DE10220130A1

DE10220130A1 - Kleinstmotor mit geringer Zahnverdrillung

Info

Publication number: DE10220130A1
Application number: DE10220130A
Authority: DE
Inventors: Wen-Shi Huang; Kuo-Cheng Lin; Shou-Te Yu; Chin-Hao Liu
Original assignee: Delta Electronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2001-05-07
Filing date: 2002-05-06
Publication date: 2002-12-05
Also published as: TW531112U; US20020171316A1; JP3595788B2; JP2002345178A; US6781277B2

Abstract

Ein Kleinstmotor mit niedrigem Versatzdrehmoment beinhaltet einen Stator, einen Rotor, eine erste und eine zweite magnetisch leitende Einheit und eine Spule. Die erste und die zweite magnetisch leitende Einheit sind jeweils aus einer Anzahl magnetisch leitender aufeinandergestapelter Schichten zusammengesetzt. Die magnetisch leitenden Schichten sind jeweils mit einer Anzahl asymmetrischer auskragender Zähne ausgebildet. Darüber hinaus ist mindestens eine der magnetisch leitenden Schichten in Bezug auf die anderen magnetisch leitenden Schichten umgekehrt angeordnet. Der Rotor ist an den Stator gekoppelt.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Kleinstmotor, insbesondere ei nen Kleinstmotor, der beim Betrieb ein niedriges Versatz drehmoment aufweist.

Hintergrund der Erfindung

Bei Permanentmagnetmotoren wird durch die magnetische Wech selwirkungsanziehungskraft zwischen den Permanentmagneten und den auskragenden Zähnen des Stators ein Versatzdrehmo ment erzeugt, wenn kein Strom zugeführt wird. Da die Rich tung des Versatzdrehmoments entgegengesetzt derjenigen des Laufdrehmoments ist, das nach Zufuhr von Strom erzeugt wird, muss das Laufdrehmoment ein wenig durch das Versatz drehmoment ausbalanciert werden, so dass der Motor zur Ro tation gebracht werden kann. Beim Betrieb von Motoren wirkt ein hohes Versatzdrehmoment als Hindernis für die Anfangs rotation des Motors, als Vibrationsursache und als Geräusch quelle. Es kann folglich die Lebensdauer des Motors verringern und die Steuerbarkeit verschlechtern.

Um das Problem zu lösen, sind die Konstruktionsziele des Standes der Technik allgemein darauf gerichtet, die Magne tisierung des Magneten zu optimieren oder eine optimale Form für den Stator zu finden. Bei den Verfahren für eine optimale Form sind komplexe Formeln erforderlich. Wie in den Fig. 1(a) und 1(b) gezeigt, ist in der US 6,044,737 eine Optimierung des Profils des Stators, der aus Silicium stahl gemacht ist, angegeben. In der Figur ist ein aus kragender Pol auf dem Stator entlang der Strichlinie pro filiert, der die Punkte P, C und G verbindet. Das Profil ist durch spezifische Formeln bestimmt.

Bei einem diametral gewickelten bürstenlosen Motor mit dia metralem Luftspalt, wie er in Fig. 1(a) gezeigt ist, folgt die Beziehung zwischen dem Winkel A des zentralen Bogens und dem Radius r des modifizierten Bogens aus der folgenden Formel:

wobei A die Hälfte des Winkels ist, der dem zentralen Bogen gegenüber liegt, N die Anzahl an auskragenden Polen angibt und b0 den der Nutöffnung gegenüberliegenden Winkel angibt. Darüber hinaus liegen die Radien R und r, wie in Fig. 1(b) gezeigt, vorzugsweise innerhalb der Grenzen, die durch die folgende Formel gegeben ist:

wobei R den Radius des zentralen Bogens anzeigt und t die Dicke an der Kante des Zahnabschnittes.

In einer anderen Art des Standes der Technik wird das "Schlitz-Pol-Verhältnis", dass das Verhältnis des Schlitz winkels und des Abstandswinkels angibt, optimiert, um das Versatzdrehmoment zu verringern. Wie in Fig. 1(c) gezeigt, wird in dem Taiwanesischen Patent 404621 ein axial gewick elter Motor mit Luftspalt angegeben, der eine Silicium stahlschicht 41 beinhaltet, die eine Anzahl auskragender Pole 43 aufweist. Jeder der auskragenden Pole 43 weist ein symmetrisches Profil auf, wie bspw. der in der Figur ge zeigte Bogen. Eine Öffnung 44 ist zwischen jedem der be nachbarten Polpaare ausgebildet. In diesem Patent, das in Fig. 1(c) gezeigt ist, liegt das Verhältnis des Öffnungs winkels (B-A) zum Abstandswinkel (durch B angedeutet) vor zugsweise zwischen 0,55 und 0,68.

Diese Motoren des Standes der Technik weisen jedoch viele Nachteile auf. Bspw. sind die Formeln für das Statorprofil ziemlich komplex, und dieses Profilgebungsverfahren ist für die Herstellung von Kleinstmotoren nicht adäquat. Somit sol lte eine neue Konstruktion angegeben werden, um das Ver satzdrehmomentproblem zu lösen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung gibt einen Kleinstmotor mit niedrigem Versatz drehmoment an. Die Konfiguration des erfindungsgemäßen Kleinstmotors ist viel einfacher als diejenige nach dem Stand der Technik. Darüber hinaus können im erfindungsgemä ßen Aufbau herkömmlicherweise eingesetzte Siliciumstahl schichten das funktionelle Erfordernis des Kleinstmotors erfüllen, wodurch Herstellungszeit und -kosten stark ver ringert werden. Ein neues Profil der Siliciumstahlschicht, das zu einer Kostenzunahme führt, ist somit nicht notwen dig.

Der erfindungsgemäße Kleinstmotor ist aus einem Stator und einem Rotor zusammengesetzt. Der Stator ist aus einer An zahl magnetisch leitender Schichten aufgebaut, die aufein andergeschichtet sind. Die magnetisch leitenden Schichten sind jeweils mit einer Anzahl asymmetrischer auskragender Zähne ausgebildet. Darüber hinaus ist eine der magnetisch leitenden Schichten im magnetisch leitenden Stapel in Bezug auf die anderen magnetisch leitenden Schichten umgekehrt angeordnet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschrei bung und einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen umfassend verständlich, in denen:

Fig. 1(a) die Siliciumstahlschicht zeigt, wie sie in einem herkömmlichen Motor mit diametralem Luftspalt ange ordnet ist;

Fig. 1(b) einen auskragenden Pol der in Fig. 1(a) ge zeigten Siliciumstahlschicht zeigt;

Fig. 1(c) eine Siliciumstahlschicht zeigt, die in ei nem herkömmlichen Motor mit axialem Luftspalt angeordnet ist;

Fig. 2(a) eine Explosionsansicht eines erfindungsgemä ßen Kleinstmotors zeigt;

Fig. 2(b) einen perspektivischen Querschnitt eines er findungsgemäßen Kleinstmotors zeigt;

Fig. 3(a) eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße magnetisch leitende Schicht zeigt;

Fig. 3(b) die perspektivische Ansicht eines erfin dungsgemäßen magnetisch leitenden Aufbaus zeigt; und

Fig. 3(c) einen erfindungsgemäßen Stator zeigt;

Fig. 3(d) eine örtlich vergrößerte Darstellung von Fig. 3(c) zeigt;

Fig. 4(a) das Verhältnis des Versatzdrehmoments und des Laufdrehmoments und des mechanischen Winkels eines her kömmlichen Motors darstellt;

Fig. 4(b) das Verhältnis des Versatzdrehmoments und des Laufdrehmoments und des mechanischen Winkels des er findungsgemäßen Kleinstmotors darstellt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Es wird auf die Fig. 2(a) und 2(b) Bezug genommen. Fig. 2(a) zeigt eine Explosionsansicht der Erfindung und Fig. 2(b) zeigt einen perspektivischen Querschnitt der Erfin dung. Der Kleinstmotor der Erfindung ist aus einem Stator 100 und einem Rotor 200 zusammengesetzt. Der Stator 100 ist aus einer ersten magnetisch leitenden Einheit 110, einer Spule 130 und einer zweiten magnetisch leitenden Einheit 120 zusammengesetzt. Die erste und die zweite magnetisch leitende Einheit 110, 120 sind jeweils aus einer Anzahl magnetisch leitender Schichten 115 zusammengesetzt, die aufeinandergestapelt sind. Die Spule 130 ist auf der ersten magnetisch leitenden Einheit 110 entlang einer (nicht ge zeigten) Achse angeordnet, die parallel zur (nicht gezeig ten) zentralen Achse der ersten magnetisch leitenden Ein heit 110 ist. Die Spule 130 ist mit mindestens einer (nicht gezeigten) Wicklung umwickelt. Die zweite magnetisch leitende Einheit ist axial auf der Spule angeordnet. Die Spule 130 und die erste und die zweite magnetisch leitende Einheit 110, 120 bilden somit einen Stator, der der Funktion eines axial gewickelten Motors angepasst ist.

Fig. 3(a) ist eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße magnetisch leitende Schicht. Jede der magnetisch leitenden Schichten ist auf einer zentralen Öffnung 140, bspw. einer runden Öffnung, und mehreren "asymmetrischen" auskragenden Zähnen 117 zusammengesetzt. Das Profil der Öffnung 140 weist ein geometrisches Zentrum 145 auf. Offensichtlich ist das geometrische Zentrum 145 der Mittelpunkt eines Kreises, wenn die Öffnung 140 rund ist. Der Ausdruck "asymmetrisch" kann auf mehrere verschiedene Arten erklärt werden. Bspw. bedeutet er, dass die Abstände von den Kanten des auskra genden Zahnes 117 zum geometrischen Zentrum 145 nicht kon stant sind, das heißt r1 ≠ r2. Alternativ bedeutet er, dass eine Seite des auskragenden Zahnes 117 breit ist und die an dere Seite schmal. Alternativ bedeutet er, dass jede Linie, die durch das Zentrum 145 verläuft, bspw. Linie X oder Y in der Figur, das Profil eines auskragenden Zahnes 117 nicht spiegelbildlich teilen kann.

Fig. 3(b) zeigt die perspektivische Ansicht der ersten er findungsgemäßen magnetisch leitenden Einheit 110 (oder der zweiten magnetisch leitenden Einheit 120). Die erste magne tisch leitende Einheit 110 weist eine Anzahl (bspw. zwei) magnetisch leitender Schichten 115 auf, die aufeinanderge stapelt sind, und mindestens eine der magnetisch leitenden Schichten 115 ist in Bezug auf die anderen umgekehrt ange ordnet. In der Figur ist die umgekehrte Anordnung mit durch gezogenen und gestrichelten Linien veranschaulicht. Es ist anzumerken, dass die obere und die untere Schicht 115a und 115b das selbe Profil aufweisen, aber umgekehrt angeordnet sind. Die Struktur der zweiten magnetisch leitenden Einheit 120 ist ähnlich derjenigen der ersten magnetisch leitenden Einheit 110, weswegen auf eine unnötige Beschreibung ver zichtet wird.

Auch die Struktur des Stators 100 ist in den Fig. 3(c) und 3(d) gezeigt. In der Ausführungsform können die erste und die zweite magnetisch leitende Einheit 110, 120 jeweils n auskragende Zähne 117 aufweisen, die auf den magnetisch leitenden Schichten 115 angeordnet sind, so dass der ganze Stator 100 mit 2n auskragenden Polen versehen ist, die durch die Zähne 117 gebildet werden. Die magnetisch lei tenden Schichten können aus permeablen Materialien, wie bspw. Siliciumstahl oder Nickelstahl, hergestellt sein.

Darüber hinaus ist der Rotor 200, wie in den Fig. 2(a) und 2(b) gezeigt, an den Stator 100 gekoppelt. Der Rotor 200 ist aus einer magnetischen Schicht 210, einem Eisenmantel 220 und einer Welle 230 zusammengesetzt. Die magnetische Schicht 210 ist an den Stator 100 entlang der (nicht ge zeigten) zentralen Achse desselben gekoppelt. Der Eisen mantel 220 bedeckt die obere und die seitlichen Oberflächen der magnetischen Schicht 210. Die Welle 230 wird dazu ver wendet, den Rotor 200 an den Stator 100 zu koppeln. Darüber hinaus kann die Welle 230 so ausgebildet sein, dass sie aus dem Eisenmantel 220 vorsteht. In der Einheit ist die Welle 230 so angeordnet, dass sie durch die erste magnetisch lei tende Einheit 110, die Spule 130 und die zweite magnetisch leitende Einheit 120 hindurchtritt.

Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Kleinstmotor, wie in den Fig. 2(a) und 2(b) gezeigt, des Weiteren eine ge druckte Schaltung 150, eine Basis 300 und eine Buchse 500 aufweisen. Die Basis 300 trägt die gedruckte Schaltung 150, und die gedruckte Schaltung 150 weist einen Antriebs-IC und ein Hall-Element (nicht gezeigt) auf, welche dazu verwendet werden, den Stator anzutreiben bzw. das Magnetfeld des Sta tors zu detektieren.

In Fig. 2(a) ist die Basis 300 des Weiteren mit einem Rohr 350 für die Welle ausgestattet. Wie in der Figur gezeigt, ist das Rohr für die Welle an seiner äußeren Oberfläche mit der ersten magnetisch leitenden Einheit 110, der Spule 130 und der zweiten magnetisch leitenden Einheit 120 gekoppelt. Gleichwohl wird der Innenraum des Rohrs 350 für die Welle dazu verwendet, die Welle 500 aufzunehmen. Die Welle 230, die mit einem Ende mit dem Rotor 200 verbunden ist, ver läuft durch die Buchse 500, um den Rotor 200 an den Stator 100 zu koppeln.

In den Fig. 4(a) und 4(b) zeigt die Kurve 700 das erfin dungsgemäße Versatzdrehmoment an, währen die Kurve 600 das jenige eines herkömmlichen Kleinstmotors anzeigt. Gemäß den Kurven ist es offensichtlich, dass die Amplitude des Ver satzdrehmoments, die beim Betrieb des erfindungsgemäßen Mo tors gemessen wird, niedriger als diejenige des herkömmli chen Kleinstmotors. Darüber hinaus erfährt die Kurve des Versatzdrehmoments gemäß der Erfindung eine Frequenzver schiebung, wie dies in den Figuren dargestellt ist, so dass die Totpunkte des Kleinstmotors (bei denen einige der Punk te des Nulldurchlaufs des Versatzdrehmoments eines Motors und des Laufdrehmoments zusammenfallen, wie in Fig. 4(a) gezeigt) eliminiert werden und die Leistung des Motors ver bessert wird. Die Ausgestaltung der Stapelstruktur in den magnetisch leitenden Einheiten sorgt für einen Kleinstmotor mit besserer Effizienz bezüglich der Verringerung des Ver satzdrehmoments.

Während die Erfindung mit Bezug auf eine bevorzugte Ausfüh rungsform beschrieben wurde, ist sie nicht dafür gedacht, in beschränkendem Sinne ausgelegt zu werden. Es wird des halb betont, dass die beigefügten Ansprüche jegliche Modi fikationen oder Ausführungsformen umfassen, die in den Schutzbereich der Erfindung fallen können, welcher durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente definiert ist.

Claims

1. Kleinstmotor, aufweisend:
einen Stator, welcher folgendes aufweist:
eine erste magnetisch leitende Einheit, die eine Anzahl asymmetrischer magnetisch leitender aufeinan dergestapelter Schichten beinhaltet, wobei mindestens eine der magnetisch leitenden Schichten in Bezug auf die anderen magnetisch leitenden Schichten umgekehrt angeordnet ist;
eine Wicklung, die axial auf der ersten magne tisch leitenden Einheit angeordnet ist;
eine zweite magnetisch leitende Einheit, die auf der Spule angeordnet ist und eine Anzahl magnetisch leitender aufeinandergestapelter Schichten beinhaltet, wobei mindestens eine der magnetisch leitenden Schich ten in Bezug auf die anderen magnetisch leitenden Schichten umgekehrt angeordnet ist; und
einen Rotor, der an den Stator gekoppelt ist.

2. Kleinstmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung um eine Spule herum gewickelt ist.

3. Kleinstmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor folgendes aufweist:
eine an den Stator gekoppelte magnetische Schicht;
einen die magnetische Schicht bedeckenden Eisen mantel; und
eine den Rotor an den Stator koppelnde Welle.

4. Kleinstmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er folgendes aufweist:
eine Basis;
eine auf der Basis angeordnete und an die Welle gekoppelte Buchse; und
eine auf der Basis angeordnete gedruckte Schal tung, die den Stator antreibt und ein Magnetfeld des selben detektiert.

5. Kleinstmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis mit einem Rohr für die Welle ausgestat tet ist, das durch die erste magnetisch leitende Ein heit, die Spule und die zweite magnetisch leitende Einheit verläuft, wobei die Welle in dem Rohr für die Welle aufgenommen ist.

6. Kleinstmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch leitenden Schichten jeweils eine zentrale Öffnung aufweisen.

7. Kleinstmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der magnetisch leitenden Schichten eine An zahl auskragender Zähne aufweist, von denen jeder in asymmetrischer Form profiliert ist.

8. Kleinstmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch leitenden Schichten aus einem Ma terial hergestellt sind, das aus Siliciumstahl, Ni ckelstahl und einer Kombination derselben ausgewählt ist.

9. Kleinstmotor, aufweisend:
einen Stator, der folgendes aufweist:
eine erste magnetisch leitende Einheit, die eine Anzahl magnetisch leitender aufeinandergestapelter Schichten beinhaltet, von denen jede eine Anzahl asym metrischer auskragender Zähne aufweist, wobei mindes tens eine der magnetisch leitenden Schichten in Bezug auf die anderen magnetisch leitenden Schichten umge kehrt angeordnet ist;
eine Spule, die auf der ersten magnetisch leiten den Einheit angeordnet ist und mindestens eine Wick lung aufweist;
eine zweite magnetisch leitende Einheit, die auf der Spule angeordnet ist und eine Anzahl der aufeinan dergestapelten magnetisch leitenden Schichten beinhal tet, von denen jede eine Anzahl asymmetrischer auskra gender Zähne aufweist, wobei mindestens eine der mag netisch leitenden Schichten in Bezug auf die anderen magnetisch leitenden Schichten umgekehrt angeordnet ist; und
einen an den Stator gekoppelten Rotor.

10. Kleinstmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor folgendes aufweist:
eine an den Stator gekoppelte Magnetschicht;
einen die Magnetschicht bedeckenden Eisenmantel; und
eine den Rotor mit dem Stator koppelnde Welle.

11. Kleinstmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er folgendes aufweist:
eine Basis;
eine auf der Basis angeordnete und mit der Welle gekoppelte Buchse; und
eine auf der Basis angeordnete gedruckte Schal tung, die den Stator antreibt und ein Magnetfeld des selben detektiert.

12. Kleinstmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis mit einem Rohr für die Welle ausgestat tet ist, das durch die erste magnetisch leitende Ein heit, die Wicklung und die zweite magnetisch leitende Einheit verläuft, wobei die Welle in dem Rohr für die Welle aufgenommen ist.

13. Kleinstmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch leitenden Schichten jeweils eine zentrale Öffnung aufweisen.

14. Kleinstmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede der magnetisch leitenden Schichten eine An zahl auskragender Zähne aufweist, von denen jeder in asymmetrischer Form profiliert ist.

15. Kleinstmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch leitenden Schichten aus einem Ma terial hergestellt sind, das aus Siliciumstahl, Ni ckelstahl und einer Kombination derselben ausgewählt ist.

16. Motor, aufweisend:
einen Stator, der folgendes beinhaltet:
eine Anzahl aufeinandergestapelter asymmetrisch magnetisch leitender Schichten, wobei mindestens eine der magnetisch leitenden Schichten in Bezug auf die anderen magnetisch leitenden Schichten umgekehrt ange ordnet ist; und
eine an die Anzahl magnetisch leitender Schichten gekoppelte Wicklung; und
einen an den Stator gekoppelten Rotor.

17. Motor nach Anpruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass jede aus der Anzahl magnetisch leitender Schichten ei ne Anzahl asymmetrischer auskragender Zähne aufweist.