DE10000400A1 - Mit Wechselstrom angetriebener bürstenloser Gleichstrommotor für ein Gebläse - Google Patents

Mit Wechselstrom angetriebener bürstenloser Gleichstrommotor für ein Gebläse

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor für ein Gebläse. Der bürstenlose Gleichstrommotor hat einen Rotor 1, einen Stator 2, eine Treiberschaltung 44 und eine Konversionsschaltung 54. Der Eingang der Konversionsschaltung 54 ist mit einer Wechselstromquelle verbunden. Die Konversionsschaltung 54 erzeugt einen Abfall der Spannung der Wechselstromquelle, bevor sie an ein Sensorelement 43 und eine Treiberschaltung 44 gelangt. Die Treiberschaltung 44 gibt abwechselnd einen Strom mit positiver/negativer Polarität ab, so daß die Spule 22, 72 des Stators 2 alternierend vom Strom durchflossen wird, wodurch ein wechselndes magnetisches Feld für den Antrieb des Rotors 1 erzeugt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit Wechselstrom angetriebenen bürstenlosen Gleichstrommotor für ein Gebläse.
Der technische Fortschritt erlaubt es, bürstenlose Gleichstrommotoren für Gebläse klein, leicht und kompakt mit genügender Stabilität in einer Massenproduktion herzustellen. Obwohl sie eine große Verwendung finden, sind sie für den Haushalt noch nicht geeignet, da sie nicht mit dem in einem gewöhnlichen Haushalt verfügbaren Wechselstrom angetrieben werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen bürstenlosen Gleichstrommotor für ein Gebläse zu schaffen, der nicht auf Gleichstrom beschränkt ist, so daß der miniaturisierte bürstenlose Gleichstrommotor eine größere Anwendung findet.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen in den Ansprüchen gelöst.
Der erfindungsgemäße bürstenlose Gleichstrommotor für ein Gebläse hat eine Konversionsschaltung zur Umwandlung des Wechselstroms zum Anschluss an ein Sensorelement und eine Treiberschaltung. Daher ermöglicht die Treiberschaltung, daß der Strom für die Motorspule abwechselnd mit positiver/negativer Polarität geleitet wird, wodurch wechselnde magnetische Felder erzeugt werden, die mit einem Permanentmagneten des Rotors zusammenwirken und bewirken, daß sich der Motor dreht.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die anhand der beigefügten Zeichnung erfolgt.
In der Zeichnung stellen dar:
Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht einer ersten Ausführungsform eines bürstenlosen Gleichstrommotors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Schnittansicht des Motors in Fig. 1,
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Schaltung für den Motor in Fig. 1,
Fig. 4 ein schematisches Diagramm der Schaltung für den Motor zur Veranschaulichung der Konversionsschaltung im einzelnen,
Fig. 5 eine perspektivische Explosionsansicht einer zweiten Ausführungsform des bürstenlosen Gleichstrommotors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 eine Schnittansicht des für ein Gebläse verwendeten Motors in Fig. 5,
Fig. 7 eine zweite Ausführungsform der Konversionsschaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8a ein Spannungswellendiagramm am Punkt A in Fig. 7,
Fig. 8b ein Spannungswellendiagramm am Punkt B in Fig. 7,
Fig. 8c ein Spannungswellendiagramm am Punkt C in Fig. 7,
Fig. 9 eine dritte Ausführungsform der Konversionsschaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und
Fig. 10 eine vierte Ausführungsform der Konversionsschaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, der im allgemeinen einen Rotor 1, einen Stator 2, ein Achsrohr 3, eine Treiberschaltungsplatte 4 und eine fixierte Platte 5 aufweist.
Der Rotor 1 hat einen ringförmigen Permanentmagneten 11 mit mehr als einem Satz Nord- und Südpole. Der Permanentmagnet 11 befindet sich um den Stator 2 herum für Induktionszwecke. Der Rotor 1 hat eine Welle 12, die drehbar in einem im Achsrohr 3 vorgesehenen Lager 31 angeordnet ist. Der Rotor 1 kann Flügel zur Bildung eines Flügelrads aufweisen. Alternativ hierzu kann die Welle 12 ein an ihrem Ende befestigtes Flügelrad aufweisen. Die Welle 12 hat an ihrem anderen Ende eine ringförmige Nut 13 für einen Eingriff eines Halteelements 6 (bspw. ein C-Clip), wodurch die Welle 12 an ihrem Ort gehalten wird.
Der Stator 2 hat Polplatten 21 mit einer um die (nicht bezeichneten) Polschenkel gewickelten Spule 22. Der Stator 2 hat ein mittiges Loch 23, in das sich das Achsrohr 3 erstreckt. Damit ist der Stator 2 mit dem Rotor 3 gekuppelt. Die Spule 22 des Stators 2 ist elektrisch mit einer Treiberschaltung auf der Treiberschaltungsplatte 4 verbunden und wird durch sie angesteuert.
Das Achsrohr 3 erstreckt sich durch das Rohr 23 des Stators 2 und ein Loch 41 in der Treiberschaltungsplatte 4 und greift in eine Nabe 41 auf der fixierten Platte 5. Das Lager 31 ist in dem Achsrohr zur drehbaren Lagerung der Welle 12 des Rotors angeordnet. Das Achsrohr 3 und die Nabe 51 auf der fixierten Platte 5 können, wenn gewünscht, einstückig ausgebildet sein.
Zusätzlich zu dem Loch 41 für das Achsrohr 3 weist die Treiberschaltungsplatte 4 die zur Bildung einer Treiberschaltung notwendigen elektrischen Elemente 42 auf. Die Treiberschaltungsplatte 4 hat ferner ein Sensorelement 43, um die Polarität des Permanentmagneten 11 zur Erzeugung eines Impulssignals zu erfassen, wodurch die Treiberschaltung einen Wechselstrom mit positiven und negativen Polaritäten an die Spule 22 des Stators 2 zur Erzeugung wechselnder magnetischer IC-Felder für den Antrieb des Rotors 1 abgeben kann.
Zusätzlich zur Nabe 51 für das Achsrohr 3 hat die fixierte Platte 5 die zur Bildung einer Konversionsschaltung notwendigen elektrischen Elemente 52. Die fixierte Platte 5 hat eine Netzleitung 53, die als Eingang für die Konversionsschaltung dient. Die Netzleitung 53 kann elektrisch mit dem Wechselstrom aus dem Haushaltsnetz verbunden sein. Ein Ausgang aus der Konversionsschaltung ist elektrisch mit der Treiberschaltung der Treiberschaltungsplatte 4 verbunden. Vorzugsweise ist die fixierte Platte 5 mit dem Gehäuse des Gebläses oder Motors einstückig ausgebildet.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht der Anordnung der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Achsrohr 3 erstreckt sich durch den Stator 2 und die Treiberschaltungsplatte 4 und steht in Eingriff mit der fixierten Platte 5. Das Lager 31 befindet sich innerhalb des Achsrohrs 3. Die Bohrung des Lagers 31 nimmt die Welle 12 auf, die durch das in die ringförmige Nut 13 der Welle 12 eingreifende Halteelement 6 am Ort gehalten wird. Der Rotor 1 und der Stator 2 sind somit miteinander verbunden. Der Permanentmagnet 11 des Rotors 1 befindet sich um den Stator 2 herum derart, daß der Rotor 1 relativ zum Stator aufgrund magnetischer Induktion drehbar ist. Die Welle 12 kann mit einem Flügelrad 14 derart verbunden sein, daß das Flügelrad 14 sich zusammen mit dem Rotor 1 drehen kann. Alternativ hierzu kann der Rotor 1 zur Bildung eines Flügelrads, wie oben erwähnt, Flügel aufweisen.
Fig. 3 und 4 zeigen ein Blockdiagramm und ein detailliertes schematisches Diagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung hat eine Konversionsschaltung 54, ein Sensorelement 43 und eine Treiberschaltung 44. Die Konversionsschaltung 54 hat ein Gleichrichterelement 541, ein Spannungsabfallelement 542 und ein Filterelement 543.
Der Wechselstrom wird durch das Gleichrichterelement 541 gleichgerichtet, worauf an dem Spannungsabfallelement 542 eine Spannung erzeugt wird. Die Spannungswellen werden gefiltert und durch das Filterelement 543 zur Bildung einer Gleichstromquelle mit niedrigerer Spannung geglättet. Die Gleichstromquelle ist elektrisch mit dem Sensorelement 43 und der Treiberschaltung 44 verbunden. Die Treiberschaltung 44 wirkt mit dem Sensorelement 43 zusammen, das die polare Änderung des Permanentmagneten 11 des Rotors 1 erfasst, um dadurch einen abwechselnd geleiteten Strom mit positiver/negativer Polarität an die Spule 22 zu führen. Ein wechselndes Magnetfeld wird auf diese Weise gebildet, um den Rotor 1 anzutreiben.
Außerdem können die Konversionsschaltung 54 und die Treiberschaltung 44 in einem integrierten Schaltungschip getrennt oder gemeinsam ausgeführt sein, um dadurch die Gesamtgröße des bürstenlosen Gleichstrommotors zu verkleinern und seinen Zusammenbau einfacher zu gestalten.
Fig. 5 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform des bürstenlosen Gleichstrommotors der Erfindung. Der Stator (nunmehr mit 7 bezeichnet) unterscheidet sich von dem der ersten Ausführungsform, und die Treiberschaltungsplatte 4 wurde weggelassen.
Wie in Fig. 5 veranschaulicht, hat der Stator 7 Polplatten 71 und eine Spule 72, wobei die Spule 72 eine einzige, axial zwischen den oberen und unteren Polplatten 71 gewundene Windung umfasst. Die Spule 22 des Stators 2 in der ersten Ausführungsform ist radial um die Polschenkel der Polplatten 21 gewickelt. Daher kann der Stator 7 in der zweiten Ausführungsform leichter hergestellt werden. Außerdem wurde die Treiberschaltungsplatte 4 weggelassen, und sind das Sensorelement 43 und die Treiberschaltung 44 auf der fixierten Platte 5 angeordnet. Die fixierte Platte 5 kann einstückig mit dem Gehäuse des Gebläses oder Motors ausgebildet sein.
Fig. 6 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform des bürstenlosen Gleichstrommotors der Erfindung. Wenn ein bürstenloser Gleichstrommotor ein höheres Drehmoment erfordert, kann der Motor mehr als einen auf dem Achsrohr 3 in Serie angeordneten Stator 7 aufweisen sowie mehr als ein Sensorelement für die Detektion. Auf diese Weise wird ein bürstenloser Gleichstrommotor, wie in Fig. 6 veranschaulicht, gebildet.
Fig. 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der Konversionsschaltung 54 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wobei eine Diode mit einer Wechselstromquelle in Reihe verbunden ist, um das Gleichrichterelement 541 zur Verarbeitung der Halbwellengleichrichtung bei dem Wechselstrom zu bilden. Ein Spannungsabfallelement 542, das aus einem Satz parallel geschalteter Widerstände besteht, ist für den Spannungsabfall in Reihe geschaltet, und ein Filterelement 543, das aus mindestens einem Filterkondensator besteht, ist parallel geschaltet, so daß eine Gleichspannung zum Antrieb des Gebläses mit bürstenlosem Gleichstrommotor erzeugt wird.
Fig. 5a zeigt eine Spannungswelle am Punkt A in Fig. 7, Fig. 8b eine Spannungswelle am Punkt B in Fig. 7 und Fig. 8c eine Spannungswelle am Punkt C in Fig. 7. Die Spannungswelle der Wechselstromquelle am Punkt A ist in Fig. 8a dargestellt. Nach Gleichrichtung durch das Gleichrichterelement 541 (die Diode) hat die Spannungswelle am Punkt B die in Fig. 8b gezeigte Form. Nach Filterung und Glättung durch das Filterelement 543 hat die Spannungswelle am Punkt C die in Fig. 8c dargestellte Form. Wie aus den Fig. 8a bis 8c ersichtlich wird die Wechselstromquelle nach dem Durchgang durch die Konversionsschaltung 54 in eine zuverlässige Gleichstromquelle zum Antrieb des Gebläses mit bürstenlosem Gleichstrommotor umgewandelt.
Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform der Konversionsschaltung 54 gemäß der vorliegenden Erfindung. Däs Spannungsabfallelement 542 der Konversionsschaltung 54 in dieser Ausführungsform hat die Form eines Transformators. Der Wechselstrom wird nach dem Spannungsabfall durch das Gleichrichterelement 541 gleichgerichtet und dann letztendlich durch den Filterkondensator 543 gefiltert und geglättet, um die Spannungswellenform einzustellen. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Gleichstromquelle zum Antrieb des Gebläses mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor erhalten.
Fig. 10 zeigt eine vierte Ausführungsform der Konversionsschaltung 54 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform besteht das Filterelement 543 der Konversionsschaltung 54 aus einem Satz zur Filterung des Wechselstroms parallel geschalteter Kondensatoren. Das Filterelement 543 ist in Reihe mit einem Spannungsabfallelement 542 geschaltet, das für den Spannungsabfall aus einem Satz parallel geschalteter Widerstände besteht. Schließlich wird eine Zener-Diode 544 verwendet, um die Spannung für eine stabile Gleichstromquelle zum Antrieb des Gebläses mit dem bürstenlosem Gleichstrommotor einzustellen.
Gemäß der obigen Beschreibung kann der bürstenlose Gleichstrommotor nach der vorliegenden Erfindung direkt durch einen Wechselstrom angetrieben werden, wodurch sich ein größeres Anwendungsgebiet ergibt und der sich bei herkömmlichen bürstenlosen Gleichstrommotoren ergebende Nachteil vermieden wird.
Obwohl die Erfindung, wie oben geschehen, anhand ihrer bevorzugten Ausführungsform erläutert worden ist, versteht es sich für den Fachmann, daß zahlreiche Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Dieser ist in den anhängigen Ansprüchen niedergelegt, die derartige Modifikationen und Variationen abdecken sollen, die unter den Grundgedanken der Erfindung fallen.

Claims (30)

1. Mit Wechselstrom angetriebener Gleichstrommotor für ein Gebläse, mit:
einem Rotor (1) mit einer Welle (12) und einem Rotormagneten mit mindestens einem Satz Nord-und Südpole,
einem Stator (2) mit einer Vielzahl von Polplatten (21, 71) und einer Spule (22, 72), wobei der Stator (2) ein mittiges Loch (23) für ein zu umhüllenden Achsrohr (3) aufweist,
einem Achsrohr (3), in dem ein Lager (31) zur Drehlagerung der Welle angeordnet ist und das sich durch das mittige Loch (23) des Stators (2) erstreckt,
einer Treiberschaltungsplatte (4) mit einem Sensorelement (43) und einer Vielzahl von elektrischen Elementen (42) zur Bildung einer Treiberschaltung (44) und
einer fixierten Platte (5), auf der sich eine Vielzahl von elektrischen Elementen (52) zur Bildung einer Konversionsschaltung (54) befindet und die eine elektrisch an eine Wechselstromquelle anschließbare Netzleitung (53) aufweist,
wobei der Wechselstrom nach Gleichrichtung, Filterung und Glättung durch die Konversionsschaltung (54) in einen Gleichstrom umgewandelt wird, der die Treiberschaltung (44) antreibt und auf das Sensorelement (43) einwirkt, das die Änderung in der Polarität des Permanentmagneten (11) erfasst, um abwechselnd einen Strom mit positiver/negativer Polarität an die Spule (22, 72) des Stators (2) abzugeben, wodurch ein wechselndes magnetisches Feld für den Antrieb des Rotors (1) erzeugt wird.
2. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, wobei die Welle (12) des Rotors (1) an einem ihrer Enden eine ringförmige Nut (13) aufweist, ferner ein Haltelement (6) in die ringförmige Nut (13) greift, um die Welle (12) des Rotors (1) am Ort zu halten, und der Rotor (1) durch die in dem Lager (31) aufgenommene Welle (12) drehbar gelagert ist.
3. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 2, wobei die Welle (12) des Rotors (1) an dem zur ringförmigen Nut (13) entgegengesetzten Ende ein Flügelrad (14) aufweist, das sich mit dem Rotor (1) dreht.
4. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, wobei der Rotor (1) zur Bildung des Flügelrads (14) eine Vielzahl von Flügeln aufweist.
5. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, wobei die fixierte Platte (5) zur Befestigung des Achsrohrs (3) eine Nabe (51) aufweist.
6. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 5, wobei die Nabe (51) der fixierten Platte (5) und das Achsrohr (3) einstückig ausgebildet sind.
7. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, wobei der Motor für das Gebläse ein Gehäuse aufweist, das einstückig mit der fixierten Platte (5) ausgebildet ist.
8. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, wobei mehr als zwei Statorsätze (2) um das Achsrohr (3) herum angeordnet und in Reihe geschaltet sind.
9. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 8, wobei die Treiberschaltung (44) mehr als ein Sensorelement (43) aufweist.
10. Mit Wechselstrom angetriebener bürstenloser Gleichstrommotor für ein Gebläse, mit:
einem Rotor (1) mit einer Welle (12) und einem Rotormagneten mit mindestens einem Satz Nord- und Südpole,
einem Stator (2) mit einer Vielzahl von Polplatten (21, 71) und einer Spule (22, 72), der ein mittiges Loch (23) für ein zu umhüllendes Achsrohr 3 hat,
einem Achsrohr (3), in dem ein Lager (31) zur Drehlagerung der Welle angeordnet ist und das sich durch das mittige Loch (23) des Stators (2) erstreckt,
einem Sensorelement (43) zur Erfassung einer Änderung in der Polarität des Permanentmagneten (11) des Rotors (1) und Aussendung eines Impulssignals in Abhängigkeit hiervon,
einer Treiberschaltung (44), deren Ausgang mit der Spule (22, 72) des Stators (2) verbunden ist und die das Impulssignal von dem Sensorelement (43) empfängt und abwechselnd einen Strom mit positiver/negativer Polarität an die Spule (22, 72) abgibt, wodurch ein wechselndes magnetisches IC-Feld zum Antrieb des Rotors (1) erzeugt wird, und
einer Konversionsschaltung (54), deren Eingang elektrisch an die Wechselstromquelle anschließbar ist, wobei der Wechselstrom nach einer Halbwellengleichrichtung oder Vollwellengleichrichtung durch die Konversionsschaltung (54) und Filterung durch die Konversionsschaltung (54) in einen Gleichstrom umgewandelt ist, der auf das Sensorelement (43) und die Treiberschaltung elektrisch einwirkt.
11. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 10, wobei die Welle (12) des Rotors (1) an einem ihrer Enden eine ringförmige Nut (13) aufweist, ferner ein Haltelement (6) in die ringförmige Nut (13) greift, um die Welle (12) des Rotors (1) am Ort zu halten, und der Rotor (1) durch die in dem Lager (31) aufgenommene Welle (12) drehbar gelagert ist.
12. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 11, wobei die Welle (12) des Rotors (1) an dem zur ringförmigen Nut (13) entgegengesetzten Ende ein Flügelrad (14) aufweist, das sich mit dem Rotor (1) dreht.
13. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 10, wobei der Rotor (1) zur Bildung des Flügelrads (14) eine Vielzahl von Flügeln aufweist.
14. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 10, wobei mehr als zwei Statorsätze (2) um das Achsrohr (3) herum angeordnet und in Reihe geschaltet sind.
15. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 14, wobei die Treiberschaltung (44) mehr als ein Sensorelement (43) aufweist.
16. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 10, wobei die Treiberschaltung (44) ein integrierter Schaltungschip ist.
17. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 10, wobei die Konversionsschaltung (54) ein integrierter Schaltungschip ist.
18. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 10, wobei die Treiberschaltung (44) und die Konversionsschaltung (54) gemeinsam in einem integrierten Schaltungschip untergebracht sind.
19. Mit Wechselstrom angetriebener Gleichstrommotor für ein Gebläse, mit:
einer Konversionsschaltung (54), mit einem den Wechselstrom gleichrichtenden Gleichrichterelement, einem Spannungsabfallelement (542), an dem die Spannung des gleichgerichteten Wechselstroms abfällt, und einem Filterelement (543), das die Spannungswelle aus dem gleichgerichteten Wechselstrom filtert und glättet, so daß eine stabile Gleichstromquelle zum Antrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors geschaffen wird.
20. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 19, wobei die Konversionsschaltung (54) ferner ein Element zum Regulieren der Spannung aufweist.
21. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 19, wobei das Element zum Regulieren der Spannung eine Zener-Diode ist.
22. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 19, wobei das Gleichrichterelement der Konversionsschaltung (54) mindestens eine Diode aufweist.
23. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 19, wobei das Spannungsabfallelement (542) der Konversionsschaltung (54) ein Widerstand ist.
24. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 19, wobei das Spannungsabfallelement (542) der Konversionsschaltung (54) mindestens zwei parallel geschaltete Widerstände aufweist.
25. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 19, wobei das Spannungsabfallelement (542) der Konversionsschaltung (54) ein Transformator ist.
26. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 19, wobei das Filterelement (543) der Konversionsschaltung (54) ein Kondensator ist.
27. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 19, wobei das Filterelement (543) der Konversionsschaltung (54) mindestens zwei parallel geschaltete Kondensatoren aufweist.
28. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 19, wobei die Treiberschaltung (44) in einem integrierten Schaltungschip vorliegt.
29. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 19, wobei die Konversionsschleife in einem integrierten Schaltungschip vorliegt.
30. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 19, wobei die Treiberschaltung (44) und die Konversionsschaltung (54) gemeinsam in einem integrierten Schaltungschip vorliegen.
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