DE19737702C2 - Rotorlagegeber für einen elektronisch kommutierten Innenläufermotor mit permanetmagnetbestücktem Rotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotorlagegeber für einen elektronisch kommutierten Innenläufermotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 (JP 61- 280 753 A).

Aus der DE 85 27 157 U1 ist ein permanentmagneterregter Außenläufermotor für einen Plattenspeicherantrieb eines Datenverarbeitungsgerätes bekannt, bei denen eine kreis­ ringförmige Leiterplatte für den Anschluß der Spulenwick­ lungsenden der Statorwicklung am Befestigungsflansch eines Lagerflansches gehaltert ist. Auf der starren, beiderseits kaschierten, vorkonfektionierten Leiterplatte sind u. a. versetzt zueinander Hallelemente so angeordnet, daß sie möglichst nahe den gegenüberliegenden Stirnseiten von Dau­ ermagnetschalen des Rotors zugewandt sind, wodurch in den Hallwandlern drehzahlabhängige bzw. lageabhängige Signal­ spannungen erzeugt werden. Die Signalspannungsleitungen werden mit den Versorgungs- und Wicklungsspeiseleitungen in einem gemeinsamen Flachbandkabel herausgeführt.

Diese Anordnung ist, abgesehen davon, daß sie Außenläufer­ motoren betrifft, nur für kleine, leistungsarme Motoren in Präzisionsbauweise geeignet. Jedes noch so kleine axiale Spiel der Rotorwelle führt ebenso wie ein unkorrekter Sitz der Leiterplatte bzw. der Hallwandler auf der Leiterplatte unweigerlich zu mechanischen Schäden an den Hallwandlern, da ihr axialer Abstand zu den Magnetschalen aufgrund der Ausnutzung des schwächeren seitlichen Streufeldes sehr eng gehalten werden muß. Andererseits wirkt sich gerade für sehr kleine Motoren die Bauhöhe von Leiterplatte und Hall­ wandlern auf die Baulänge des Motors negativ aus.

Zwar ist in Weiterentwicklung der beschriebenen Anordnung auch schon beschrieben worden, die Hallwandler in Ausfor­ mungen der Leiterplatte teilweise zu versenken, jedoch sind damit die prinzipiellen Mängel nicht beseitigt (EP 0 259 724 A1). Insbesondere erhöht sich zusätzlich der Auf­ wand für die Herstellung und Bestückung der Leiterplatte. Da sich auf die beschriebene Art keine SMD-Bauelemente einsetzen lassen, muß mit großer Sorgfalt eine Justage der Bauelemente an ihren Anschlußbeinen vorgenommen werden.

Nach der DE 43 07 337 A1 ist es für einen elektronisch kommutierenden Gleichstrommotor, dessen Rotormagnete als Geber dienen, bekannt, die Rotorlagegeber frei in den ak­ tiven Rotorraum einragend auszubilden, wozu der Rotorraum entsprechend ausgehöhlt ist. Die Rotorlagegeber sind auf einer Trägerplatte befestigt, die plan und axial vor dem Rotor sitzt und tasten das Magnetfeld der Rotormagnete an der Innnenseite des Rotors radial ab. Die ringförmige Aus­ sparung im Rotor ist mit einer derartigen Tiefe ausge­ höhlt, daß eine Axialverschiebung keinen Einfluß auf den Feldlinienverlauf im Bereich der Rotorlagegeber ausübt, jedoch beeinflußt die Anordnung der Trägerplatte für die Rotorlagegeber zwischen Lagerschild und Rotor die Baulänge ungünstig und der Rückschlußring wird geschwächt.

Ganz ähnlich ist eine kollektorlose Gleichstrommaschine mit elektronischer Kommutierung nach der DE 44 01 361 A1 aufgebaut. Hier ist das die magnetfeldempfindlichen Senso­ ren tragende Halteteil als am Ständerblechpaket gehaltenes Formteil ausgeführt, das den Wickelkopf radial und axial übergreift. Die auf dem Tragteil positionierten Sensoren ragen in Eckaussparungen des permanentmagnetbestückten Ro­ torkerns, wo sie durch das der dem Arbeitsluftspalt der Maschine abgewandten Seite herrschende Magnetfeld bzw. durch das seitliche Streufeld beeinflußt werden. Zwar ist ein betriebsmäßiges Axialspiel zugelassen, jedoch können aufgrund des relativ großen axialen Abstands der Sensoren zum Rotor und des schwächeren Randfeldes der Permanentmag­ nete Fehlabtastungen infolge der schwachen Nutzsignale vorkommen.

Ferner ist aus der DE 195 23 902 C1 noch ein Elektromotor mit wenigstens zwei in einem Polrohr angeordnete Perman­ entmagneten und einer Vorrichtung zur Rotorlageerfassung bekannt, bei der ein magnetfeldsensitives Element in einer etwa mittigen, rotorseitigen Vertiefung eines der Perman­ entmagneten angeordnet ist, wodurch der Einfluß des Anker­ querfeldes auf das Nutzsignal gering gehalten werden soll, welcher das Meßergebnis verfälscht. Dabei ist das magnet­ feldsensitive Element an einem Haltefinger angeordnet, der als vormontierte Einheit bei der Montage in den Permanent­ magnete eingeschoben und am Bürstenträger befestigt wird. Für Anwendungen, die mehr als einen Sensor zur Auswertung in einer Steuerelektronik erfordern, ist die konstruktive Lösung allerdings sehr aufwendig. Zudem ist Voraussetzung, daß die Permanentmagnete Teil des Stators sind.

Der magnetische, kammartig geschnittene und zu einem Zylindermantel zusammengefügte Hallgeneratorhalter nach der DE-AS 22 45 557 ist in der Motorgehäuseendplatte eines kleinen Außenläufermotors so befestigt, daß die innere Stirnseite vor dem Statorkern steht. Für Innenläufermoto­ ren ist diese Anordnung ungeeignet, da bereits kleinste Abweichungen im Achsspiel zur Beschädigung der Hallgenera­ toren führen würden. Eine in Fig. 8 ff ausgeführte Halter­ ausbildung und -befestigung an der Motorhalterung ist überdies sehr aufwendig.

Aus der japanischen Patentanmeldung JP 61-280 753 A ist es bekannt, die Leiterplatte für die Hallsensoren aus einem flexiblen Materialstreifen zu biegen und diesen Materialstreifen auf einer randseitigen Materialausklinkung des Stators zu plazieren. Hierdurch liegen die Hallsensoren magnetisch günstig den Permanentmagneten des Läufers ge­ genüber und sind zugleich vor axialem Spiel des Läufers geschützt. Als erheblicher Nachteil muß allerdings beur­ teilt werden, daß der Statorteil über die gesamte Breite des Materialstreifens, der die Verdrahtung aufnimmt und deshalb die vielfache Breite eines Hallelements hat, über die Höhe des Hallelements, der Cu-Kaschierung und Träger­ stärke ausgeklinkt werden muß und diese Zone somit kaum noch zur elektromagnetischen Erzeugung eines Drehmoments beiträgt. Bekanntlich werden Stator und Rotor elektrischer Maschinen auf Hundertstel Millimeter geschliffen und ein­ gepaßt, um einen möglichst geringen Luftspalt zu erzielen. Bereits Luftspaltvergrößerungen im Zehntelmillimeterbe­ reich führen zur Leistungseinbuße.

Der Erfindung liegt ausgehend von dem aufgezeigten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Innenläufermotor mit permanentmagnetbestücktem Rotor, insbesondere einen Drehstromsynchronmotor der gattungsgemäßen Art so auszu­ bilden, daß durch die Anordnung eines Rotorlagegebers die axiale Baulänge möglichst keine Baulängenvergrößerung er­ fährt und für den keine besonderen Vorkehrungen zur Einen­ gung des üblichen axialen Rotorspiels zu treffen sind. Des weiteren soll die Möglichkeit bestehen, den Motor sowohl mit als auch ohne Rotorlagegeber ohne konstruktive Ände­ rungen am Motor auszuführen. Der Rotorlagegeber selbst soll eine kostengünstige Baugruppe hinsichtlich Material-, Herstellungs- und Montageaufwand sein, sehr zuverlässig arbeiten und eine lange Lebensdauer besitzen. Weiterhin soll die Plazierung der Hallelemente und ihres Trägers möglichst geringe Auswirkungen auf den elektromagnetischen Wirkungsgrad des Motors haben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen geben die Unteransprüche an.

Indem die Leiterplatte aus einem flexiblen Materialstrei­ fen zu einem rotationszylindrischen Mantel mit innenlie­ genden Hallsensoren gebogen ist, kann sie direkt unter Vermeidung zusätzlicher raumbeanspruchender Bauteile auf der Innenseite eines der Wickelköpfe der Statorwicklung befestigt werden. Gleichzeitig wird es möglich, daß die Hallsensoren vom radialen Kraftflußfeld der Rotormagnet­ schalen beaufschlagt werden, welches erheblich stärker ist und exaktere Resultate bringt als ihr axiales Streufeld. Mit radial beabstandeten Sensoren verbessert sich aufgrund des größeren Bogenmaßes der Sensoren untereinander zusätz­ lich die Auswertegenauigkeit. Weiterhin hat ein axiales Rotorspiel keine schädlichen Auswirkungen mehr auf die Funktionssicherheit und Lebensdauer der Sensorik. Insbe­ sondere ist infolge der geringfügigen einseitigen Einkür­ zung des Stators bzw. Verlängerung des Rotors keine Bau­ längenvergrößerung für die Unterbringung der Leiterplatte notwendig. Hierzu trägt bei, daß in vorteilhafter Ausge­ staltung die Hallsensoren in axialer Richtung auf dem dem Rotor zugewandten Außenrand der Leiterplatte angeordnet sind und in weiterer Ausbildung die Leiterplatte unmittel­ bar stirnseitig am Statorpaket anliegt, wodurch sie zu­ gleich ohne aufwendiges Justieren ihre richtige axiale La­ ge findet.

In weiterer Ausgestaltung wird die Leiterplatte mit ihrer Außenseite haftschlüssig mit dem Wickelkopf verbunden, insbesondere mittels Silikonkautschuk mit dem Wickelkopf vergossen. Die Hallsensoren können aufgrund der exakten Kreisform der Leiterplatte sehr dicht zu den Magnetschalen positioniert werden, da das radiale Rotorspiel vernachläs­ sigbar klein ist. Raumausgreifende Befestigungsteile sind entbehrlich.

Zur Verbesserung der Montagefreundlichkeit ist es vorteilhaft, die Leiterplatte auf der B-Seite des Motors anzuord­ nen.

Ein für einen Leiterplatteneinbau vorgesehener Motor kann ohne weiteres auch ohne Leiterplatte geliefert werden, beispielsweise für sensorlose Steuerungsaufgaben.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1a eine Leiterplatte, bestückt;

Fig. 1b eine Leiterplatte, bestückt und in Form gebracht;

Fig. 2 eine in einen Motor eingebaute Leiterplatte.

Auf eine streifenmörmige, flexible Leiterplatte 1 aus etwa 0,3 mm starkem Leiterplattenmaterial sind nach Fig. 1a drei Hallsensoren 2 randnah und zueinander beabstandet aufgebracht. In Fig. 1b ist näher dargestellt, wie diese Leiterplatte 1 zu einem rotationszylindrischen Mantel ge­ bogen und durch Verkleben der den Hallsensoren 2 gegen­ überliegenden Enden fixiert ist.

In Fig. 2 ist ein Motor 3 nach Art eines Drehstromsyn­ chronmotors im Schnitt mit montierter Leiterplatte 1 darge­ stellt. In über das Gehäuse 4 miteinander verbundenen La­ gerschilden 5, 6 ist ein magnetisch aktiver Rotor 7 gela­ gert, auf den umfänglich Magnetschalen 8 aus hochenergeti­ schem Neodym-Eisen-Bor-Material geklebt sind. Im geblech­ en Stator 9 ist die Statorwicklung 10 untergebracht, deren Wickelköpfe 11, 12 den Stator 9 und Rotor 7 betreffend axial überstehen. Auf der A-Seite 13 des Motors 3 fluchten die axialen Seitenflächen von Stator 9 und Rotor 7, wohin­ gegen auf der B-Seite 14 der Rotor 7 etwa 3 mm übersteht. Dieser zusätzliche Rotorraum vergrößert die Baulänge nicht.

Bevor der Stator 9 im Gehäuse 4 des Motors 3 montiert wird, erfolgt zunächst das Aufschieben der Leiterplatte 1 und Vergießen mit dem Wickelkopf 12 der B-Seite 14. Ein geeignetes Vergußmaterial ist Silikonkautschuk. Zugleich werden auch die flexiblen Ableitungen 15 mitvergossen, wo­ durch in vorteilhafterweise eine Zugentlastung realisiert wird.

Sobald der Rotor 7 zwischen die Lagerschilde 5, 6 gesetzt ist, stehen die Hallsensoren 2 unmittelbar über einer Mag­ netschale 8 des Rotors 7. Sie sind damit in der Lage, im Betrieb des Motors 3 die Lage der Magnetschale 8 und damit die Lage des Rotors 7 zum Stator 9 zu erfassen. Eine nicht näher dargestellte Elektronik ermittelt in bekannter Weise aus von den Hall-Schaltkreisen gelieferten Spannungsimpul­ sen die interessierenden Motorparameter, beispielsweise Ro­ torlage, Drehzahl und Drehrichtung.

Claims (7)

1. Rotorlagegeber für einen elektronisch kommutierten In­ nenläufermotor (3) mit einem eine Statorwicklung (10) tra­ gendem Stator (9) und einem permanentmagnetbestücktem Ro­ tor (7), insbesondere Drehstromsynchronmotor, unter Ver­ wendung von Hallsensoren (2) zur Rotorlage-, Drehzahl- und/oder Drehrichtungserfassung, die auf einer zu den Mag­ netschalen (8) des Rotors (7) positionierten, zu einem ro­ tationszylindrischen Mantel mit innenliegenden Hallsenso­ ren (2) geformten, flexiblen Leiterplatte (1) so angeord­ net sind, daß die Hallsensoren (2) mit geringem radialen Abstand über den Polflächen der Magnetschalen (8) liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (1) unmittel­ bar auf der Innenfläche eines Wickelkopfes (12) der Sta­ torwicklung (10) des Motors (3) außerhalb des Stators (9) befestigt ist und im wesentlichen nur um die Breite der innenrandnah befestigten Hallelemente (2) axial in den magnetischen Luftspalt hineinragt.

2. Rotorlagegeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) im Vergleich zum Stator (9) leiterplat­ tenseitig um etwa die Breite eines Hallsensors (2) über­ steht.

3. Rotorlagegeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (1) axial am Stator (9) anliegt.

4. Rotorlagegeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (1) mit ihrer Außenseite haftschlüssig mit dem Wickelkopf (12) verbunden ist.

5. Rotorlagegeber nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (1) mittels Silikonkautschuk mit dem Wickelkopf (12) vergossen ist.

6. Rotorlagegeber nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitungen (15) von der Leiterplatte (1) mit Si­ likonkautschuk vergossen sind.

7. Rotorlagegeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (1) auf der B- Seite (14) des Motors (3) angeordnet ist.