DE19902370A1

DE19902370A1 - Scheibenläufermotor

Info

Publication number: DE19902370A1
Application number: DE1999102370
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ehrfeld; Frank Michel; Matthias Nienhaus; Stephan Kleen; Hans-Dieter Stoelting
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Priority date: 1999-01-22
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2019-01-23
Also published as: DE19902370B4

Abstract

Es wird ein Scheibenläufermotor mit einer mit Permanentmagneten (7a-h) versehenen Läuferscheibe (2) und mit einem Stator beschrieben, der eine Statorplatte (10) umfaßt, die mit Spulen (16a-f) bestückt ist. Um eine möglichst flache Bauweise zu erzielen, sind die Permanentmagnete (7a-h) in radialer Richtung den Spulen (16a-f) gegenüberliegend angeordnet. Zusätzlich kann die Läuferscheibe (2) mittels eines Rückschlußringes (5) die Spulen (16a-f) umgreifen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Scheibenläufermotor mit einer mit Permanentmagneten versehenen Läuferscheibe und mit einem Stator, der eine Statorplatte umfaßt, die mit Spulen bestückt ist.

Solche Scheibenläufermotoren werden beispielsweise als Plattenteller- Direktantriebe eingesetzt. Eine prinzipielle Erläuterung von Scheibenläufermotoren findet sich beispielsweise in H.-D. Stölting, A. Beisser, Elektrische Kleinmaschinen, Verlag Teubner, 1987, Seite 169 und 186ff.

Im Zuge der Miniaturisierung müssen die Scheibenläufermotoren bei ähnlicher Leistung immer flacher oder bei gleicher Bauhöhe immer leistungsstärker werden. Diese Anforderungen werden von den bekannten Scheibenläufermotoren jedoch nur bedingt erfüllt.

Aus der DE 34 25 805 A 1 ist ein Scheibenläufermotor bekannt, mit dem ein Spiegel in Rotation versetzt wird. Der Rotor besitzt eine am Spiegel befestigte Welle, die am unteren Ende einen Magnetträger aufweist, der an der Unterseite mit einem zweipoligen Permanentmagnetring bestückt ist. Die Lagerung der Rotorwelle erfolgt mittels zweier übereinander angeordneter Kugellager, die von einem Statorflansch gehalten werden. Unterhalb der Permanentmagnete sind am Stator die Spulen befestigt. Durch die Übereinanderanordnung der Einzelkomponenten erreicht der Scheibenläufermotor eine erhebliche Bauhöhe.

Aus dem DE-GM 75 41 911 ist ein Scheibenläufermotor mit Rückschluß bekannt, bei dem Spulen und Permanentmagnete ebenfalls übereinander angeordnet sind. Durch den magnetischen Rückschluß unterhalb der Spule ist noch ein Rückschlußring erforderlich, der die Bauhöhe vergrößert.

Die DE 35 28 303 A1 beschreibt einen Scheibenläufermotor, bei dem der magnetische Rückschluß durch die Statorplatte bewerkstelligt wird. Obwohl dadurch ein eigener Rückschlußring eingespart wird, ist die Bauhöhe gegenüber dem aus dem deutschen Gebrauchsmuster 75 41 911 bekannten Scheibenläufermotor nur geringfügig verringert. Auch bei dieser Ausführung sind Spulen und Permanentmagnete übereinander angeordnet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Scheibenläufermotor bereitzustellen, der sich durch eine flachere Bauweise bei vergleichbarer Leistung auszeichnet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Permanentmagnete in radialer Richtung den Spulen gegenüberliegend angeordnet sind.

Die Permanentmagnete können den Spulen radial innen oder radial außen gegenüberliegen. Diese Bauweise vergrößert den Durchmesser des Motors nur geringfügig, die Bauhöhe wird dadurch jedoch erheblich verringert.

Die außenliegende Anordnung, bei der die Permanentmagnete um die ortsfesten Spulen rotieren, ist bevorzugt, weil die magnetischen Feldlinien von den radial außenliegenden Permanentmagneten radial nach innen in Richtung Spulen verlaufen, wodurch eine Fokussierung der magnetischen Feldlinien eintritt. Die fokussierten Feldlinien treten durch das Spulenfenster und somit durch den Wirkungsbereich der jeweiligen Spule, wodurch ein erheblich größeres Drehmoment erreicht werden kann, als bei herkömmlicher Bauweise mit übereinander angeordneten Spulen und Permanentmagneten. Durch die Flußkonzentration wird die zur Verfügung stehende magnetische Energie optimal genutzt.

Die bessere Ausnutzung der magnetischen Energie ermöglicht es, auch Permanentmagnete mit geringerer Remanenz einzusetzen, die als Massenprodukt hergestellt werden können. Vorzugsweise können daher die Permanentmagnete spritzgegossen sein.

Der Rückschlußring kann an der Unterseite der Permanentmagnete befestigt sein, so daß keine zusätzliche Halterung erforderlich ist.

Die Fokussierung der magnetischen Feldlinien kann nur dann vollständig für die Drehmomenterzeugung genutzt werden, wenn sämtliche von den Permanentmagneten ausgehenden Feldlinien über die Spulen geführt werden. Dies bedeutet, daß der magnetische Widerstand für diesen magnetischen Kreis Permanentmagnet/Spule möglichst gering sein muß. Es muß daher sichergestellt sein, daß die Ausgestaltung des Scheibenläufermotors keine anderen magnetischen Kreise zuläßt bzw. daß der Widerstand anderer magnetischer Kreise größer ist als der magnetische Kreis über die Spulen.

Unter diesem Gesichtspunkt ist es vorteilhaft, wenn die Permanentmagnete radial gegenüber der Läuferscheibe und dem Rückschlußring nach außen vorstehen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Permanentmagnete von einem die Läuferscheibe und den Rückschlußring verbindenden Außenring eingefüllt sind, wobei der Außenring vorzugsweise aus diamagnetischem Material besteht. Der magnetische Widerstand kann auch weiter dadurch vergrößert werden, daß der Außenring einen U-förmigen Querschnitt aufweist und die Permanentmagnete teilweise umgreift. Vorteilhaft ist es auch, wenn die beiden Schenkel des U-förmigen Außenrings eine gestufte Querschnittskontur aufweisen.

Um andererseits den magnetischen Widerstand über die Spulen möglichst gering zu halten, ist es von Vorteil, wenn die magnetischen Feldlinien gezielt zu den Spulenfenstern hingeführt werden. Zu diesem Zweck weisen die Läuferscheibe und/oder der Rückschlußring im Bereich der Spulenfenster Polfinger auf. Dadurch wird der Luftspalt zwischen dem Rückschlußring und dem Spulenfenster bzw. zwischen der Läuferscheibe und dem Spulenfenster erheblich verringert.

Vorteilhafterweise entsprechen die Polfinger in Ausdehnung und Gestalt den Spulenfenstern.

Um in horizontaler Richtung, d. h. in der Ebene der Läuferscheibe bzw. des Rückschlußrings magnetische Kurzschlüsse zu verhindern, können die Läuferscheibe und/oder der Rückschlußring radiale Schlitze aufweisen. Die Schlitze sind dort angeordnet, wo die Permanentmagnete entgegengesetzter Polung aneinanderstoßen.

Die radialen Schlitze können gemäß einer weiteren Ausführungsform mit diamagnetischem Material gefüllt sein.

Eine weitere Optimierung wird dadurch erreicht, daß die Permanentmagnete in Form von Segmenten ausgebildet sind, deren Bogenlänge größer der Bogenlänge eines Spulenfensters der innenliegenden Spulen ist. Vorteilhafterweise liegt das Spulenfenster innerhalb des durch ein Permanentmagnetsegment definierten Kreissektors.

Um das axiale Spiel der Läuferscheibe zu reduzieren oder auszuschließen, besitzt der Scheibenläufermotor eine magnetische Vorspannungseinrichtung. Hierzu ist auf der Statorplatte eine ringförmige Vorspannungseinrichtung aus weichmagnetischem Material, insbesondere ferromagnetischem Material derart konzentrisch angeordnet, daß sich mindestens ein Abschnitt der Vorspannungseinrichtung in axialer Richtung unterhalb des Spulenfensters der Spulen befindet. Vorzugsweise ist die Vorspannungseinrichtung ein Vorspannungsring. In radialer Richtung liegt dieser Vorspannungsring vorteilhafterweise dem Rückschlußring gegenüber.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen Scheibenläufermotor gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch einen Scheibenläufermotor gemäß einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Spulen-Magnet-Bereichs der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Bereich Permanentmagnet/Spule zur Erläuterung der Fokussierung der Feldlinien,

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Scheibenläufermotor mit und ohne Läuferscheibe,

Fig. 6 eine Draufsicht auf den Rückschlußring,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Spulenfolie.

In der Fig. 1 ist ein vertikaler Schnitt eines Scheibenläufermotors dargestellt. Auf einer Grundplatte 11 ist eine Statorplatte 10 angeordnet, in der eine Welle 1 drehbar gelagert ist. An der Welle 1 ist eine Läuferscheibe 2 angeordnet, die an ihrer Unterseite im äußeren Randbereich Permanentmagnete 7a + 7b trägt. Der Verlauf der Schnittlinie ist aus der Fig. 5 zu entnehmen, wo die Schnittlinie I-I eingezeichnet ist.

An der Unterseite der Permanentmagnete 7a, b ist ein Rückschlußring 5 befestigt, der sich radial nach innen erstreckt. Zur Vermeidung von magnetischen Kurzschlüssen stehen die Permanentmagnete 7a, b radial nach außen vor und werden von einem Außenring 4 eingefaßt, der im Querschnitt eine U-förmige Gestalt aufweist.

Auf der Oberseite 14 der Statorplatte 10 ist eine Stufe 15 vorgesehen, in der die Spulen 16a + 16b angeordnet sind. Die Spulen 16a, 16b erstrecken sich in den Zwischenraum zwischen der Läuferscheibe 2 und dem Rückschlußring 5 bis kurz vor die außenliegenden Permanentmagnete 7a, 7b.

Zur besseren Führung der magnetischen Feldlinien weisen sowohl die Läuferscheibe 2 als auch der Rückschlußring 5 Polfinger 3 und 6 auf, die den Spulenfenstern 17a + 17b gegenüberliegen. Bei den Polfingern 3,6 handelt es sich um Vorsprünge, die beispielsweise in die Läuferscheibe 2 eingeprägt werden können. Es wird ein möglichst geringer Luftspalt zwischen den Polfingern und den Spulenfenstern 17a, b angestrebt, so daß der magnetische Widerstand für den Kreis Permanentmagnet-Rückschlußring-Spulenfenster- Läuferscheibe ebenfalls möglichst gering ist, damit sämtliche magnetischen Feldlinien zur Drehmomenterzeugung genutzt werden können. Es wird aufgrund dieser Anordnung erreicht, daß die magnetischen Feldlinien 30, wie dies in der Fig. 4 dargestellt ist, vom Permanentmagneten 7a auf die Spule 16a bzw. das Spulenfenster 17a fokussiert werden.

Bei der Flußkonzentration wird der vom Permanentmagneten 7a ausgehende magnetische Fluß ϕ durch die weichmagnetischen Bauelemente zum Spulenfenster 17a geleitet. Die Fläche A₂ des Spulenfensters 17a ist kleiner als die Flußaustrittsfläche A₁ des Permanentmagneten 7a. Es gelten folgende mathematische Beziehungen, wobei B₁ und B₂ die zugeordneten magnetischen Flußdichten sind:

In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform eines Scheibenläufermotors dargestellt. Die Welle 1 ist an die Läuferscheibe 2 angeformt und die Lagerung erfolgt über ein Kugellager 20, dessen Innenring 21 an der Welle 1 befestigt ist. Der Außenring 22 ist in einer entsprechenden Aussparung der Statorplatte 10 angeordnet. Der Verlauf der Schnittlinie ist aus den Fig. 6 und 7 mit der Schnittlinie II-II zu entnehmen.

Die Statorplatte 10 erstreckt sich radial nach außen und besitzt einen Gehäuseboden 12 sowie eine Gehäusewand 13, die sich senkrecht nach oben erstreckt. Der Rückschlußring 5 ist verkürzt ausgeführt, so daß unterhalb der Spulenfenster 17a, d noch Platz für eine magnetische Vorspannungseinrichtung in Form eines Vorspannungsrings 19 zur Verfügung steht. Mittels dieses Vorspannungsrings 19 wird die Läuferscheibe nach unten gezogen, so daß das durch das Kugellager 20 vorhandene axiale Spiel vermindert bzw. ausgeschlossen werden kann. Die Polfinger 6 des Rückschlußrings 5 sind in radialer Richtung entsprechend verkürzt ausgebildet. Der Vorspannungsring 19 liegt in radialer Richtung diesen Polfingern bzw. dem Rückschlußring 5 gegenüber.

In der Fig. 3 ist dieser Spulenbereich vergrößert dargestellt. Bezüglich des Außenrings 4 ist deutlich zu sehen, daß er den Permanentmagneten 7a mit den beiden Schenkeln 8a + 8b umgreift. Der Außenring 4 besteht aus unmagnetischem, vorzugsweise diamagnetischem Material, so daß keine Feldlinien über diesen Außenring verlaufen können. Zusätzlich besitzen die Schenkel 8a + 8b eine stufenförmige Kontur 9, wodurch die Feldlinien, die vom Permanentmagneten 7a ausgehen und innerhalb der Läuferscheibe 2 bzw. des Rückschlußrings 5 verlaufen, noch besser zu dem Spulenfenster 17a geführt werden. Die Schenkel 8a + 8b sind so ausgeführt, daß sie im Bereich des Permanentmagneten 7a verkürzt ausgeführt sind.

Ebenfalls zur besseren Führung der magnetischen Feldlinien besitzt auch der magnetische Vorspannungsring 19 eine Stufe 18. Dadurch ist die dem Spulenfenster 7a zugewandte Fläche des Vorspannungsrings 19 breiter als die dem Spulenfenster 17a abgewandte Fläche.

In der Fig. 5 ist die Draufsicht auf einen Scheibenläufermotor dargestellt, wobei in der linken Hälfte die Läuferscheibe 2 weggelassen worden ist. Insgesamt sind vier Permanentmagnete in Form von Segmenten 7a-d ringförmig angeordnet. Diese Permanentmagnete umkreisen insgesamt drei Spulen 16a, b, c, die in ihrem inneren Wirkbereich das Spulenfenster 17a, b, c umschließen. In der hier gezeigten Ausführungsform liegen die Spulenfenster 17a, b, c innerhalb des durch die Radien 34a, b begrenzten Kreissektors 35. Die Größe des Kreissektors wird durch die Bogenlänge der Permanentmagneten 7a, b, c definiert. Dadurch wird sichergestellt, daß sämtliche von den Permanentmagneten 7a, b, c ausgehenden magnetischen Feldlinien in das jeweils radial innen gegenüberliegende Spulenfenster 17a, b, c fokussiert werden. Zur besseren Führung besitzt die Läuferscheibe 2 Polfinger 3, die eine Gestalt aufweisen, die den Spulenfenstern 7a, b, c entspricht.

In der Fig. 6 ist die Draufsicht auf einen Rückschlußring 5 einer weiteren Ausführungsform eines Scheibenläufermotors dargestellt. Die acht Permanentmagnete 7a-h sind in Form eines Ringes angeordnet, wobei im Bereich der Kontaktstellen der Einzelmagnete 7a-h in dem Rückschlußring 5 radiale Schlitze 31a-h angeordnet sind. Dadurch werden magnetische Kurzschlüsse in der Ebene des Rückschlußrings 5 verhindert. Diese radialen Schlitze 31a-h können auch mit diamagnetischem Material ausgefüllt sein. Ein zugehöriger Scheibenläufermotor weist beispielsweise sechs Spulen auf.

In der Fig. 7 ist zur Veranschaulichung der Spulen eine Spulenfolie 32 dargestellt. Auf einer solchen Spulenfolie 32 sind Leiterbahnen zur Bildung der einzelnen Spulen 16a-f aufgebracht. Mehrere solcher Folien sind übereinander angeordnet, wobei die einzelnen Windungen und Leiterbahnen über die Kontaktierungsstellen 33 miteinander verbunden sind. Der Übersichtlichkeit halber sind lediglich zwei Kontaktierungspunkte in der Spule 16a markiert.

Jeweils radial gegenüberliegende Spulen werden in Reihe geschaltet, so daß sich eine dreisträngige Motorkonfiguration ergibt.

Für die Montage des Scheibenläufermotors wird eine Montageplatte benötigt, in die die einzelnen Bauteile eingesetzt werden. Zunächst wird der Rückschlußring 5 und die Statorplatte 10 mit der Grundplatte 11 in die Montageplatte eingesetzt. Im nächsten Schritt werden die Spulen eingelegt, wobei einzelne Spulenfolien bereits zu einem Block und somit zu den Flachspulen 16a-f zusammengefügt wurden. Die Spulen 16a-f werden anschließend mechanisch und elektrisch mit den nach außen führenden, in der Statorplatte 10 befindlichen Kontaktstiften verbunden. In einem weiteren Schritt wird die Welle 1 eingesetzt und auf der Welle die Läuferscheibe 3 mit Permanentmagneten 7 und dem Außenring 4 aufgesetzt. Bei der Montage der einzelnen Komponenten werden nur Translationsbewegungen bei nur einer Fügerichtung ausgeführt.

Bezugszeichen

1

Welle

2

Läuferscheibe

3

Polfinger

4

Außenring

5

Rückschlußring

6

Polfinger

7

a-h Permanentmagnet

8

a, b Schenkel

9

Stufe

10

Statorplatte

11

Grundplatte

12

Gehäuseboden

13

Gehäusewand

14

Oberseite

15

Ringstufe

16

a-f Spule

17

a-f Spulenfenster

18

zweite Ringstufe

19

Vorspannungsring

20

Kugellager

21

Innenring

22

Außenring

30

Feldlinien

31

a-h radialer Schlitz

32

Spulenfolie

33

Kontaktierungspunkt

34

a, b Radius

35

Kreissektor

Claims

1. Scheibenläufermotor mit einer mit Permanentmagneten versehenen Läuferscheibe und mit einem Stator, der eine Statorplatte umfaßt, die mit Spulen bestückt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (7a-h) in radialer Richtung den Spulen (16a-f) gegenüberliegend angeordnet sind.

2. Scheibenläufermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (7a-h) spritzgegossen sind.

3. Scheibenläufermotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (7a-h) radial außenliegend angeordnet sind.

4. Scheibenläufermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferscheibe (2) mittels eines Rückschlußringes (5) die Spulen (16a-f) umgreift.

5. Scheibenläufermotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückschlußring (5) an der Unterseite der Permanentmagnete (7a-h) befestigt ist.

6. Scheibenläufermotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (7a-h) gegenüber der Läuferscheibe (2) und dem Rückschlußring (5) radial nach außen vorstehen.

7. Scheibenläufermotor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (7a-h) von einem die Läuferscheibe (2) und den Rückschlußring (5) verbindenden Außenring (4) eingefaßt sind.

8. Scheibenläufermotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (4) aus diamagnetischem Material besteht.

9. Scheibenläufermotor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (4) einen U-förmigen Querschnitt aufweist und die Permanentmagnete (7a-h) teilweise umgreift.

10. Scheibenläufermotor nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferscheibe (2) und/oder der Rückschlußring (5) im Bereich der Spulenfenster (17a-f) der Spulen (16a-f) Polfinger (3, 6) aufweisen.

11. Scheibenläufermotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Polfinger (3, 6) in Ausdehnung und Gestalt den Spulenfenstern (17a-f) entsprechen.

12. Scheibenläufermotor nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferscheibe (2) und/oder der Rückschlußring (5) radiale Schlitze (31a-h) aufweisen.

13. Scheibenläufermotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Schlitze (31a-h) mit diamagnetischem Material gefüllt sind.

14. Scheibenläufermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (7a-h) Segmente sind, deren Bogenlänge größer der Bogenlänge eines Spulenfensters (17a-f) der innenliegenden Spulen (16a-f) ist.

15. Scheibenläufermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulenfenster (17a-f) innerhalb des durch ein Permanentmagnetsegment (7a-h) definierten Kreissektors (35) liegt.

16. Scheibenläufermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Statorplatte (10) eine ringförmige Vorspannungseinrichtung aus weichmagnetischem Material derart konzentrisch angeordnet ist, daß sich mindestens ein Abschnitt der Vorspannungseinrichtung in axialer Richtung unterhalb des Spulenfensters (17a-f) der Spulen (16a-f) befindet.

17. Scheibenläufermotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungseinrichtung ein Vorspannungsring (19) ist.