DE2934183C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen vierpulsigen kollektorlosen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Unter einem vierpulsigen Motor wird dabei ein Motor verstanden, dessen Statorwicklungsanordnung pro Rotordrehung von 360°C el. vier Statorstromimpulse zugeführt werden.

Ein derartiger Motor ist Gegenstand der DE-OS 25 33 187. Dieser bekannte Motor hatte sehr breite Anwendung gefunden, z. B. als Antrieb für Floppy Disks, tragbare CD-Spieler, Plattenspieler, Videorecorder und vieles mehr.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den bekannten Motor weiter zu verbessern, insbesondere hinsichtlich seines Kupferfüllfaktors und seiner Fertigungsfreundlichkeit bei großen Stückzahlen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Motor gelöst durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen. Dadurch, daß der Rotor sechs Pole hat, haben die vier Statorspulen jeweils einen äquidistanten Abstand von vorzugsweise 90° mech. voneinander, sind also gleichmäßig verteilt und ermöglichen deshalb einen besonders guten Kupferfüllfaktor. Außerdem erzeugt ein solcher Motor ein besonders geringes Streufeld, was seine Abschirmung sehr erleichtert.

In bevorzugter Weise wird dieser Motor so ausgebildet, daß jeweils zwei diametral gegenüberliegende Spulen mindestens einen Strang bilden. Diese Einsträngigkeit ermöglicht eine noch einfachere Herstellung, besonders dann, wenn jeweils zwei Spulen durchgehend gewickelt sind.

Mit Vorteil wird ein erfindungsgemäßer Motor entweder zweisträngig oder viersträngig ausgebildet, wobei in viersträngiger Ausführung die Spulen bevorzugt bifilar gewickelt sind.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Motor, etwa im Maßstab 2 : 1 vergrößert,

Fig. 2 eine Draufsicht von oben auf den Motor der Fig. 1, wobei der gesamte Rotor nicht dargestellt ist, etwa im Vergrößerungsmaßstab 1,5 : 1,

Fig. 3 einen Schnitt, gesehen längs der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch den den Rotor umgebenden Schutzring,

Fig. 5 eine Einzelheit der Fig. 4,

Fig. 6 eine Draufsicht auf das magnetische Rückschlußglied des Motors, etwa im Maßstab 1 : 1,

Fig. 7 eine Draufsicht von oben auf das zur Aufnahme der Statorspulen dienende Kunststoff-Formstück,

Fig. 8 einen Schnitt, gesehen längs der Linie VIII-VIII der Fig. 7,

Fig. 9 einen Schnitt, gesehen längs der Linie IX-IX der Fig. 7,

Fig. 10 eine Draufsicht von unten auf das zur Aufnahme der Statorspulen dienende Kunststoff-Formstück,

Fig. 11 einen Schnitt, gesehen längs der Linie XI-XI der Fig. 10,

Fig. 12 eine Draufsicht von oben auf die zur Halterung der Statorspulen dienende Flachfeder,

Fig. 13 einen Schnitt, gesehen längs der Linie XIII-XIII der Fig. 12,

Fig. 14 analog zu Fig. 2 eine Draufsicht von oben auf den Stator eines erfindungsgemäßen Motors, modifiziert für vierpulsigen Betrieb,

Fig. 15 die Magnetisierung des zum Stator nach Fig. 14 gehörenden Rotors,

Fig. 16 die Anordnung der vier Wicklungsstränge beim Stator nach Fig. 14; der entgegengesetzte Wicklungssinn der diametral gegenüberliegenden Spulen ist durch Pfeile verdeutlicht, und

Fig. 17 einen Schaltungsaufbau für den Motor nach den Fig. 14 bis 16.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen kollektorlosen Gleichstrommotor 10 mit einem Rotor 11 und einem Stator 12. Als tragendes Teil und gleichzeitig als magnetisches Rückschlußglied enthält der Stator eine Eisenplatte 13, die im folgenden als magnetisches Rückschlußglied 13 bezeichnet wird und die die Form eines unregelmäßigen Achtecks hat, vgl. Fig. 6, welche diese Platte etwa im Maßstab 1 : 1 zeigt.

Etwa in seiner Mitte hat das Rückschlußglied 13 ein Loch 14, in dem ein Lagertragrohr 15 bei 16 eingebördelt ist, vgl. Fig. 1.

Das Lagertragrohr 15 dient zur Aufnahme und Lagerung der Rotorwelle 17. Diese ist an ihrem unteren Ende mit einer Spurkuppe 18 versehen und auf einem Kunststoffelement 19 gelagert, das seinerseits in der Mitte einer Lagerschale 22 angeordnet ist, welche mittels drei Schrauben 23 an entsprechenden Gewindebohrungen 24 (Fig. 6) des Rückschlußglieds 13 befestigt ist. Die Lagerschale 22 kann bei Bedarf auch einen Tachogenerator für die Drehzahlregelung des Motors 10 aufnehmen. Zum Herausführen der bei 24 angedeuteten Anschlußkabel eines solchen Tachogenerators ist im Rückschlußglied 13 eine längliche Öffnung 25 vorgesehen. - Die Welle 17 kann z. B. zum Direktantrieb des Plattentellers eines Plattenspielers dienen.

Das Rückschlußglied 13 ist gemäß Fig. 6 mit vier Paßbohrungen 23 versehen, denen entsprechende Paßzapfen 26 eines Kunststoff-Formstücks 27 entsprechen, welches z. B. aus Polystyrol bestehen kann und in den Fig. 7 bis 11 anhand verschiedener Schnitte sehr ausführlich dargestellt ist. Bei der Montage greifen die Zapfen 26 in die Paßbohrungen 23 ein und fixieren dadurch die Teile 13 und 27 in ihrer Lage relativ zueinander unverrückbar.

Zur Aufnahme von vier Formspulen 31, 32, 33 und 34 ist das Formstück 27 mit vier entsprechenden Vorsprüngen 35, 36, 37 und 38 versehen, die etwa die Form eines unregelmäßigen Fünfecks haben entsprechend den in Fig. 2 dargestellten Spulen.

Soll hingegen auch die Aufnahme von sektorförmigen Spulen möglich sein - die Fig. 14 zeigt vier solche sektorförmige Spulen 41, 42, 43 und 44 -, so wird man, wie in Fig. 14 dargestellt, die Formstücke 45 etwa U-förmig und radial nach außen hin geöffnet ausbilden und zur Halterung der Spulen im Außenbereich nur ein zapfenartiges Teil 46 vorsehen. Ein solches Formstück kann dann Spulen beider Arten (Fünfeck oder Sektor) gleich gut aufnehmen. Die Vorsprünge 35 bis 38 sind zur Gewichtsersparnis innen hohl ausgebildet. Zur weiteren Gewichtsersparnis sind drei dreiecksförmige Aussparungen 47 vorgesehen.

In seiner Mitte hat das Formstück 27 einen etwas hochgezogenen Kragen 48, der im montierten Zustand das Lagertragrohr 15 umschließt und gleichzeitig als Anschlag für Anpreßmittel zum Anpressen der Flachspulen dient.

Wenn ein erfindungsgemäßer Motor als kollektorloser Gleichstrommotor ausgebildet ist, benötigt er zur Steuerung der Ströme in den vier Spulen 31 bis 34 mindestens einen Sensor zum Erfassen der jeweiligen Rotorstellung. Gewöhnlich ist dies ein galvanomagnetischer Sensor, der vom Magnetfeld des Rotormagneten gesteuert wird. Ein solcher Sensor wird bevorzugt auf einer gesonderten Leiterplatte 51 angeordnet, welche eine Steckerleiste 52, Abgleichwiderstände 53 und entsprechende gedruckte Leiterbahnen trägt. Fig. 2 zeigt, daß bei Verwendung von zwei Hallgeneratoren 54, 55, die voneinander einen mechanischen Winkelabstand von 90° haben und in der Mittelebene der Spulen 31 bzw. 34 liegen, die Leiterplatte 51 mit zwei abstehenden Seitenflügeln oder Ohren 56, 57 versehen wird, welche Aussparungen 58, 59 zur Aufnahme der beiden Hallgeneratoren 54, 55 haben.

Zur Aufnahme der Leiterplatte 51 ist das Formstück 27 mit einer etwa schubfachartigen Aussparung 64 versehen, die zur Aufnahme der beiden Ohren 56, 57 mit seitlichen Erweiterungen 65, 66 versehen ist. Überstehende Lappen 67, die mit nach unten ragenden Zapfen 68 versehen sind, dienen zur Halterung und Fixierung der Leiterplatte 57, wobei die Zapfen 68 in entsprechende Löcher der Leiterplatte 57 eingreifen und diese dadurch unverrückbar fixieren, vgl. Fig. 2. Wie z. B. Fig. 11 klar zeigt, erstrecken sich die Vorsprünge zum Teil freitragend über die Aussparung 64 hinweg, vgl. dort den Vorsprung 35, und dasselbe gilt für die Spulen selbst, vgl. z. B. Fig. 2.

Bei der Montage wird also zuerst die Leiterplatte 51 in die schubfachartige Aussparung 64 des Formstücks 27 gelegt, und erst anschließend wird das Formstück 27 auf dem Rückschlußglied 13 befestigt, und es werden die Spulen 31 bis 34 aufgelegt und deren Anschlüsse werden miteinander und mit den Leiterbahnen auf der Leiterplatte 51 durch Löten verbunden.

Die Spulen 31 bis 34 werden zweckmäßig durch eine kleine Menge schnellhärtenden Klebers auf dem Formstück 27 fixiert. Zu ihrer Anpressung gegen das Formstück 27 dienen Anpreßmittel in Form einer Federscheibe 71, die in den Fig. 12 und 13 sehr genau dargestellt ist und vier federnde Arme 72 hat, einen für jede Spule. Zwischen den Federarmen 72 und den Spulen liegt eine Isolierscheibe 73, um Beschädigungen der Spulen zu vermeiden. Die Federscheibe 71 ist vom Lagertragrohr 15 geführt. Ein Federring 74 ist über das Lagertragrohr 15 nach unten geschoben und preßt das Zentrum der Federscheibe 71 gegen den als Anschlag dienenden hochgezogenen Kragen 48.

Der Rotor 11 weist eine flache Tragescheibe 75 aus Stahl auf, die mittels einer Buchse 76 auf der Welle 17 befestigt ist und auf deren Unterseite ein axial magnetisierter Keramik-Dauermagnetring 77 festgeklebt ist. Die Magnetisierung dieses Magnetrings ist gemäß Fig. 15 ausgeführt.

Eng um den Dauermagneten 77 herum ist ein Ringteil 78 aus glasfaserverstärktem Kunststoff angeordnet, das an seiner Unterseite drei Zapfen 79 aufweist, welche Löcher 80 des Rückschlußglieds 13 durchdringen und auf dessen Rückseite durch Hitze zu Nietköpfen verformt sind, die das Ringteil 78 sicher festhalten. Zum freien Durchführen der Zapfen 79 ist das Formstück 27 seitlich mit drei Aussparungen 81 versehen.

Das Ringteil 78 hat einen dünnen zylindrischen Abschnitt 84, der unten über eine Ringschulter 85 übergeht in einen zylindrischen Abschnitt 86 größeren Durchmessers. Zur Anpressung der Außenseiten der vier Spulen 31 bis 34 (oder 41 bis 44) sind in der Ringschulter 85 vier jeweils um 90° versetzte federnde Lappen 87 ausgebildet, die beim Aufsetzen des Ringteils 78 die Außenseiten der vier Spulen gegen das Formstück 27 pressen. Sind die Spulen zusätzlich angeklebt, so wird auf diese Weise ohne besondere Vorrichtung sichergestellt, daß sich die Spulen in der richtigen Lage befinden, wenn der Klebstoff aushärtet.

Das Ringteil 78 ist ferner zur Befestigung des Motors 10 mit drei identischen Befestigungselementen 88 versehen, die jeweils um 120° gegeneinander versetzt sind und die über die Oberseite des zylindrischen Abschnitts 84 wie auch über die Oberseite der Tragescheibe 75 des Rotors 11 überstehen, wie das die Fig. 3 und 4 klar zeigen. Wie Fig. 3 zeigt, sind sie mit durchgehenden Bohrungen 89 versehen, die sich bis zu entsprechenden Löchern 90 des Rückschlußglieds 13 erstrecken, so daß man also auf diese Weise den Motor 10 hängend an einer Platte oder dergleichen befestigen kann, die sich oberhalb des Rotors 11 und parallel zu diesem erstreckt. Das Ringteil 78 erfüllt also bei der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Funktionen.

Die Fig. 14 bis 17 zeigen die Ausbildung als vierpulsiger, viersträngiger Motor. (Bei Verwendung einer Brückenschaltung kann man naturgemäß denselben Motor auch bei zweisträngiger Ausbildung vierpulsig betreiben). Der Rotor 77′ hat sechs identisch geformte Pole, deren Form und Anordnung aus Fig. 15 hervorgeht. Die Spulen 41 bis 44 sind wie bereits beschrieben in diesem Falle Sektorspulen, d. h. ihre magnetisch aktiven Abschnitte verlaufen jeweils etwa senkrecht zur Drehachse des Motors. Es sind jeweils die beiden diametral gegenüberliegenden Spulen 41 und 43 in Reihe geschaltet, ebenso die Spulen 42 und 44, und zwar mit entgegengesetztem Wicklungssinn, angedeutet durch die Pfeile in Fig. 16. Da alle Spulen zweidrähtig, bevorzugt sogar bifilar, gewickelt sind, erhält man so vier Wicklungsstränge oder Phasen S1 bis S4, die gemäß Fig. 17 geschaltet sind. Bemerkenswert ist besonders, daß durch die gegensinnige Wicklung das von den Statorspulen erzeugte Streufeld sehr niedrig ist, vgl. z. B. Fig. 16: Legt man dort zwischen die Anschlüsse A und E eine Gleichspannung, so erzeugt die eine Spule oben einen Nordpol, die andere einen Südpol.

Dadurch entsteht ein sehr geringes Streufeld, was ein großer und außerordentlich wichtiger Vorteil einer solchen Anordnung ist. Ein weiterer Vorteil ist der für einen vierpulsigen Motor optimale Kupferfüllfaktor, der sich bei der vorliegenden sechspoligen Version ergibt. Der Nachteil gegenüber der achtpoligen Version, wie sie die DE-OS 25 33 187 zeigt, ist, daß man die Hallgeneratoren 54 und 55 über oder unter Spulen anordnen muß. Da man aber ohnedies zur Verringerung der Induktivität der Spulen diese lieber im Abstand vom Rückschlußglied 13 anordnet, ergibt sich durch das Schubfach 64 eine optimale Lösung für die Anordnung der Hallgeneratoren bei stationärem Rückschlußglied 27.

Fig. 17 zeigt die zugehörige Schaltung, die für sich bekannt ist. Der Hallgenerator 54 steuert zwei npn-Transistoren 101 und 102, von denen der erste den Strang S1, der zweite den Strang S2 steuert. Der Hallgenerator 55 steuert zwei npn-Transistoren 103 und 104, von denen der erstere den Strang S3 und der letztere den Strang S4 ansteuert. Die Emitter der Transistoren 101 bis 104 sind miteinander und dem Kollektor eines npn-Transistors 105 verbunden, der von einem Drehzahlregler R gesteuert wird. Zur Erfassung der Motordrehzahl dient ein Tachogenerator TG.

Folgende Merkmale sollen abschließend nochmals hervorgehoben werden:

Die schubfachartige Erweiterung könnte zwar auch breiter ausgebildet werden, aber die Gestaltung mit den seitlichen Erweiterungen 65, 66 in der Form von Fledermausohren hat den großen Vorteil, daß die Spulen 31 und 34 (bzw. 41 und 44) eine wesentlich größere Auflagefläche zur Verfügung haben und nur auf einem kleinen Teil ihrer Erstreckung freitragend sind. - Der Abstand der Spulen 31 bis 34 vom Rückschlußglied beträgt mit Vorteil etwa 2 mm, so daß in der Aussparung 64 eine 1,5 mm dicke Leiterplatte 51 oder 63 bequem Platz hat.

Das Formstück 27 kann mit Vorteil aus Polypropylen ausgebildet werden. Es ist mit dem Rückschlußglied 13 nur über seine Paßzapfen verbunden, braucht also nicht festgeklebt zu werden.

Der Federring 74 ist mit Vorteil ein selbstsperrender Zackenring.

Die nach oben überstehenden seitlichen Befestigungsaugen 88 des Ringteils 78 haben praktisch die Funktion von identisch bemessenen Distanzhülsen und gewährleisten eine plane Befestigung an einer Befestigungsplatte oder einer Gerätewand, so daß ein Verziehen des Rückschlußglieds 13 sicher vermieden wird.

Für die Montage ist ferner wichtig, daß zwischen der Innenseite der Spulen und der Außenseite des Kragens 48 ein Kanal 105 (Fig. 1) gebildet wird, in dem alle Verbindungsdrähte der Spulen bequem untergebracht werden und der auch mit der Leiterplatte 51 direkt verbunden ist, so daß die Spulendrähte direkt an der Leiterplatte festgelötet werden können. Dieser Kanal 105 wird nach der Montage von der Isolierplatte 73 vollständig überdeckt, d. h. die dort untergebrachten Drähte können niemals am Rotor streifen.

Die Zapfen 79 des Ringteils 78 sind, wie Fig. 2 zeigt, unsymmetrisch angeordnet, und können deshalb nur in einer einzigen Stellung am Formstück 27 montiert werden, da sie nur dann in dessen Aussparungen 81 passen. Dadurch erreicht man, daß das Ringteil 78 stets in der richtigen Lage montiert wird. Die Zapfen 79 können mit Ultraschall vernietet werden, wenn sie z. B. aus Polyamid bestehen.

Claims (7)

1. Vierpulsiger kollektorloser Gleichstrommotor, mit einer Einschicht-Statorwicklung mit vier jeweils im Abstand von 270° el. voneinander angeordneten, insbesondere flachen Spulen, einem mehrpoligen permanentmagnetischen Rotor und einer Kommutierungseinrichtung, welche abhängig von der Drehstellung des Rotors die Ströme in diesen Spulen steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (77′) sechs gleichmäßig verteilte, alternierend angeordnete Magnetpole aufweist (Fig. 15), wobei jeweils zwei Spulen (z. B. 41, 43; 42, 42) bei Erregung auf ihrer dem Rotor (77′) zugewandten Seite Pole entgegengesetzter Polarität bilden (Fig. 16).

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils zwei Spulen (z. B. 42, 44) und mindestens einen Strang (A-E) bilden.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor zweisträngig oder viersträngig (S1 bis S4) ausgebildet ist, wobei die Spulen eines Stranges vorzugsweise in Serie gewickelt sind.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei viersträngiger Ausführung die Spulen (41 bis 44) jeweils bifilar gewickelt sind.

5. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole des Rotors (77′) identisch geformt sind.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von zwei Rotorstellungssensoren (54, 55) für die Kommutierungseinrichtung diese jeweils etwa auf der Symmetrieachse einer Statorspule (41 bzw. 44) liegen.

7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die flach ausgebildeten Spulen (41 bis 44) etwa sektorförmig ausgebildet sind.