-
Kollektorloser Gleichstrommotor Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen
Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor unter Aussparung eines radialen,
schmalen Luftspaltes, von dessen - vom Rotor ausgehenden Fluß ein Teil durch einen
stationären Magnetflußleiter auf ein stationäres, magnetflußempfindliches, eine
Kommutatorschaltung steuerndes Steuerelement konzentriert wird.
-
Das Steuerelement, das beispielsweise eine Induktionsspule oder ein
Hall-Generator sein kann, erzeugt in Abhängigkeit von Änderungen des ihn durchsetzenden
Magnetflusses ein elektrisches Steuersignal, das die Kommutatorschaltung in Abhängigkeit
von der Rotorstellung steuert.
-
Aus der US-Patentschrift 2 644 765 ist ein Gleichstrommotor bekannt,
der einen Hallgenerator zum Ansteuern der Kommutatorschaltung aufweist.
-
Dieser Hallgenerator ist zwischen zwei Magnetflußleitern angeordnet,
von denen der eine, mit seinem freien Ende einen axialen Luftspalt aussparend, dem
Permanentmagneten des Rotors gegenübersteht und der andere mit seinem freien Ende
in eine Induktionsspule des Stators hineinragt.
-
Dieser bekannte Motor erfordert bei der Montage eine axiale Justierung
des Rotors gegenüber dem Stator, um den axialen Luftspalt der Magnetflußleitung
auf den für das erforderliche Steuersignal der Kommutatorschaltung
vorbestimmten
Wert einjustieren. Der Hallgenerator bei diesem bekannten Motor erfordert außerdem
Platz in einem hinsichtlich des Platzbedarfs kritischen Bereich zwischen Rotormagnet
und Induktionsspule.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Magnetflußkomponente auf das Steuerelement
zu konzentrieren, so daß betriebssicher und eindeutig das für die Ansteuerung der
Kommutatorschaltung erforderliche Signal erzeugt werden kann. Dabei soll zusätzlicher
Platzbedarf und Aufwand bei der Herstellung möglichst vermieden werden.
-
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß das Steuerelement in
eine Magnetflußleitung eingesetzt ist, die sich unter Aussparung zweier schmaler
Luftspalte, von denen mindestens einer radial gerichtet ist, zwischen zwei Rotorpolen
einander entgegengesetzter Polarität des Rotors erstreckt. Unter einem schmalen
Luftspalt wird hier und im folgenden ein Luftspalt verstanden, der so schmal ist,
wie es die praktisch erforderlichen Fertigungstoleranzen zulassen. Da die Magnetflußleitung
von der Induktionsspule unabhängig ist, kann sie neben dieser an einer Stelle, an
der Platz dafür ist, angeordnet werden.
-
Durch die vorgesehene Magnetflußleitung, die sich von Pol zu Pol erstreckt,
wird es möglich, auch mit kleinen Bauelementen einen großen Flußanteil auf das Steuerelement
zu konzentrieren.
-
Das gelingt in umso höherem Maße, je kleiner die Luftspalte sind.
Radiale Luftspalte können mit relativ wenig Aufwand toleranzarm eingehalten werden,
weil sie zusammen mit dem ebenfalls radialen Luftspalt zwischen Rotor und Stator
einjustiert werden können. Deshalb ist mindestens einer der Luftspalte der Magnetflußleitung
radial gerichtet.
-
Bei der Massenfertigung von Motoren der eingangs genannten Art beschränkt
man sich vorzugsweise der Einfachheit halber auf die genaue radiale Tolerierung
des Rotors gegenüber dem Stator und verzichtet auf eine relativ teure, genaue axiale
Einjustierung.
-
Damit unter diesen Umständen die Luftspalte der Magnetflußleitung
miteinjustiert werden, ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der beide Luftspalte
der Magnetflußleitung radial gerichtet sind. Dann kann man bei der Massenfertigung
auf die genaue
axiale Einjustierung verzichten, weil die nach der
Erfindung vorgesehenen Luftspalte ebenfalls radial orientiert sind und die zur Einhaltung
ihrer Toleranzen eventuell nötigen Maßnahmen, zum Beispiel spanabhebende Bearbeitung,
gleichzeitig mit denen für die radiale Tolerierung des Rotors geschehen können.
-
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
-
In der Zeichnung zeigt: Figur 1 einen Gleichstrommotor nach der Erfindung
im Schnitt parallel zur Achse, Figur 2 den Schnitt gemäß der Linie II - II aus Figur
1, auszugsweise, inq8sondere den Stator, Figur 3 ein Kunststoff-Formteil aus Figur
1 und 2, gesehen in Richtung des Pfeile III aus Figur 1, seitenverkehrt zu Figur
1, Figur 4 die Ansicht gemäß dem Pfeil IV aus Figur 3, Figur 5 den Schnitt gemäß
dem Pfeil V - V aus Figur 3, Figur 6 die Ansicht gemäß dem Pfeil VI aus Figur 4,
Figur 7 in der Schnittdarstellung entsprechend Figur 1, jedoch in vergrößertem Maßstab
die an der magnetischen Ansteuerung des Steuerelementes beteiligten Teile, auch
seitenverkehrt zu Figur 1, Figur 8 den Schnitt VIII - VIII aus Figur 7, Figur 9
und lo entsprechend wie in Figur 7 und 8 ein zweites Ausführungsbeispiel, Figur
li und 12 entsprechend wie in Figur 7 und 8 ein drittes Ausführungsbeispiel Figur
13 und 14 entsprechend wie in Figur 7 und 8 ein viertes Ausführungsbeispiel, Figur
15 den Stator aus Figur 1 im Schnitt gemäß der Linie XV - XV aus Figur 2, und Figur
16 und 17 entsprechend wie in Figur 7 und 8 ein fünftes Ausführungsbeispiel.
-
In Figur 1-8 und 15 ist mit 1 ein lamellierter Stator bezeichnet,
dessen paketierte Bleche auf drei mit einer Verdickung 4 versehene Dorne 5, 6, 7
gesteckt sind, so daß diese an die Schultern 2 ihrer Verdickung 4 jeweils anliegen
und dann mit auf die auf der anderen Stirnseite des Blechpaketes freien Enden der
Dorne 5, 6, 7 aufge-23 setzten Sperringen/zusammen die Bleche zunächst kompakt zusammenhalten.
-
In ein ausgespartes Mittelloch ist ein Lagerrohr 9 eingepreßt. Das
so hergestellte Blechpaket 12 wird mit dem eingepreßten Lagerrohr durch Wirbelsinterung
mit einer Harzschicht 147 überzogen, und zwar an seiner gesamten freiliegenden Oberfläche,
ausgenommen die an den Luftspalt 11 angrenzende Umgangsfläche 13 des Blechpaketes
12 und ausgenommen die Innenseite 14 des Lagerrohres 9. Auf das mit Harz überzogene
Blechpaket 12 werden dann zwei Induktionsspulen 115, 116 aufgewickelt. Dieser Stator
1 ist mittels des Lagerrohrs 9 über Schrauben 8 an einer Chassis-Schale 10 angeflanscht,
die mit Befestigungsorganen loo des Motors am Einsatzort verbunden ist. Die Dorne
5, 6, 7 sind über ihre Verdickung 4 hinaus verlängert, und auf diese Verlängerungen
15, 16, 17 ist eine Schaltplatine 18 gesteckt, die sich an den angrenzenden Schultern
19 der verdickungen 4 abstützt und durch auf die Verlängerungen 15, 16, 17 gesteckte
Sperringe 20 gesichert ist.
-
Auf der Schaltplatine 18, die als Stanzteil ausgebildet ist, sind
die Schaltelemente 120, 121 usw. der Kommutatorschaltung angeordnet, die von einem
Hall-Element 21 angesteuert wird. Die Schaltelemente der Kommutatorschaltung sind
nur teilweise dargestellt.
-
Gedruckte Leiterbahnen der Kommutatorschaltllng befinden sich motorseitig
an der Schaltplatine 18. Motorseitig ist auch das Hall-Element 21 angeordnet, während
die übrigen Schaltungselementp r Kommutatorschaltung auf der dem Motor abgewandten
Seite an der Schaltplatine angeordnet sind. Wärmeerzeugende Schaltelemente, also
zum Beispiel Leistungstransistoren, sind vorzugsweise motorabseitig, also mit möglichst
kleinem Wärmewiderstand zur Chassis-Schale lo hin angeordnet, die mit Öffnungen
149, durch welche kühlende Luft ein- und austreten kann, versehen ist.
-
In dem Lagerrohr 9 ist in zwei Kugellagern 22, 23 der Rotor 53 drehbar
gelagert. Das Ende 26 der Rotorwelle 24 ragt aus dem Stator 1 hinaus und trägt einen
zur Chassis-Schale 10 offenen Topf 27 aus Eisenblech, in welchem ein ringförmiger
Permanentmagnet 28 montiert ist, der in radialer Richtung gemäß Doppelpfeil 29 magnetisiert
ist, und zwar zweipolig, also mit einer Polung, die in Umfangsrichtung zweimal wechselt.
Der Topf 27 dient als magnetischer Rückschluß. Der freie Rand 30 des Topfes 27 ragt
in axialer Richtung über den Permanentmagneten 28 hinaus.
-
Die Dorne 5, 6, 7 sind im Statorpaket nur je 1,5 mm dick ( Maßstab
von Figur 1 und 2 2 : 1 ) und symmetrisch zur magnetischen Hauptachse 55 des Stators
angeordnet, um die magnetischen Verhältnisse, die Drehmomentsymmetrie und die Wirkung
der Lamellierung möglichst wenig zu beeinträchtigen.
-
Das Hall-Element 21, das sich parallel zur Zeichenebene der Figur
2 flach erstreckt, spricht auf Magnetflußänderungen an, die dieses Hall-Element
21 in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Figur 2 durchsetzen. Das Hall-Element
21 ist im Streufluß des Permanentmagneten 28 angeordnet, und zwar im Zwischenraum
31 zwischen den beiden Induktionsspulen 115 und 116.
-
Das Hall-Element 21 ist in ein in Figur 3 bis 6 noch einmal herausgezeichnetes
Kunststoff-Formteil 32 eingepaßt, das eine für die Aufnahme des Hall-Elementes genau
passende Vertiefung 33 aufweist.
-
Mit 34 ist ein abgewinkelter erster Magnetflußleiter bezeichnet, bestehend
aus Eisenblech, der mit seinem einen Ende 35 vertikal auf das Hall-Element 21 zugerichtet
in das Kunststoff-Formteil 32 eingepaßt und durch Warmstauchen des Dorns 37, Figur
2, in diesem befestigt ist. Der als billiges, abgebogenes Stanzteil ausgebildete
Magnetflußleiter 34 weist einen Durchbruch 36 auf, durch den der Haltedorn 37 des
Kunststoff-Formteils paßt. Mit 38 ist ein flacher zweiter, ebenfalls aus Eisenblech
durch Stanzen hergestellter Magnetflußleiter bezeichnet, der auf der dem Bes-chauer
von Figur 6 zugekehrten Unterseite des Kunststoff-Formteils befestigt ist. Die an
dem Kunststoff-Pormteil befestigten Teile die beiden Magnetflußleiter 34 und 38
und das Hall-Element 21 -sind in ihrer gegenseitigen Lage und in ihrer Lage gegenüber
dem Kunststoff-Formteil genau durch Formschluß justiert, und zwar das
Hall-Element
21 durch die Vertiefung 33, in die das Hall-Element genau hineinpaßt, der Magnetflußleiter
34 durch den in den Durchbruch 36 passenden Haltedorn 37 und seitliche Führungsstege
56, 57 und der Magnetflußleiter 38 durch den Befestigungsvorsprung 39, der durch
den entsprechenden Durchbruch 41 im Magnetflußleiter 38 genau hindurchpaßt und durch
formgetreue Anlage des Magnetflußleiters 38 an der Unterseite 43 des Kunststoff-Formteils
in einer Vertiefung 58.
-
Dieses Kunststoff-Formteil ist mit den daran fixierten Teilen befestigt
mit Befestigungsvorsprüngen 39, 40, die durch entsprechende Durchbrüche 44, 45 der
Schaltplatine 18 hindurchgesteckt und durch Widerhaken 46, 47 gesichert sind. Durch
den Formschluß kann die radiale Position der Magnetflußleiter 34, 38, und damit
die Breite der radialen Luftspalte 50 und 51 auch in der Serienfertigung ohne besonderen
Aufwand außerordentlich genau eingehalten werden. Die Anschlüsse 48, 49 des Hall-Elementes
21 werden erst angelötet, nachdem das Kunststoff-Formteil 32 mit den Magnetflußleitern
34, 38 und dem Hall-Element 21 in die Schaltplatine 18 eingesetzt ist.
-
In montiertem Zustand schließen die beiden Magnetflußleiter 34, 38
mit ihrem jeweils radial einwärts gekehrten Ende das Hall-Element 21 zwischen sich
ein. Das radial auswärts gerichtete Ende des Magnetflußleiters 34 ist unter Aussparung
eines schmalen radialen Luftspaltes 50 auf die Innenseite des Permanentmagneten
28 gerichtet, während das radial auswärts gerichtete Ende des Magnetflußleiters
38 unter Aussparung eines schmalen radialen Luftspaltes 51 auf die Innenseite des
überstehenden Randes 3o gerichtet ist. Die beiden Magnetflußleiter 34, 38 bilden
auf diese Weise eine Magnetflußleitung, die das Hall-Element durchsetzt und vom
jeweils innen gelegenen Pol, zum Beispiel N, des Permanentmagneten 28 unter Aussparung
des Luftspaltes 50 ausgeht und unter Aussparung des Luftspaltes 51 über den Rand
30 zum Gegenpol S führt.
-
Um einen stärkeren Streuflußanteil auf das Hall-Element 21 zu konzentrieren,
sind die beiden Magnetflußleiter 34, 38 an ihren an die Luftspalte 50 beziehungsweise
51 angrenzenden Enden 134, 138 verbreitert und dazwischen auf den engeren, magnetfeldempfindlichen
Querschnitt des Hall-Elementes eingeschnürt, wie dies am besten aus Figur 8 ersichtlich
ist.
-
Der Magnet 28 ist ein kunststoffgebundener Magnet und hat deshalb
nur eine begrenzte Induktion von o,1 bis o,2 Tesla und deshalb sind die Querschnittsvergrößerungen
der Enden 134, 138 hier besonders vorteilhaft. Ohne diese Verbreiterungen bräuchte
man extrem schmale Luftspalte, um einen für die Steuerung der Kommutatorschaltung
ausreichenden Magnetfluß auf den Hall-Generator 21 zu konzentrieren. Extrem schmale
Luftspalte sind jedoch in der Fertigung aufwendig.
-
Die Verbreiterung der Enden 134, 138 erstreckt sich in Umfangsrichtung,
weil in Umfangsrichtung Platz für die Verbreiterung zur Verfügung steht. Die Verbreiterung
der Magnetfeldleiter wird vorzugsweise nach folgender Beziehung bemessen: QL : QH
1 4,5 - 15 , wobei QL der luftspaltseitige Querschnitt des Magnetfeldleiters ist
und QH der hallelementseitige Querschnitt des Magnetfeldleiters ist. Der Querschnitt
QH ist vorzugsweise in Form und Größe dem magnetfeldempfindlichen Querschnitt des
Hallelementes angepaßt. Die Luftspalte 50 und 51 sind im Interesse eines intensiven
Magnetflusses schmal, und zwar aus Toleranzgründen ebenso schmal wie der Luftspalt
11. Die Luftspalte 50 und 51 erstrecken sich über ein kreis zylindrisches Umfangsstück.
Das Verhältnis QL/QH von zirka 4,5 ist im Palle eines Hallgenerators mit Ferritträger
und einem kunststoffgebundenen Bariumferritmagneten mit einer nutzbaren Induktion
von 0,1 Tesla günstig.
-
Das Hall-Element 21 ist im Zwischenraum 31 zwischen den beiden Induktionsspulen
115 und 116 angeordnet und ragt mit den ausladenden Teilen des Kunststoff-Formteils
32 und des Magnetflußleiters 34 in diesen Zwischenraum hinein. Diese Anordnung ist
vorteilhaft, weil das Kunststoff-Formteil 32 mit den beiden Magnet flußleitern 34,
38 auf diese Weise in einem sowieso vorhandenen freien Raum untergebracht werden
kann und deshalb keine zusätzliche axiale Bauhöhenvergrößerung des gesamten Motors
erfordert.
-
Bei aus flachem Material ausgestanzten Magnetflußleitern 34, 38 ist
die Verbreiterung der Enden 134, 158 trompetenförmig gestaltet.
-
Die Pollücken der Magnetisierung des Permanentmagneten 28 sind, da
wo sie dem Blechpaket 12 gegenüberstehen, um eine möglichst günstige motorische
Wirkung zu erzielen, schmal. Die selben Pollücken sind jedoch am in Figur 1 unten
gezeichneten Rand des Permanentmagneten breiter, und zwar mindestens so breit wie
das verbreiterte Ende 134.
-
Die Verbreiterung der Pollücke erstreckt sich in Drehrichtung des
Motors. Dadurch gerät die Pollücke etwas früher in den Wirkbereich des Magnetflußleiters
37 und der Steuerimpuls für die Kommutatorschaltung wird etwas früher ausgelöst,
was zu Vereinfachungen bei der Ausgestaltung der Kommutatorschaltung führt.
-
Die rotorseitigen Radialtoleranzen für die Luftspalte 50 und 51 werden
bei der Massenfertigung durch die radiale Einjustierung des Rotors 59 gegenüber
dem Stator 1 mit der radialen Breite des Luftspaltes 11 mit einjustiert. Eine axiale
Fehljustierung, die man hinsichtlich des Luftspaltes 11 ohne große Nachteile in
Kauf nehmen kann, kann man bei der gewählten Anordnung der Luftspalte 50, 51 auch
in Kauf nehmen, so daß eine axiale Nachjustierung im Zuge der Massenfertigung bei
Anwendung der Erfindung entbehrlich bleibt.
-
Wenn sich der Rotor mit dem zweipolig magnetisierten Magneten 28 dreht,
findet nach je 180 Grad Umlauf ein Polwechsel in dem das Hall-Element durchsetzenden
Magnetfluß statt und dadurch wird das Steuersignal für die Kommutatorschaltung ausgelöst.
-
Während bei dem in Figur 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel
die Magnetflußleiter von einem radial einwärts gelegenen Pol, zum Beispiel N, zu
dem zugehörigen radial auswärts gelegenen Pol S führen, ist dies bei dem in Figur
9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel nicht der Fall. Dort führen die beiden
Magnetflußleiter 60 und 61, die ein Hall-Element 64 zwischen sich einschließen,
unter Aussparung radialer Luftspalte 62, 63 an zwei entgegengesetzte Magnetpole
N und S, die an der radial einwärts gelegenen Seite 65 des Rotors 66 nebeneinander
liegen. Auch bei diesen Magnetflußleitern 60, 61 sind Verbreiterungen an den an
die Luftspalte angrenzenden Enden vorgesehen, von denen jedoch nur die Verbreiterung
des Endes 160 des Magnetflußleiters 60 in Figur 9 sichtbar ist. Diese Verbreiterungen
erstrecken sich nicht in Umfangsrichtung, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel,
sondern axial in Richtung des Pfeils 67. Durch diese axiale Anordnung der Verbreiterungen
wird die Ände -rung
des das Hall-Element 64 durchsetzenden Streuflusses
steiler, was vorteilhaft für die Kommutierungsgenauigkeit sein kann. Der Permanentmagnet
ist bei diesem Ausführungsbeispiel mehrpolig radial magnetisiert.
-
Bei den beiden ersten Au s führungs bei spielen handelt es sich um
Außenläufermotoren, bei den beiden Ausführungsbeispielen nach Figur 11 bis 14 handelt
es sich um Innenläufermotoren.
-
Gemäß Figur 11 und 12 ist der permanentmagnetische Rotor 70 zweipolig
radial vormagnetisiert. Die beiden Magnetflußleiter 71, 72, die das Hall-Element
73 zwischen sich einschließen, stehen mit ihren Enden radial von außen nach innen
weisend den diametral angeordneten verschiedenen Polen N und S unter Aussparung
je eines radialen Luftspaltes 74, 75 gegenüber. Die beiden Enden 171, 172 sind,
wie aus Figur 12 ersichtlich, in Umfangsrichtung verbreitert.
-
Gemäß Figur 13 und 14 ist der permanentmagnetische Rotor 80 ringförmig
und mehrpolig radial magnetisiert. Die Magnetflußleiter 81 und 82, die das Hall-Element
83 zwischen sich einschließen, erstrecken sich von der Innenseite 84 des Rotors
80 zur Aubenseite 85 desselben und stehen verschiedenen Polen N und S unter Aussparung
eines radialen Zwischenraumes 86, 87 gegenüber. Diese Enden 181, 182 sind, wie aus
Figur 14 ersichtlich, in Umfangsrichtung verbreitert.
-
Gemäß Figur 16 und 17 ist der Permanentmagnet 109 zweipolig radial
magnetisiert und von einem Topf 1o8 aus Eisenblech umgeben und gehört zum Rotor.
Am Stator ist die Schaltplatine 1o1 befestigt. Um den äußeren Rand der Schaltplatine
ist ein Magnetflußleiter 112, der U-förmig gebogen ist, gesteckt. Auf dem rotorseitigen
Schenkel 113 des Magnetflußleiters 112 ist der Hallgenerator 119 montiert und auf
diesen ist ein zweiter Magnetflußleiter 131 montiert, der unter Aussparung eines
radialen Luftspaltes 133 bis an die Innenseite des Permanentmagneten 109 reicht.
Der Magnetflußleiter 131 ist an seinem, den Luftspalt 133 begrenzenden Ende verbreitert
und verjüngt sich am anderen Ende auf den wirksamen Querschnitt des Hallgenerators
119. Der
Magnetflußleiter 112 ist überall gleich breit und erheblich
breiter als der wirksame Querschnitt des Hallgenerators 119. Der Magnetflußleiter
112 reicht bis gegenüber dem freien Rand des Topfes 108 und schließt mit diesem
einen axialen Luftspalt »6ein,