DE3101629C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor für Kreiselanwendung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus der DE-AS 23 36 955 ist ein kollektorloser Gleichstrommotor mit einer zwischen zwei Rotorscheiben eines permanentmagnetischen Rotors angeordneten stabilen Statorplatine bekannt. Bei diesem Motor ist die Statorplatine zwischen den Flanschen zweier mit ihren offenen Seiten einander zugekehrt angeordneten Gehäuseschalen flach anliegend befestigt. An der Statorplatine sind innerhalb der Gehäuseschalen erste zu einer elektronischen Kommutatorschaltung gehörende Schaltungselemente und zu­ gehörige erste flache Leiterverbindungen und flache nicht wesentlich die Statorplatine überragende Motorspulen befestigt.

Es ist aus der DE-OS 21 43 752 ein Elektromotor bekannt, bei welchem auf dem Rotor Dauermagnete angeordnet sind und auf einem speichen­ radähnlichen Tragglied aus Kunststoff scheibenförmige Wicklungen eingelassen sind, wobei zwischen den Magneten und der Wicklung ein axialer Luftspalt besteht. Im Innern des hohlen Formstücks ist die Welle des Rotors geführt. Dadurch wird ein flacher Motoraufbau er­ reicht, der allerdings einen großen Außendurchmesser aufweist und nur für niedrige Drehzahlen konzipiert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kollektorlosen Gleichstrommotor für Kreiselanwendungen zu schaffen, der sich durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau auszeichnet und der insbesondere die Anfor­ derungen, wie z. B. hohe Drehzahl, geringe Abmessungen, Temperatur­ stabilität und hohe Betriebszuverlässigkeit, erfüllt.

Durch die Anordnung von Permanentmagneten auf beiden Seiten des Rotors und diesen gegenüberliegend die Anordnung von Platinen und Spulen auf beiden Seiten des Stators wird ein höherer Wirkungsgrad und eine gleich­ mäßigere Wärmeverteilung erreicht. Die Motorkommutierung kann auf beiden Platinen untergebracht sein und damit das Platzangebot, vor allem bei beengten Platzverhältnissen, in vorteilhafter Weise günstig genutzt wer­ den.

Wird die gesamte Kommutierungselektronik, die aus den Sen­ soren zur Erfassung des Magnetfeldes, der Verknüpfungselek­ tronik und den Verstärkerstufen für die einzelnen Phasen besteht, in einem integrierten Bauteil untergebracht, so ergibt sich in vorteilhafter Weise ein weiter vereinfachter und vor allem verkürzter Aufbau des Motors.

Die Wicklungsenden können durch Löten, Kaltverschweißen o. ä. mit den Anschlußstiften verbunden werden, vorteilhaft hat sich jedoch das Anschweißen mittels Laserstrahl erwiesen, da bei Verwendung von Spulen mit sehr dünnen Kupferdrähten ohne Vorbehandlung der Verbindungsstelle eine sichere Ver­ bindung ermöglicht wird, die außerdem einen geringen Über­ gangswiderstand aufweist.

Die Anschlußstifte bilden in einfacher Weise sowohl die me­ chanische Zuordnung der Spule zur Platine als auch nach dem Einlöten der Spule auf die Platine die elektrische Verbin­ dung zu den Leiterbahnen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Wicklung der Einzelspulen aus einer dünnen Leiterfolie aufgebaut, wo­ bei die einzelnen Lagen mittels einer elektrisch nicht lei­ tenden Folie oder Schicht isoliert werden. Dadurch erreicht man einen wesentlich höheren Kupfer-Füllfaktor und damit eine bessere Ausnutzung des vorhandenen Platzes.

In manchen Anwendungsfällen erscheint es vorteilhaft, die Drehzahl des Motors exakt bestimmen zu können, ohne eine zu­ sätzliche Übertragungsleitung zu verwenden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine oder mehrere Spulen einer Phase mit einer größeren Windungszahl versehen werden und dadurch die induzierte Spannung in dieser Phase größer gegenüber den anderen Phasen wird, was eine Änderung des Eingangsstromes bewirkt. Aus der zeitli­ chen Aufeinanderfolge der Stromänderungen, also der Perio­ dendauer, gemessen außerhalb des Motors, kann die Drehzahl des Motors berechnet werden.

Eine weitere Lösungsmöglichkeit des Problems besteht darin, auf die Platine des Motors ein Element anzuordnen, welches z. B. Lichtwellen, Mikrowellen oder andere für die Übertra­ gung von Impulsen geeignete elektromagnetische Wellen aus­ sendet. Dieses wird so geschaltet, daß pro Umdrehung oder einem Teil der Umdrehung des Motors ein Impuls ausgesendet wird. Mittels eines geeigneten Sensors, welcher außerhalb des Motors und eventuell auch außerhalb von, bei einem Krei­ selgerät vorhandenen, Kardanrahmen angebracht ist, werden diese Impulse empfangen und einer Auswerteschaltung zuge­ führt.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Er­ findung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 - einen Schnitt durch den Motor,

Fig. 2 - den Aufbau einer einzelnen Motorspule,

Fig. 3 - Spannungs- und Stromverlauf der Motor­ phasen zur Drehzahlsensierung.

Der in Fig. 1 gezeigte Gleichstrommotor ist für Kreiselan­ wendung, z. B. Kurskreisel, geeignet.

Das Gehäuse 1 des Motors ist gleichzeitig der innere Rahmen des Kreisels und besitzt Lagerzapfen 2, 3 mit welchen die­ ser in einem weiteren hier nicht gezeigten Rahmen gelagert ist. Der Motor besteht aus einem Rotor 4, welcher mittels Kugellager 5, 6 auf einer Achse 7 drehbar gelagert ist. Die Kugellager 5, 6 sind Flanschkugellager und werden mittels Schweißringen 8, 9 unter Vorspannung auf der Achse 7 be­ festigt. Die Achse ist in axialer Richtung verschiebbar in zwei Gehäusedeckeln 10, 11 gelagert und kann mit zwei an den Achsenden angebrachten Muttern 12, 13 in der richtigen Position gesichert werden. Der Rotor 4 trägt an den Stirn­ seiten Magnetringe 14, 15, welche in mehrere Segmente unter­ teilt sind. Die Segmente sind in Umfangsrichtung wechselwei­ se polarisiert. Von diesen durch Luftspalte stirnseitig ge­ trennt sind auf zwei Platinen 16, 17 mehrere Einzelspulen 18 bis 21 mittels Anschlußstiften 26 befestigt. Der Aufbau der Spulen ist weiter unten näher beschrieben. Auf den Platinen 16, 17 ist ferner die Kommutierungselektronik 22, bestehend aus im Bereich des Magnetfeldes eines Magnetrings 14 angebrachten Hallsensoren, Verknüpfungselektronik und Verstärkerstufen an­ geordnet. Die Elektronik kann aus mehreren direkten Bautei­ len oder aus einem integrierten Bauteil bestehen und wird auf die Platinen 16, 17, welche mit Leiterbahnen und Aufnah­ mebohrungen versehen sind, angelötet. Mittels der Leiterbah­ nen werden die Verbindungen von der Kommutierungselektronik 22 zu den Spu­ len 18, 19 geschaffen. Die elektrische Verbindung der beiden Platinen 16, 17 wird mit flexiblen Leitungsbändern oder Dräh­ ten 23 hergestellt. Diese Leitungen 23 verbinden die auf beiden Seiten angebrachten Spulen jeweils einer Phase und die Teile der Kommutierungselektronik 22. Ferner wird die Motoreingangsspannung U _E mittels zweier Anschlußdrähte 24 auf diese Leitung 23 gerührt und von hier an die Platinen 16, 17 weitergeleitet. Die Platinen 16, 17 sind an den Auflage­ stellen 25 an den Gehäusedeckeln 10, 11 befestigt.

Den Aufbau der Einzelspule zeigt Fig. 2. In Bohrungen des Spulenkörpers 31 sind Anschlußstifte 26, welche z. B. aus Schalt­ draht bestehen, eingebettet. Der Beginn der Wicklung, also der Drahtanfang, liegt in der Nähe eines Anschlußstiftes 26. Um ein Hineinragen des Anschlußdrahtes in den Luftspalt zu vermeiden, wird das Ende der Wicklung um diese herumgeführt und durch die Mittelbohrung 28 des Spulenkörpers 31 gelei­ tet. Die Anschlußdrähte 29, 30 sind mittels Laserstrahl­ schweißen an den Anschlußstiften 26 befestigt. Die Spule kann so mit den Anschlußstiften 26 in geeignete Aufnahmelöcher der Platinen 16, 17 eingesteckt und mit den Leiterbahnen verlö­ tet werden. Somit wird die mechaniche Zuordnung der Spule und die elektrische Verbindung in einem Arbeitsgang herge­ stellt.

Fig. 3 zeigt die graphische Darstellung des Spannungs- und Stromverlaufs bei Sensierung der Drehzahl mittels einer periodischen Stromänderung. Bei dem 3phasig aufgebauten Motor besitzen eine oder mehrere Spulen der 3. Phase eine größere Windungszahl als die Phasen eins und zwei. Dadurch wird eine höhere Spannung in dieser Phase (P ₃) induziert, die die Eingangsspannung U _E übersteigt. Der Eingangsstrom wird in diesem Fall zu Null. Aus der Periodendauer T der periodisch wiederkehrenden Strom-Nullstellen wird bei bekannter Mag­ netpolzahl die Drehzahl des Motors in einer außerhalb des Motors angeordneten Auswerteschaltung ermittelt.

Claims (7)

1. Kollektorloser Gleichstrommotor für Kreiselanwendung mit einer Mehrzahl von etwa kreisförmig um die Längsachse des Rotors an­ geordneten, axial polarisierten Dauermagneten und mit einer wenigstens zweiphasigen, aus mehreren jeweils auf einem Spulen­ kern gewickelten Einzelspulen bestehenden, auf dem Stator ange­ ordneten Wicklungen, wobei zwischen den Magneten und der Wicklung ein axialer Luftspalt liegt, wobei die über Ansteuerleitungen angesteuerten Einzelspulen alle auf einer Platine angeordnet und befestigt sind und die mit gedruckten Leitungszügen versehene Platine auch eine Kommutierungselektronik trägt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der zweiten Stirnseite des Rotors (4) weitere Permanentmagnete (15) angeordnet sind und in Bezug zu diesen eine zweite Platine (17) mit Einzelspulen (19, 21) angeordnet ist, wo­ bei diese mit den Einzelspulen (18, 20) der ersten Platine (16) verbunden sind und daß die Einzelspulen (18-21) im Spulenkörper (31) befestigte und mit den Spulenenden elektrisch verbundene An­ schlußstifte (2) aufweisen, die in Öffnungen der Platine (16, 17) eingesteckt sind und die mit an diese Öffnungen herangeführten, als Ansteuerleitungen dienenden gedruckten Leitungszügen verlötet sind.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungselektronik (22) als ein integriertes elektronisches Bauteil ausgebildet ist.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Kommutierungselektronik (22) auf der zweiten Platine (17) untergebracht ist und dieser Teil und die Spulen (19, 21) mittels Leitungen (23) mit dem anderen Teil der Kommutierungselektronik (22) und den Einzelspulen (18, 20) der ersten Platine (16) verbunden sind.

4. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsenden (29, 30) mittels Laserstrahl o. ä. an die Stifte (26) angeschweißt sind.

5. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wicklung (27) der einzelnen Spulen (18-21) aus einer dünnen Leiterfolie besteht und die Breite der Folie vorzugsweise der Breite der Spule entspricht, und da diese Lei­ terfolie mittels einer zwischen den einzelnen Lagen der Wicklung (27) liegenden Folie elektrisch isoliert ist.

6. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Motordrehzahl die Spulen einer Phase eine gegenüber weiteren Phasen größere Windungszahl aufweist und dadurch eine gegenüber den weiteren Phasen höhere Spannung (P ₃) induziert wird, welche den Motorstrom beeinflußt, und daß eine Auswerteschaltung vorgesehen ist, die eine durch die höhere Spannung verursachte Stromänderung auswertet und mittels der Frequenz der Stromänderung die Motordrehzahl bestimmt.

7. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Ermittlung der Motordrehzahl ein auf einer Pla­ tine (16, 17) angeordnetes, elektromagnetische Welle aussenden­ des Element angeordnet ist, daß diese elektromagnetischen Wellen mit der Rotationsfrequenz des Motors amplitudenmoduliert sind und daß außerhalb des Motors ein Empfänger vorgesehen ist, der die Amplitudenmodulation auswertet.