnesium-Wismut, Platin-Kobalt, Verbindungen mit seltenen Erden oder aus einer Nd-Verbindung, beispielsweise Nd-Fe-Bo.
Die Spulen oder Wicklungen können und werden vorzugsweise mit drei um 120 DEG phasenverschobenen und zumindest angenähert vorzugsweise rechteckigen oder sinusoidalen Impulssignalen von beispielsweise 1 bis 12 Volt gespeist, um einen Synchronmotor zu ergeben.
Der Mikromotor kann jedoch in an sich bekannter Weise als kollektorloser Gleichstrommotor mit Kommutierungsschaltungen arbeiten, die beispielsweise in einem separaten Modul im Bereich nahe der Kontaktstifte 9 untergebracht sein können. Der Mikromotor kann auch mit nur zwei diametral angeordneten Spulen 8 oder sonst mit mehr als drei gleichmässig am Umfang des Stators verteilten Spulen 8 mit oder ohne Spulenkörper arbei ten. Der Luftspalt zwischen Dauermagnet 14 bzw. Gehäuse 25 und den Spulen beträgt vorzugsweise 0,05 mm bis 0,3 mm. Der Luftspalt zwischen Magnet und Gehäuse 1 beträgt beispielsweise 0,4 mm bis 1,2 mm, vorzugsweise jedoch 0,2 mm bis 0,8 mm.
Diese Zahlen beziehen sich auf einen Mikromotor mit einem Aussendurchmesser des Gehäuses zwischen 3 und 6 mm. Weitere Ausgestaltungen des Rotors des Mikromotors sind dem Fachmann geläufig und verlassen nicht den Rahmen der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen niedergelegt ist.
The invention relates to a rotor for an electric micromotor which has a stator with at least two windings, the rotor having at least one permanent magnet which is fixedly connected to a shaft of the rotor.
Such a micromotor is known from EP 0 605 513 B1, which is provided there in an ultrasound instrument for use in small volumes. Micromotors are used in particular whenever the performance of the motor is not the focus, but rather rather the smallest possible size of the components. With such motors, it is naturally difficult for the person skilled in the art to arrange the individual components with one another with very small tolerances. This applies in particular to the design of the rotor if the rotor has a magnet. The rotor according to EP 0 605 573 B1 has a steel shaft on which the permanent magnet (s) are placed. Two-pole permanent magnets must be drilled through accordingly in order to be placed on the steel shaft.
Starting from this prior art, the invention is based on the object of specifying a rotor for a micromotor which, in addition, can be produced more cost-effectively with better manufacturing quality.
This object is achieved according to the invention for a rotor for a micromotor of the type mentioned at the outset in that the shaft is divided into two shaft ends which are not directly adjacent to one another and in that the rotor section which has the permanent magnet is inextricably linked to the two shaft ends.
By dividing the shaft, it is possible to do without drilling through the permanent magnet. This work is particularly complex and leads to high costs for achieving an unbalanced running of the rotor.
The permanent magnet is advantageously used in a hollow housing which forms the shaft itself in the region of the windings. If the housing has at least one opening through which an adhesive or a screw is inserted in order to connect the permanent magnet to the housing in a rotationally fixed manner, an imbalance can be avoided by appropriate processing without the magnetic material having to be processed. The small size of the micromotors according to the invention thus results in considerable advantages in the tolerances that can be achieved in production.
In another advantageous embodiment, the permanent magnet has two axial end faces, which are permanently connected to the associated axial end faces of two shaft ends, in particular are bonded to one another or laser-welded. Imbalance is then reliably reduced by the boundary surfaces running perpendicular to the shaft when the axial end surfaces of the permanent magnet and shaft ends have complementary interlocking centering elements, such as tongue and groove.
Further advantageous embodiments of the invention are characterized in the dependent claims.
The micromotor according to the invention will now be explained in more detail using two preferred exemplary embodiments of the rotor with the aid of the accompanying drawings. Show it:
1 shows a cross section through a micromotor with an inventive rotor according to a first embodiment,
2 shows a cross section through a micromotor with a rotor according to the invention in accordance with a second exemplary embodiment, and
3 shows a partially sectioned side view of the rotor according to FIG. 2.
1 shows a cross section through a micromotor with a rotor according to a first exemplary embodiment of the invention. The micromotor comprises a housing 1, which advantageously consists of a soft magnetic material. The housing 1 is hollow cylindrical and accommodates the actual motor. The motor, which drives a shaft 2 protruding from the housing 1 in a rotation about the axis 3, has a rotor 4 which has a cylindrical permanent magnet 14. The permanent magnet 14 is magnetized diametrically, i.e. its magnetic poles are located on opposite sides in the peripheral region.
The permanent magnet 14 can also have more magnetic poles, which are distributed equidistantly in the circumferential area, as long as only the magnetic field in the area of the rotor and in a slot 43 is oriented essentially in a radial plane to the shaft 2.
The shaft 2 is divided into two shaft ends 21 and 22, each of which is supported on the shaft 3 separately on both sides by the permanent magnet 14. The shaft end 21 has a cylindrical, flange-like, somewhat larger diameter than the shaft 2 area 5. The area 5 serves on the one hand as an annular shoulder for supporting the ball bearing 6, which is inserted into the housing 1 in a press fit. On the other hand, the area 5 of the shaft end 21 has an axial end surface 31 which is non-detachably connected to one axial end surface 41 of the permanent magnet 14 in contact. In particular, this surface 41 of the permanent magnet 14 can be glued or laser-welded to the associated end surface 31 of the shaft end 21.
The rotor 4 with its permanent magnet 14 is separated from the essentially hollow cylindrical winding body 7 via a small annular slot 43. At least two, preferably three coils 8 are wound on the winding body 7. The wire ends of the coils 8 are brought to contact pins 9 through bores provided in the winding support 7 and are electrically connected to them, preferably welded or soldered.
The shaft end 22 is mounted in a slide bearing 10 on the side opposite the shaft end 21. The shaft end 22 has a flange-like enlargement 15, which is configured similarly to the area 5. This flange 15, which, however, does not serve as a shoulder, likewise has an axial end surface 32 which is non-detachably connected in contact with a second axial end surface 42 of the permanent magnet 14. In particular, this surface 42 of the permanent magnet 14 can be glued or laser-welded to the associated end surface 32 of the shaft end 22.
In addition to the bearings 6 and 10 shown, two ball bearings or two plain bearings can also be provided. It is also possible to design the winding support 7 in one piece and to insert and store the shaft end 22 directly in a circular recess.
The following advantageous method of manufacturing the micromotor results. The bobbins 8 are placed on the winding body 7 and electrically connected to the wire pins 9, preferably welded or soldered. The permanent magnet 14 is attached to the shaft ends 21 and 22 and the ball bearing 6 is placed on the shaft 2 from the other side of the thickening 5. The winding body 7 and shaft 2 with roller bearings 6 are then inserted into a housing 1 from opposite sides and preferably pushed in as far as possible in a press fit. This results in a secure and low-friction fit of the rotor in the stator.
The permanent magnet 14 advantageously has in its end faces 41 and 42 central recesses, not shown in the drawing, into which correspondingly complementary tips of the regions 5 and 15 extend. This enables self-centering. Any remaining unbalance should be reduced by machining the flanges 5 or 15.
FIG. 2 shows a cross section through a micromotor with a rotor according to the invention in accordance with a second exemplary embodiment of the invention. Identical features are identified in all figures with the same reference symbols. In the exemplary embodiment shown, the structure of the stator is essentially identical to the micromotor according to FIG. 1. This means that the electrical connections 9, the coil 8 and the winding body 7 are configured identically. A second slide bearing 16 is provided only in the area of the shaft end 21.
The permanent magnet 24, shown in dashed lines, is inserted on the axis 3 in a hollow cylindrical container 25. This container 25 and its interaction with the magnet 24 is shown in FIG. 3. It should also be pointed out that a well-centered container 25 makes it possible to provide a very narrow slot 43 between the container 25 and thus the permanent magnet 24 and the coil carrier 7 with the coils 8.
FIG. 3 shows a partially sectioned side view of the rotor according to FIG. 2. The lower section shows the uncut side view with the shaft ends 21 and 22 and the hollow container 25. The cylindrical permanent magnet 24 is inserted in the hollow container 25. The container housing 25 has two axially spaced openings 26 in the same angular position to one another. There could also be only one opening or several, which can also be distributed over the entire circumference of the container 25.
In the two openings 26, screws (not shown) can be inserted, with which the permanent magnet 24 can be locked in the container 25, so that it is arranged in a rotationally fixed manner relative to the shaft 2. It is also possible to allow an adhesive to flow through the opening 26 into the cavity between the permanent magnet 24 and the inner wall 27 of the housing, so that the rotationally fixed connection is produced in this way. It is important in any case that the housing inner wall 27 is made very thin, since it contributes to the size of the slot 43 between the permanent magnet 24 and the coils 8.
The housing 25 can in particular be designed in two halves and, after the permanent magnet 24 has been inserted, can be placed on grooves in the shaft ends 21 and 22. The housing can also include the shaft ends 21 and 22 and thus consist of two sections 21 and 22, each half-cylindrical, and two half-cylindrical sections in section 25, which are inserted into one another after inserting the permanent magnet 24 and thus the complete rotor 4 of three Form elements.
In the assembled state, in both exemplary embodiments, the three windings are located at the periphery between the winding body 7 and the smooth inner wall of the housing 1. The stator is therefore without pole shoes. The shaft 2 with the permanent magnet 14 or 24 of the rotor 4 can rotate inside the winding body, which, however, is preferably very thin-walled in order to keep the air gap between the rotor and the stator as small as possible.
The housing 1 consists, for example, of a commercially available Fe-Ni alloy, the soft magnetic housing 1 being part of the stator, since the magnetic flux is closed in it. The permanent magnets are made, for example, of an intermetallic compound, e.g. Magnesium bismuth, platinum-cobalt, compounds with rare earths or from an Nd compound, for example Nd-Fe-Bo.
The coils or windings can and are preferably fed with three pulse signals which are phase-shifted by 120 ° and at least approximately preferably rectangular or sinusoidal, for example 1 to 12 volts, in order to produce a synchronous motor.
However, the micromotor can operate in a manner known per se as a collectorless DC motor with commutation circuits, which can be accommodated, for example, in a separate module in the area near the contact pins 9. The micromotor can also work with only two diametrically arranged coils 8 or otherwise with more than three coils 8 evenly distributed on the circumference of the stator, with or without a coil former. The air gap between permanent magnet 14 or housing 25 and the coils is preferably 0.05 mm up to 0.3 mm. The air gap between the magnet and the housing 1 is, for example, 0.4 mm to 1.2 mm, but preferably 0.2 mm to 0.8 mm.
These numbers refer to a micromotor with an outer diameter of the housing between 3 and 6 mm. Further refinements of the rotor of the micromotor are familiar to the person skilled in the art and do not depart from the scope of the invention as set out in the appended claims.