DE102021107977A1

DE102021107977A1 - Bürstenloser Spindelmotor

Info

Publication number: DE102021107977A1
Application number: DE102021107977.2A
Authority: DE
Inventors: Chunhui Gu
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Spindelmotor mit einem feststehenden Motorbauteil (10, 10a) und einem drehbaren Motorbauteil (16, 18), das mittels eines Wälzlagersystems (12, 14) gelagert und von einem elektromagnetischen Antriebssystem (22, 24) drehbar antreibbar ist, wobei das elektromagnetische Antriebssystem eine an dem feststehenden Motorbauteil angeordnete Statoranordnung (22) und einen am drehbaren Motorbauteil angeordneten Permanentmagneten (24) umfasst, wobei die axiale Höhe (hs) der bewickelten Statoranordnung (22) zwischen 20% und 30% der Gesamthöhe (hMot) des Spindelmotors beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Spindelmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere zum Antrieb eines Laserscanners, beispielsweise eines LIDAR-Systems (Light Detection and Ranging).
Spindelmotoren für den Einsatz in Laserscannern müssen für hohe Lasten und Leistungen ausgelegt werden und haben in der Regel eine relativ große Bauhöhe im Vergleich zum Motordurchmesser.
Auf Grund des magnetischen Designs haben die bekannten Spindelmotoren ein hohes Rastmoment, was zu unerwünschten Vibrationen und Geräuschemissionen führen kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen bürstenlosen Spindelmotor, insbesondere zum Antrieb eines Laserscanners, hinsichtlich seiner Laufruhe und Leistung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch einen bürstenlosen Spindelmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bürstenlose Motoren weisen einen mit elektrisch leitendem Wickeldraht bewickelten Stator sowie einen mit einem Permanentmagneten versehenen Rotor auf.
Gemäß der Erfindung beträgt die axiale Höhe der bewickelten Statoranordnung des Spindelmotors zwischen 20% und 30% der Gesamthöhe des Spindelmotors.
Auf Grund der größeren Bauhöhe der Statoranordnung im Vergleich zu bisherigen Motordesigns kann auch die axiale Höhe des Permanentmagneten größer ausgebildet werden.
Vorzugsweise besteht der Permanentmagnet aus einem ringförmigen Seltene-Erden-Magnet.
Aufgrund des Designs und der damit erreichbaren größeren Bauhöhe des magnetischen Antriebssystems können die Leistungsaufnahme und das Rastmoment optimiert werden.
Der Spindelmotor ist vorzugsweise als Außenläufer ausgebildet, wobei das Magnetsystem von einem glockenförmigen, drehbaren Motorbauteil umgeben ist.
Hierbei ist es bevorzugt, wenn die axiale Höhe des drehbaren Motorbauteils mindestens 80 % von dessen Durchmesser beträgt. Das drehbare Motorbauteil bestimmt im Wesentlichen die Gesamthöhe des Spindelmotors, wobei die axiale Höhe der Statoranordnung sich über einen relativ großen Anteil der Gesamthöhe des drehbaren Motorbauteils erstreckt.
Der Durchmesser der Statoranordnung ist an den Durchmesser des Spindelmotors angepasst. Vorzugsweise beträgt die axiale Höhe des Statorkerns der Statoranordnung zwischen 14% und 23% von dessen Durchmesser.
Insbesondere wird es bevorzugt, wenn die axiale Höhe des Statorkerns mindestens 4,9 mm +/- 20 % beträgt. Die axiale Höhe der bewickelten Statoranordnung beträgt vorzugsweise etwa 8,0 mm. Die axiale Höhe des Permanentmagneten beträgt vorzugsweise 6,3 mm.
Bei dem erfindungsgemäßen Spindelmotor handelt es sich bevorzugt um einen Motor mit 8 Permanentmagnetpolen und 12 Statornuten. Als Lageranordnung ist vorzugsweise ein Wälzlager vorgesehen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungsfigur näher beschrieben. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.

1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor.

Der Spindelmotor ist auf einem Motorflansch 10 aufgebaut, der eine angeformte Hülse 10a aufweist, in welcher ein unteres und ein oberes Wälzlager 12, 14 in einem axialen Abstand befestigt sind.
Mittels der beiden Wälzlager 12, 14 ist eine Welle 16 relativ zur Hülse 10a drehbar gelagert.
Ein Ende der Welle 16 schließt mit dem unteren Wälzlager 12 ab und endet innerhalb der Hülse 10a, die an diesem Ende durch eine Abdeckung 28 verschlossen ist.
Das andere Ende der Welle 16 erstreckt sich über die obere Stirnseite der Hülse 10a hinaus und ist mit einer Nabe 18 verbunden, die glockenförmig ausgebildet ist und in ihrem Inneren die Welle 16 und einen Großteil der Hülse 10a bis hinunter zum Motorflansch 10 aufnimmt.
Zwischen dem inneren Lagerring des oberen Wälzlagers 14 und einer unteren Fläche der Nabe 18 ist eine Druckfeder 20 angeordnet, die in Richtung des Motorflansches 10 auf die Nabe 18 wirkende axiale Kräfte aufnimmt. Die Druckfeder 20 dreht sich zusammen mit dem Innenring des Wälzlagers 14, der Welle 16 und der Nabe 18.
Der Motorflansch 10 und die Hülse 10a bilden zusammen mit einer an der Hülse 10a befestigten Statoranordnung 22 das feststehende Motorbauteil, während die Welle 16, die Nabe 18 sowie ein an der Nabe 18 befestigter Permanentmagnet 24 das drehbare Motorbauteil bilden.
Die Statoranordnung 22 ist an einer äußeren Umfangsfläche der Hülse 10a des Motorflansches 10 befestigt und besteht aus einem Statorkern 22a und darauf angeordneten Statorwicklungen 22b.
Der Statorkern 22a umfasst in bekannter Weise mehrere aufeinander gestapelte und laminierte Statorbleche und weist im vorliegenden Beispiel zwölf Statorzähne mit zwölf dazwischen liegenden Nuten auf. Der Statorkern 22a besteht beispielsweise aus 14 Statorblechen mit je 0,35 mm Dicke.
Auf den Statorzähnen des Statorkerns 22a sind die Wicklungen 22b angeordnet. Jeder Statorzahn ist mit beispielsweise 20 Windungen mit einem Draht von 0,335 mm Durchmesser bewickelt. Hierbei beträgt die Drehmomentkonstante Kt = 7 +/- 7% (mNm/A).
Es können auch je Statorzahn 36 Windungen mit einem Wicklungsdraht von 0,28 mm Durchmesser vorgesehen sein. Hierbei kann eine Drehmomentkonstante von Kt = 12,6 +/- 7% (mNm/A) erreicht werden.
Der Stator ist dabei vorzugsweise in Sternschaltung gewickelt. Der Wicklungswiderstand beträgt (gemessen zwischen zwei Phasen bei 25 Grad Celsius) zwischen 0,6 Ohm und 1,3 Ohm. Ferner beträgt die Motorkonstante Km bevorzugt zwischen 5,5 mNm/(A√Ω) und 9,9 mNm/(A√Ω).
Der Permanentmagnet 24 ist radial gegenüberliegend der Statoranordnung 22 an der Nabe 18 angeordnet und von der Statoranordnung 22 durch einen Luftspalt getrennt.
Der Permanentmagnet 24 ist zusammen mit einem ferromagnetischen Rückschlussring 26 an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 18 befestigt. Die Verwendung eines Rückschlussringes 26 ist vorteilhaft, da die Nabe 18 vorzugsweise aus Aluminium besteht. Bei Verwendung einer Nabe 18 aus ferromagnetischem Material kann der Rückschlussring 26 entfallen.
Erfindungsgemäß beträgt die axiale Höhe hs der bewickelten Statoranordnung 22 zwischen 20% und 28% der Gesamthöhe h_Mot des Spindelmotors. Die Gesamthöhe h_Mot des Spindelmotors beträgt in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise 33,5 mm, wobei die bewickelte Statoranordnung 22 eine Höhe hs von vorzugsweise 8 mm aufweist. Im vorliegenden Fall beträgt das Verhältnis zwischen der Höhe hs der bewickelten Statoranordnung 22 und der Gesamthöhe h_Mot des Spindelmotos etwa 24 %. Die Höhe h_M des Permanentmagneten 24 beträgt vorzugsweise 6,3 mm.
Der Spindelmotor ist insbesondere hochbauend ausgebildet, wobei die axiale Höhe der Nabe 18 mindestens 80 % von deren Durchmesser beträgt.
Es handelt sich um einen Spindelmotor, der für Nenndrehzahlen von vorzugsweise zwischen 8000 und 12 000 Umdrehungen pro Minute und Betriebsspannungen von 12 bis 24 Volt ausgelegt ist.
Bezugszeichenliste

10: Motorflansch
10a: Hülse
12: Wälzlager
14: Wälzlager
16: Welle
18: Nabe
20: Druckfeder
22: Statoranordnung
22a: Statorkern
22b: Statorwicklung
24: Permanentmagnet
26: Rückschlussring
28: Abdeckung
hS: axiale Höhe der Statoranordnung
hM: axiale Höhe des Permanentmagneten
hMot: Gesamthöhe des Spindelmotors

Claims

Bürstenloser Spindelmotor mit einem feststehenden Motorbauteil (10, 10a) und einem drehbaren Motorbauteil (16, 18), das mittels eines Wälzlagersystems (12, 14) gelagert und von einem elektromagnetischen Antriebssystem (22, 24) drehbar antreibbar ist, wobei das elektromagnetische Antriebssystem eine an dem feststehenden Motorbauteil angeordnete Statoranordnung (22) und einen am drehbaren Motorbauteil angeordneten Permanentmagneten (24) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe (hs) der bewickelten Statoranordnung (22) zwischen 20% und 30% der Gesamthöhe (h_Mot) des Spindelmotors beträgt.
Bürstenloser Spindelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Motorbauteil eine Nabe (18) umfasst, wobei die axiale Höhe der Nabe (18) mindestens 80% des maximalen Durchmessers der Nabe (18) beträgt.
Bürstenloser Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe (hs) des Statorkerns (22a) zwischen 14% und 23% von dessen Durchmesser beträgt.
Bürstenloser Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe (hs) des Statorkerns (22a) 4,9 mm +/- 20% beträgt.
Bürstenloser Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe (h_M) des Permanentmagneten (24) 6,3 mm +/- 20% beträgt.
Bürstenloser Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelmotor 8 Permanentmagnetpole und 12 Statornuten aufweist.
Bürstenloser Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelmotor einen kunststoffgebundenen Selten-Erd-Ringmagnet enthält.
Bürstenloser Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung eine Anzahl von 20 ± 5 Windungen und einen Drahtdurchmesser von 0,26 - 0,35 mm hat.
Bürstenloser Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl zwischen 6500 - 12000 U/min, vorzugsweise 8000 U/min, bei Betriebsspannung von 6,2 - 28 V, nominal 12 V, je nach Betriebstemperatur und Drehzahl liegt.
Bürstenloser Spindelmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor eine Drehmomentkonstante Kt von 7 ± 10% mNm/A und einen Phasen-Phasen-Widerstand von zwischen 0,6 Ohm und 1,3 Ohm hat und die Motorkonstante Km zwischen 5,5 mNm/(A√Ω) und 9,9 mNm/(A√Ω) beträgt.
Laserscanner mit einem Laser-Emitter und einem drehbaren Spiegel, angetrieben von einem bürstenlosen Spindelmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.