DE19539583A1 - Pancake-type electric motor e.g. for indication/display applications - Google Patents

Pancake-type electric motor e.g. for indication/display applications

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Abstract

The permanent magnetic rotor (1) is formed as a hollow cylinder, and the rotor has radially alternating oppositely directed magnet zones distributed around the circumferential direction. A stator (2,3) is provided both on the inside and on the outside of the rotor. Each stator has several poles distributed around the circumference. The stators have coils (4 to 11). In one embodiment the pole of one stator is offset with respect to the pole of the other stator .

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem permanentmagnetischen Rotor.The invention relates to an electric motor with a permanent magnetic rotor.

Elektromotoren mit permanentmagnetischem Rotor sind für viele Anwendungen in einer großen Vielfalt von Bauformen bekanntgeworden. Durch eine Bestromung der Spulen mit Hilfe von elektronischen Schaltungen ist eine vorteilhafte Anwendung derartiger Motore für Stell- und Anzeigezwecke möglich. Dabei werden die Elektromotoren häufig als Schrittmotoren betrieben, bei welchen pro zugeführtem Stromimpuls ein durch die Anzahl der Pole vorgegebener Winkel zurückgelegt wird und zur genaueren Positionierung ein Mikroschrittbetrieb möglich ist.Electric motors with a permanent magnetic rotor are for many applications in a wide variety of designs known. By energizing the coils with the help of electronic circuits is an advantageous one Use of such motors for positioning and display purposes possible. The electric motors are often called Stepper motors operated, with each supplied Current pulse a predetermined by the number of poles Angle is covered and for more precise positioning micro-stepping is possible.

Insbesondere für Anzeigezwecke wird neben einer kostengünstigen Fertigung ein flacher Aufbau der Antriebseinrichtung - also auch des Elektromotors - benötigt. Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Forderungen bei einer einfachen Herstellbarkeit mit wenigen Einzelteilen und bei guter Magnetnutzung zu erfüllen.In particular for display purposes, a low-cost manufacturing a flat structure of the Drive device - including the electric motor -  needed. The object of the invention is therefore this Requirements with a simple manufacturability with few Individual parts and with good use of magnets.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rotor hohlzylindrisch ausgebildet ist und mit in Umfangsrichtung verteilt radial abwechselnd entgegengesetzt gerichteten Magnetzonen versehen ist, daß innerhalb und außerhalb des Rotors je ein Stator mit jeweils mehreren über den Umfang verteilten Polen angeordnet ist und daß die Statoren mit Spulen versehen sind. Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Elektromotor derart ausgebildet, daß die Pole eines Stators gegenüber den Polen des anderen Stators um die Hälfte des sich aus der Anzahl der Magnetzonen des Rotors ergebenden Teilungswinkels versetzt sind.This object is achieved in that the Rotor is hollow cylindrical and with in Distributed circumferentially alternating radially opposite Directional magnetic zones is provided within and outside the rotor one stator each with several over the circumferential poles are arranged and that the Stators are provided with coils. Preferably, the Electric motor according to the invention designed such that the Poles of one stator opposite the poles of the other stator by half of the number of magnetic zones of the The resulting pitch angle are offset.

Der erfindungsgemäße Elektromotor hat den Vorteil, daß er äußerst flach werden kann und daß nur wenige einfach herzustellende Bauteile benötigt werden. Außerdem erfolgt eine hohe Nutzung des Volumens, insbesondere des permanentmagnetischen Rotors. Es wird weniger Magnetmaterial für ein höheres Drehmoment durch Nutzung der Radialkomponenten bei der Drehmomenterzeugung benötigt. Bei Ansteuerung der beiden Statorkreise mit um 90° versetzten Wechselspannungen entsteht eine Drehbewegung des Rotors. Das Vorzeichen der Phasenlage bestimmt hierbei die Drehrichtung des Antriebs. Dadurch kann ein Betrieb als Schrittmotor erfolgen oder mit Hilfe eines Winkelsensors, beispielsweise eines Hallsensors, als kollektorloser Gleichstrommotor.The electric motor according to the invention has the advantage that it can become extremely flat and that only a few simple components to be manufactured are required. Also done a high use of the volume, especially the permanent magnetic rotor. There will be less magnetic material for a higher torque by using the Radial components required for torque generation. At Control of the two stator circuits with a 90 ° offset AC voltages cause the rotor to rotate. The The sign of the phase position determines the direction of rotation of the drive. This allows operation as a stepper motor take place or with the help of an angle sensor, for example a Hall sensor, as a collectorless DC motor.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Elektromotors bestehen darin, daß die radiale Ausdehnung des Rotors zwischen einem Viertel und einem Zehntel des Radius beträgt und/oder daß die axiale Ausdehnung des Rotors zwischen dem Einfachen und dem Doppelten der radialen Ausdehnung beträgt. Advantageous embodiments of the invention Electric motor consist in that the radial extension of the Rotor between a quarter and a tenth of the radius is and / or that the axial extent of the rotor between the single and double the radial Expansion is.  

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist vorgesehen, daß die Statoren je einen hohlzylindrischen Kern aus magnetisch leitendem Werkstoff aufweisen und auf der dem Rotor zugeordneten Seite mit Aussparungen zur Aufnahme der um den Kern gewickelten Spulen versehen sind, wobei die Anzahl der Aussparungen je Stator der Anzahl der Magnetzonen entspricht und die Länge der Aussparungen in Umfangsrichtung gemessen etwa der Hälfte des sich aus der Anzahl der Magnetzonen ergebenden Teilungswinkels beträgt.In a further development of the electric motor according to the invention it is provided that the stators each have a hollow cylindrical Have core made of magnetically conductive material and on the side assigned to the rotor with cutouts for Recording the coils wound around the core are provided, where the number of cutouts per stator is the number of Corresponds to magnetic zones and the length of the recesses in Circumferential direction measured about half of that from the Number of separation zones resulting from magnetic zones.

Diese Ausführungsform ist insbesondere für Rotoren mit einer nicht allzu großen Polzahl geeignet und kann kostengünstig durch Stanzpaketierung hergestellt werden. Eine Bildung der Statoren aus Vollmaterial ist bei dieser Ausführungsform jedoch auch möglich.This embodiment is particularly for rotors with a not suitable for large number of poles and can be inexpensive be produced by punch packaging. Formation of Solid material stators are in this embodiment however also possible.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektromotors besteht darin, daß die Statoren je eine Spule aufweisen, deren Achsen mit der Drehachse des Rotors zusammenfallen und daß die Pole der Statoren als Klauenpole ausgebildet sind. Insbesondere ist dabei vorgesehen, daß die Spulen jeweils von Blech aus magnetisch leitendem Werkstoff umschlossen sind, wobei die Ränder der Bleche an den dem Rotor gegenüberliegenden Seiten der Spulen liegen und zahnförmig ineinandergreifen.Another development of the invention Electric motor is that the stators each have a coil have, whose axes with the axis of rotation of the rotor coincide and that the poles of the stators act as claw poles are trained. In particular, it is provided that the Coils of sheet metal made of magnetically conductive material are enclosed, the edges of the sheets on the Rotor lying opposite sides of the coils and intermesh tooth-shaped.

Durch diese Weiterbildung werden große Polzahlen ermöglicht, was bei Anwendung als Schrittmotor kleine Schrittwinkel zur Folge hat. Dadurch kann für viele Zwecke ein ansonsten erforderliches Getriebe entfallen. Neben dem Kostenvorteil ist dadurch ein geräuscharmer Betrieb und das Vorhandensein weniger Verschleißteile vorteilhaft. Bei dieser Weiterbildung ist ferner eine kostengünstige Fertigung dadurch möglich, daß die Statoren aus einfachen Stanz-Biegeteilen und einer einfachen Wicklung aufgebaut sind.This advanced training enables large numbers of poles to be what small step angles when used as a stepper motor Consequence. This can otherwise be used for many purposes the required gearbox is eliminated. In addition to the cost advantage is therefore a quiet operation and the presence less wear parts advantageous. At this Further training is also an inexpensive production possible because the stators from simple Stamped and bent parts and a simple winding  are.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:The invention permits numerous embodiments. A of which is schematic in the drawing based on several Figures shown and described below. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment,

Fig. 2 eine Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels, Fig. 2 is a view of a second embodiment,

Fig. 3 einen Schnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel und Fig. 3 shows a section through the second embodiment and

Fig. 4 eine Darstellung von Teilen der Statoren des zweiten Ausführungsbeispiels in Form einer Abwicklung. Fig. 4 is an illustration of parts of the stators of the second embodiment in the form of a settlement.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind lediglich der permanentmagnetische ringförmige Rotor 1, der innere Stator 2 und der äußere Stator 3 dargestellt. Die Halterung der Statoren, beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse, sowie die Anordnung des Rotors 1 auf einer Welle sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, können jedoch in ähnlicher Weise wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 erfolgen. Der Rotor 1 ist derart magnetisiert, daß nach außen und innen jeweils vier Pole entstehen, wobei von Pol zu Pol abwechselnd ein Nordpol N außen, ein Südpol S innen und ein Südpol S außen und ein Nordpol N innen liegen. Der Übergang zwischen Magnetzonen entgegengesetzter Richtung ist allmählich und in Fig. 1 gestrichelt dargestellt. Der innere Stator 2 und der äußere Stator 3 sind jeweils mit vier Spulen 4 bis 7 bzw. 8 bis 11 versehen, für die auf der Außenseite des inneren Stators 2 und auf der Innenseite des äußeren Stators 3 Aussparungen 14 bis 17 bzw. 18 bis 21 vorgesehen sind. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, only the permanent magnetic ring-shaped rotor 1 , the inner stator 2 and the outer stator 3 are shown. The mounting of the stators, for example in a common housing, and the arrangement of the rotor 1 on a shaft are not shown for the sake of clarity, but can be carried out in a similar manner to the second exemplary embodiment according to FIG. 3. The rotor 1 is magnetized in such a way that four poles are formed on the outside and inside, with a north pole N outside, a south pole S inside and a south pole S outside and a north pole N inside alternating from pole to pole. The transition between magnetic zones in the opposite direction is gradual and shown in broken lines in FIG. 1. The inner stator 2 and the outer stator 3 are each provided with four coils 4 to 7 and 8 to 11 , for which cutouts 14 to 17 and 18 to 21 are provided on the outside of the inner stator 2 and on the inside of the outer stator 3 are provided.

Die zwischen den Aussparungen befindlichen Teile des inneren und des äußeren Stators bilden Pole, die mit jeweils abwechselnder Polarität erregt werden. Dazu sind die Spulen des inneren Stators 2 und des äußeren Stators 3 in jeweils einen Stromkreis eingefügt, wobei die Richtung des Magnetfeldes von Spule zu Spule wechselt. An die Anschlüsse 22, 23 des inneren Stators 2 und an die Anschlüsse 24, 25 des äußeren Stators 3 können Wechselspannungen, vorzugsweise sinusförmige, angelegt werden, deren Phasenunterschied zueinander die Drehrichtung des Rotors 1 bestimmt.The parts of the inner and outer stator located between the cutouts form poles which are excited with alternating polarity. For this purpose, the coils of the inner stator 2 and the outer stator 3 are each inserted in a circuit, the direction of the magnetic field changing from coil to coil. AC voltages, preferably sinusoidal voltages, the phase difference of which determines the direction of rotation of the rotor 1 , can be applied to the connections 22 , 23 of the inner stator 2 and to the connections 24 , 25 of the outer stator 3 .

Das in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß die Statoren 32, 33 mit Klauenpolen versehen sind. Diese werden dadurch gebildet, daß jeweils eine Spule 34, 35 mit weichmagnetischen Blechen umgeben ist, die zu der jeweils dem Rotor 31 zugewandten Seite ineinandergreifende Zahnausprägungen 36, 37 aufweisen. Diese weisen beim äußeren und inneren Stator die gleiche Anzahl auf und sind beim äußeren Stator 33 gegenüber dem inneren Stator 32 um ein Viertel des sich aus der Magnetisierung des Rotors 31 ergebenden Teilungswinkels α versetzt.The embodiment shown in FIGS. 2 to 4 is particularly characterized in that the stators 32 , 33 are provided with claw poles. These are formed in that a coil 34 , 35 is surrounded with soft magnetic sheets, which have interdigitated tooth forms 36 , 37 on the side facing the rotor 31 . These have the same number in the outer and inner stator and are offset in the outer stator 33 with respect to the inner stator 32 by a quarter of the pitch angle α resulting from the magnetization of the rotor 31 .

Aus der den Schnitt A-B (Fig. 2) darstellenden Fig. 3 geht ferner hervor, daß die Statoren 32, 33 auf einer Scheibe 38 befestigt sind, die ein Lager 39 zur drehbaren Lagerung einer Welle 40 aufweist. Der Rotor 31 ist auf einer weiteren Scheibe 41 angeordnet, die auf der Welle 40 drehfest gelagert ist. Der Übersichtlichkeit halber sind diese Teile in Fig. 2 nicht dargestellt.From the section AB (FIG. 2) representative of Fig. 3 shows further that the stators 32 are mounted on a disc 38, 33 having a bearing 39 for rotatably supporting a shaft 40. The rotor 31 is arranged on a further disk 41 , which is rotatably mounted on the shaft 40 . For the sake of clarity, these parts are not shown in FIG. 2.

Dadurch, daß der Rotor aus einem bezüglich seines Radius dünnen Ring bestehen kann, ist eine große Anzahl von Polen möglich, so daß sich ein kleiner Drehwinkel pro Halbwelle der angelegten Spannung ergibt. Bei dem dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind 24 Rotorpole vorgesehen. The fact that the rotor from a with respect to its radius thin ring can be a large number of poles possible, so that there is a small angle of rotation per half-wave of the applied voltage. In the illustrated 24 rotor poles are provided in the second exemplary embodiment.  

Eine weitere Erhöhung ist jedoch durchaus möglich. Damit kann insbesondere das zweite Ausführungsbeispiel für viele Anwendungen, vorzugsweise für Anzeigezwecke, ohne zusätzliches Untersetzungsgetriebe angewendet werden.However, a further increase is quite possible. In order to can in particular the second embodiment for many Applications, preferably for display purposes, without additional reduction gear can be used.

Im übrigen weist das zweite Ausführungsbeispiel durch die Klauenpolanordnung weitere Vorteile auf, insbesondere die einfache Wickeltechnik bei der Herstellung der Spulen.Otherwise, the second embodiment has the Claw pole arrangement further advantages, especially the simple winding technique in the manufacture of the coils.

Claims (7)

1. Elektromotor mit einem permanentmagnetischen Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1; 31) hohlzylindrisch ausgebildet ist und mit in Umfangsrichtung verteilt radial abwechselnd entgegengesetzt gerichteten Magnetzonen versehen ist, daß innerhalb und außerhalb des Rotors (1; 31) je ein Stator (2, 3; 32, 33) mit jeweils mehreren über den Umfang verteilten Polen angeordnet ist und daß die Statoren (2, 3; 32, 33) mit Spulen (4 bis 11; 34, 35) versehen sind.1. Electric motor with a permanent magnetic rotor, characterized in that the rotor ( 1 ; 31 ) is hollow cylindrical and is provided with radially alternating oppositely directed magnetic zones distributed in the circumferential direction, that inside and outside of the rotor ( 1 ; 31 ) each have a stator ( 2 , 3 ; 32 , 33 ) each with a plurality of poles distributed over the circumference and that the stators ( 2 , 3 ; 32 , 33 ) are provided with coils ( 4 to 11 ; 34 , 35 ). 2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole eines Stators (2; 32) gegenüber den Polen des anderen Stators (3; 33) um die Hälfte des sich aus der Anzahl der Magnetzonen des Rotors (1; 31) ergebenden Teilungswinkels versetzt sind.2. Electric motor according to claim 1, characterized in that the poles of a stator ( 2 ; 32 ) with respect to the poles of the other stator ( 3 ; 33 ) by half of the pitch angle resulting from the number of magnetic zones of the rotor ( 1 ; 31 ) are offset. 3. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Ausdehnung des Rotors (1; 31) zwischen einem Viertel und einem Zehntel des Radius beträgt. 3. Electric motor according to one of claims 1 or 2, characterized in that the radial extent of the rotor ( 1 ; 31 ) is between a quarter and a tenth of the radius. 4. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Ausdehnung des Rotors (1; 31) zwischen dem Einfachen und dem Doppelten der radialen Ausdehnung beträgt.4. Electric motor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the axial extent of the rotor ( 1 ; 31 ) is between the single and double the radial extent. 5. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Statoren (2, 3) je einen hohlzylindrischen Kern aus magnetisch leitendem Werkstoff aufweisen und auf der dem Rotor (1) zugeordneten Seite mit Aussparungen (14 bis 21) zur Aufnahme der um den Kern gewickelten Spulen (4 bis 11) versehen sind, wobei die Anzahl der Aussparungen (14 bis 21) je Stator (2, 3) der Anzahl der Magnetzonen entspricht und die Länge der Aussparungen (14 bis 21) in Umfangsrichtung gemessen etwa der Hälfte des sich aus der Anzahl der Magnetzonen ergebenden Teilungswinkels beträgt.5. Electric motor according to one of the preceding claims, characterized in that the stators ( 2 , 3 ) each have a hollow cylindrical core made of magnetically conductive material and on the rotor ( 1 ) associated side with recesses ( 14 to 21 ) for receiving the the core wound coils ( 4 to 11 ) are provided, the number of cutouts ( 14 to 21 ) per stator ( 2 , 3 ) corresponding to the number of magnetic zones and the length of the cutouts ( 14 to 21 ) measured in the circumferential direction about half of the pitch angle resulting from the number of magnetic zones. 6. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Statoren (32, 33) je eine Spule (34, 35) aufweisen, deren Achsen mit der Drehachse des Rotors (31) zusammenfallen und daß die Pole der Statoren (32, 33) als Klauenpole (36, 37) ausgebildet sind.6. Electric motor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the stators ( 32 , 33 ) each have a coil ( 34 , 35 ) whose axes coincide with the axis of rotation of the rotor ( 31 ) and that the poles of the stators ( 32 , 33 ) are designed as claw poles ( 36 , 37 ). 7. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (34, 35) jeweils von Blech aus magnetisch leitendem Werkstoff umschlossen sind, wobei die Ränder der Bleche an den dem Rotor (31) gegenüberliegenden Seiten der Spulen (34, 35) liegen und zahnförmig ineinandergreifen.7. Electric motor according to claim 6, characterized in that the coils ( 34 , 35 ) are each surrounded by sheet metal made of magnetically conductive material, the edges of the sheets on the rotor ( 31 ) opposite sides of the coils ( 34 , 35 ) and intermesh tooth-like.
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