DE102019103127A1 - Elektromotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Elektromotor, insbesondere einem Spindelmotor, zum Betrieb bei einer Drehzahl von weniger als 1000 U/min, mit einem Stator (12), welcher eine Mehrzahl von Statorzähnen (14) aufweist, wobei um jeden der Statorzähne (14) jeweils eine Spule (16) in Form von Windungen eines Wickeldrahts (18) angeordnet ist, wobei eine oder mehrere Spulen (16) der selben Phase eine Phasenwicklung bilden, und mit einem Rotor (20), welcher einen ringförmigen Rotormagnet (22) mit Mehrzahl von Magnetpolen aufweist.Es wird vorgeschlagen, dass der Rotormagnet (22) acht Magnetpole und der Stator (12) zwölf Nuten (36) aufweist, wobei auf jedem der Statorzähne (14) jeweils 70 bis 95 Windungen des Wickeldrahts (18) angeordnet und derart ausgestaltet sind, dass ein elektrischer Phase-zu-Phase-Widerstand bei 25 °C einen Wert zwischen 5,5 Ohm und 9,5 Ohm aufweist, und dass eine Drehmomentkonstante kdes Elektromotors (10) einen Wert zwischen 25 mNm/A und 35 mNm/A aufweist.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen Spindelmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Es sind bereits Elektromotoren, insbesondere Spindelmotoren, mit einem Stator, welcher eine Mehrzahl von Statorzähnen aufweist, wobei um jeden der Statorzähne jeweils eine Spule in Form von Windungen eines Wickeldrahts angeordnet ist, bekannt. Dabei bilden eine oder mehrere Spulen derselben Phase eine Phasenwicklung. Zudem umfassen die bekannten Elektromotoren einen Rotor, welcher einen Rotormagnet mit Mehrzahl von Magnetpolen aufweist.
• Die bekannten Spindelmotoren zum Einsatz in Festplatten zeichnen sich insbesondere durch eine flache Bauweise, kleines Gewicht und minimale Rastmomente aus. Die typische Drehzahlen liegen bei 3600, 5400 oder 7200 Umdrehungen pro Minute oder höher. Die bisherigen Motorauslegungen in entsprechender Baugröße sind physikalisch bedingt für solche Drehzahlen von größer als 3600 Umdrehungen pro Minute optimiert.
• Aufgabe der Erfindung ist es einen gattungsgemäßen Elektromotor bereitzustellen, welcher gegenüber bekannten Elektromotoren mit vergleichbarer Baugröße bei vorteilhaft geringen Drehzahlen betrieben werden kann. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Offenbarung der Erfindung
• Die Erfindung geht aus von einem Elektromotor, insbesondere einem Spindelmotor, zum Betrieb bei einer Drehzahl von weniger als 1000 U/min, mit einem Stator, welcher eine Mehrzahl von Statorzähnen aufweist, wobei um jeden der Statorzähne jeweils eine Spule in Form von Windungen eines Wickeldrahts angeordnet ist, wobei eine oder mehrere Spulen der selben Phase eine Phasenwicklung bilden, und mit einem Rotor, welcher einen ringförmigen Rotormagnet mit Mehrzahl von Magnetpolen aufweist.
• Es wird vorgeschlagen, dass der Rotormagnet acht Magnetpole und der Stator zwölf Nuten aufweist, wobei auf jedem der Statorzähne jeweils 70 bis 95 Windungen des Wickeldrahts angeordnet und derart ausgestaltet sind, dass ein elektrischer Phase-zu-Phase-Widerstand bei 25 °C einen Wert zwischen 5 Ohm und 10 Ohm aufweist, und dass eine Drehmomentkonstante des Elektromotors k_t einen Wert zwischen 25 mNm/A und 35 mNm/A aufweist.
• Vorzugsweise ist der Elektromotor als ein dreiphasiger Elektromotor ausgebildet. Die Spulen sind vorzugsweise in drei symmetrische Phasen aufgeteilt und vorzugsweise in Sternschaltung miteinander verschaltet. Bei zwölf Nuten bzw. zwölf Statorzähnen umfasst jede Phase vier Spulen.
• Die Drehmomentkonstante k_t ist eine elektromechanische Konstante, welchen einen Teil der Leistungstransformation im Elektromotor beschreibt. Die Drehmomentkonstante k_t beschreibt das Verhältnis zwischen Motordrehmoment und aufgenommenem Strom.
• Für die Drehmomentkonstante k_t gilt: $$k_t=k_e=\frac{GegenEMK}{\frac{\pi }{30}\times n}=\frac{GegenEMK}{\omega }$$

  

  , wobei k_e der Generatorkonstante und n der Drehzahl des Elektromotors entspricht.
• Als Gegen elektromotorische Kraft (Gegen EMK) bezeichnet man die Spannung, die während des Betriebs des Elektromotors erzeugt wird. Ein sich drehender Elektromotor wirkt immer auch als Generator. Im Leerlauf erzeugt ein idealer Elektromotor exakt so viel Spannung selbst, wie als Versorgungspannung von außen anliegt. Bei einem realen Elektromotor ist die Gegen EMK fast genauso groß wie die an den Elektromotor angelegte Versorgungspannung und nur durch geringfügige Verluste beeinträchtigt. Die Gegen EMK ist proportional zu der Drehzahl des Elektromotors und unabhängig von der Last. Die Polarität der Gegen EMK ist der am Elektromotor anliegenden Versorgungsspannung entgegengesetzt.
• Für die Gegen EMK gilt: $$GegenEMK=k_t\times \frac{\pi }{30}\times n=k_t\times \omega$$

  
• Daraus ergibt sich, dass bei gegebener Gegen EMK eine Reduktion der Drehzahl n eine höhere Drehmomentkonstante k_t ermöglicht. Die Drehmomentkonstante k_t kann bei der Auslegung des Elektromotors insbesondere über die Anzahl der Windungen des Wickeldrahts auf den Statorzähnen festgelegt werden, wobei eine höhere Anzahl von Wicklungen zu einer größere Drehmomentkonstante k_t führt.
• Vorzugsweise ist der Elektromotor zu einem Einsatz als Spindelmotor für langsam drehende Anwendungen vorgesehen, wie beispielweise das Drehen von Spiegeln innerhalb eines LIDAR-Systems. Insbesondere kann der Elektromotor dazu vorgesehen sein, bei einer Drehzahl zwischen 100 U/min und 1000 U/min und vorzugsweise zwischen 100 U/min und 600 U/min betrieben zu werden. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Eine Betriebsspannung des Elektromotors beträgt vorzugsweise zwischen 5 V und 24 V.
• Der Wickeldraht weist vorzugsweise einen Drahtdurchmesser zwischen von 0,15 mm und 0,25 mm auf. Der Wickeldraht ist insbesondere als ein Kupferdraht ausgebildet. Besonders bevorzugt weist der Wickeldraht einen Drahtdurchmesser zwischen 0,16 mm und 0,21 mm auf.
• Durch eine derartige Ausgestaltung der Erfindung kann ein gattungsgemäßer Elektromotor mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich eines Betriebs bei vorteilhaft niedrigen Drehzahlen bereitgestellt werden. Insbesondere weist der Elektromotor bei niedrigen Drehzahlen eine vorteilhaft große Drehmomentkonstante k_t auf.
• Ferner wird vorgeschlagen, dass der Rotormagnet als kunststoffgebundener Seltenerdmagnet ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Rotormagnet insbesondere als kunststoffgebundener Neodym-Eisen-Bor-Magnet oder Samarium-Cobalt-Magnet ausgebildet sein. Vorzugsweise weist der Rotormagnet eine sinusförmige Magnetisierung auf. Kunststoffgebundene Seltenerdmagnete kommen insbesondere dann zur Anwendung, wenn z.B. mit Hartferriten magnetische Anforderungen nicht zu erfüllen sind oder gesinterte Seltenerdmetall-Magnete aus wirtschaftlichen oder fertigungstechnischen Gründen nicht in Frage kommen.
• Zudem wird vorgeschlagen, dass der Rotormagnet eine Höhe zwischen 4,5 mm und 5,8 mm aufweist. Vorzugsweise weist der Rotormagnet einen Außendurchmesser zwischen 25 mm und 35 mm auf. Besonders bevorzugt weist der Rotormagnet einen Außendurchmesser von 31 mm ± 1,5 mm auf. Hierdurch kann ein vorteilhaftes Zusammenspiel des Rotormagnets mit dem Stator ermöglicht werden.
• In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Stator aus paketierten Statorblechen besteht, wobei der Stator eine Höhe zwischen 2,5 mm und 4,5 mm aufweist. Besonders bevorzugt weist der Stator eine Höhe zwischen 2,8 mm und 4,2 mm auf. Insbesondere kann der Stator zwischen 8 und 12 Statorbleche umfassen, welche jeweils eine Dicke von 0,35 mm aufweisen. Die Statorbleche sind insbesondere genutet, so dass sie einfach gestapelt werden können. Die Statorbleche sind beispielsweise als Stanzteile ausgebildet, deren Form dem Querschnitt des Stators entspricht, und zu einem laminierten Blechstapel zusammengefügt. Auf diese Art und Weise können gute elektromagnetische Eigenschaften mit geringen Wirbelstromverlusten realisiert werden.
• Zudem wird vorgeschlagen, dass der Elektromotor einen Flansch umfasst, welcher eine zentrale Öffnung zur Aufnahme einer Rotorwelle aufweist, und zumindest zwei Kugellager umfasst, welche dazu vorgesehen sind, die Rotorwelle drehbar innerhalb der Öffnung zu lagern. Insbesondere sind die Kugellager als Radialkugellager ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann eine Lagerung der Rotorwelle auch mittels zumindest eines Gleitlagers und/oder mittels zumindest eines fluiddynamischen Lagers in Kombination mit einem Hochviskositätsöl erfolgen. Hierdurch kann eine vorteilhafte Lagerung der Rotorwelle bei niedrigen Drehzahlen gewährleistet werden.
• Der erfindungsgemäße Elektromotor soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Elektromotor zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
• Figurenliste
• Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
• Es zeigen:
• 1 eine Schnittdarstellung eines als Spindelmotor ausgebildeten
• Elektromotors und
• 2 eine Draufsicht eines Stators des Elektromotors und
• 3 eine Schnittdarstellung des Stators des Elektromotors.
• Beschreibung des Ausführungsbeispiels
• 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Elektromotors 10. Der Elektromotor 10 ist als ein Spindelmotor ausgebildet. Der Elektromotor 10 kann insbesondere zum Antrieb eines Spiegels innerhalb eines LIDAR-Systems vorgesehen sein. Der Elektromotor 10 umfasst eine Flansch 32, welcher eine zentrale Öffnung 34 zur Aufnahme einer Rotorwelle 36 aufweist. Innerhalb der Öffnung 34 sind zwei Kugellager 38, 40 angeordnet, welche dazu vorgesehen sind, die Rotorwelle 36 drehbar innerhalb der Öffnung 34 zu lagern.
• Der Elektromotor 10 ist als ein Außenläufer ausgebildet. Der Elektromotor 10 weist einen ein Stator 12 auf, welcher eine Mehrzahl von Statorzähnen 14 umfasst. 2 zeigt den unbewickelten Stator 12 in einer Draufsicht, 3 zeigt eine Schnittdarstellung des Stators 12 entlang der Schnittlinie A-A. Der Stator 12 ist drehfest an dem Flansch 32 angeordnet. Um jeden der Statorzähne 14 ist jeweils eine Spule 16 in Form von Windungen eines Wickeldrahts 18 angeordnet, wobei eine oder mehrere Spulen 16 der selben Phase eine Phasenwicklung bilden. Der Elektromotor 10 ist als dreiphasiger Elektromotor 10 ausgebildet. Die Spulen 16 sind in drei symmetrische Phasen aufgeteilt und in Sternschaltung miteiander verschaltet. Jede Phase weist vier Spulen 16 auf. Auf jedem der Statorzähne 14 sind jeweils 70 bis 95 Windungen des Wickeldrahts 18 angeordnet. Die Windungen des Wickeldrahts 18 sind derart ausgestaltet, dass ein elektrischer Phase-zu-Phase-Widerstand bei 25 °C einen Wert zwischen 5,5 Ohm und 9,5 Ohm aufweist. Der Wickeldraht 18 weist vorzugsweise einen Drahtdurchmesser zwischen von 0,16 mm und 0,21 mm auf.
• Der Stator 12 weist zwölf Nuten 36 auf, welche jeweils zwischen zwei der Statorzähne 14 angeordnet sind. Der Stator 12 besteht aus paketierten Statorblechen 30, wobei der Stator 12 eine Höhe 24 zwischen 2,8 mm und 4,2 mm aufweist. Der Stator 12 umfasst insbesondere zwischen acht und zwölf Statorbleche 30, welche eine Dicke von 0,35 mm aufweisen.
• Zudem umfasst der Elektromotor 10 einen Rotor 20, welcher einen ringförmigen Rotormagnet 22 mit Mehrzahl von Magnetpolen aufweist. Der Rotormagnet 22 weist vorzugsweise sinusförmige Magnetisierung auf. Der Rotormagnet 22 ist als kunststoffgebundener Seltenerdmagnet ausgebildet. Der Rotormagnet 22 des Rotors 20 weist acht Magnetpole auf. Der Rotormagnet 22 weist eine Höhe 26 zwischen 4,5 mm und 5,8 mm auf. Der Rotormagnet 22 ist an einem Innenumfang des Rotors 20 angeordnet. Der Rotor 20 ist an einem aus der Öffnung 34 herausstehenden Ende der Rotorwelle 34 angeordnet und drehfest mit der Rotorwelle 14 verbunden. Der Stator 12 liegt dem Rotormagneten 22 radial gegenüber und ist von diesem durch einen Luftspalt 42 getrennt. Durch eine entsprechende Bestromung der Spulen 16 des Stators 12 ergibt sich ein elektromagnetisches Drehfeld, welches auf den Rotormagneten 22 wirkt und den Rotor 20 in Drehung versetzt.
• Aufgrund der Konfiguration des Elektromotors 10 weist eine Drehmomentkonstante k_t des Elektromotors 10 einen Wert zwischen 25 mNm/A und 35 mNm/A auf. Ferner ermöglicht die Konfiguration einen Betrieb des Elektromotors 10 bei Drehzahlen von weniger als 1000 U/min, wodurch der Elektromotor 10 insbesondere auch zu einer Verwendung in LIDAR-Systemen geeignet ist.
• Bezugszeichenliste

10

Elektromotor

12

Stator

14

Statorzahn

16

Spule

18

Wickeldraht

20

Rotor

22

Rotormagnet

24

Höhe Stator

26

Höhe Rotormagnet

28

Nut

30

Statorblech

32

Flansch

34

Öffnung

36

Rotorwelle

38

Kugellager

40

Kugellager

42

Luftspalt

Claims (7)

1. Elektromotor, insbesondere Spindelmotor, zum Betrieb bei einer Drehzahl von weniger als 1000 U/min, mit einem Stator (12), welcher eine Mehrzahl von Statorzähnen (14) aufweist, wobei um jeden der Statorzähne (14) jeweils eine Spule (16) in Form von Windungen eines Wickeldrahts (18) angeordnet ist, wobei eine oder mehrere Spulen (16) der selben Phase eine Phasenwicklung bilden, und mit einem Rotor (20), welcher einen ringförmigen Rotormagnet (22) mit Mehrzahl von Magnetpolen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet (22) acht Magnetpole und der Stator (12) zwölf Nuten (36) aufweist, wobei auf jedem der Statorzähne (14) jeweils 70 bis 95 Windungen des Wickeldrahts (18) angeordnet und derart ausgestaltet sind, dass ein elektrischer Phase-zu-Phase-Widerstand bei 25 °C einen Wert zwischen 5,5 Ohm und 9,5 Ohm aufweist, und dass eine Drehmomentkonstante k_t des Elektromotors (10) einen Wert zwischen 25 mNm/A und 35 mNm/A aufweist.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet (22) als kunststoffgebundener Seltenerdmagnet ausgebildet ist.
3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormagnet (22) eine Höhe (26) zwischen 4,5 mm und 5,8 mm aufweist.
4. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12) aus paketierten Statorblechen (30) besteht, wobei der Stator (12) eine Höhe (24) zwischen 2,8 mm und 4,2 mm aufweist.
5. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldraht (18) einen Drahtdurchmesser zwischen 0,16 mm und 0,21 mm aufweist.
6. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betriebsspannung des Elektromotors (10) zwischen 5 V und 24 V beträgt.
7. Der Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Flansch (32), welcher eine zentrale Öffnung (34) zur Aufnahme einer Rotorwelle (36) aufweist, und zumindest zwei Kugellager (38, 40), welche dazu vorgesehen sind, die Rotorwelle (36) drehbar innerhalb der Öffnung (34) zu lagern.

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