DE3237196A1

DE3237196A1 - Buerstenloser elektrischer kleinstmotor

Info

Publication number: DE3237196A1
Application number: DE19823237196
Authority: DE
Inventors: Yves 49220 Le Lion d'Angers Mulet-Marquis; Pierre 49330 Châteauneuf-sur-Sarthe Tardieu
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1981-10-08
Filing date: 1982-10-05
Publication date: 1983-04-28
Also published as: DE3237196C2; FR2514582A1; IT1149104B; IT8249229A0; US4482829A; GB2107131A; FR2514582B1; GB2107131B; JPS6341306B2; JPS5875450A; CH655209A5

Description

Henkel, Pfenning, Feiler, Hänzel & Meinig ^T Patentanwälte

Europear, Patent Attorneys Zugelassene Vertreter vor 3en-Europaischen Patentamt

Dr phii G Henkel. Dipi-Ing J Pfennmg Eier!' Dr rer nat L Feiler Murcie^r Dip¹ -Ing. VV Hanze' Wunc-e-Dipl-Phys K H Merng 5er·'· Dr Ing A Eutenschor" Ber;·"

D-iOOO Eer:T.: 5

Te! 030-S3'2008-09 ARTUS-19 . ■ Telex-0529802 nrm-el

Teleorar^me Se-'/.e^rc-aie

5. Oktober 1982 Me/schu
■ (VGN 19 57)

KOLLMORGEN TECHNOLOGIES CORPORATION
Republic National Bank Building
Dallas, Texas-75201,"V.St.A.

Bürstenlos.er elektrischer. Kleinstmotor

Bürstenloser elektrischer Kleinstmotor

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein ■ bürstenloser elektrischer Motor, der keinerlei mechanische Kontakteinrichtungen zwischen Rotor und Stator aufweist. '

Ein Vorzug derartiger Motoren besteht darin, daß die einer schnellen Abnutzung unterliegenden Bürsten nicht mehr ausgewechselt zu werden brauchen.

Es sind bereits elektrische Kleinmotoren ohne Bürsten bekannt, bei welchen ein Positionssensor für die Feststellung der Rotorposition benutzt wird, um die Stromversorgung der Statorspulen und damit das Drehfeld entsprechend zu steuern, um so An- und Synchronlauf des Rotors zu bewirken .

Derartige Motoren nach dem Stand der Technik haben den Nachteil, daß der Positionssensor für den Rotor

nicht nur einen erheblichen zusätzlichen Platz benötigt; er erschwert zusätzlich die hermetische Abkapslung desselben ganz erheblich.

Die vorliegende Erfindung vermeidet die beschriebenen Nachteile und ermöglicht den Aufbau eines elektrischen Mikromotors, der elektrisch vollkommen isoliert ist, außerordentlich geringe Abmessungen aufweist, leicht hergestellt werden kann, eine lange Lebensdauer besitzt und sich durch ein Minimum an erforderlicher Wartung auszeichnet.

Diese Ziele werden durch den hermetischen Abschluß des Rotors von der Außenwelt erreicht. Der Rotor befindet sich in einem Isolierstoffgehäuse, in dem er.mittels in dem Gehäuse integrierter Lager für die Rotorachse frei beweglich angebracht ist. Die Achse des Rotors ist mit

^⁰ einem formschlüssigen Ringteil aus magnetischem Material versehen, das seinerseits Permanentmagnete aufweist, deren äußere Oberflächen mit einer Schicht aus leitfähigem Metall ausgestattet sind. Der Stator umschließt das Rotor- gehäuse koaxial und weist'Spulen auf, die in gleichmäßigem Winkelabstand zueinander angeordnet sind und in einem Körper aus magnetischem Material eingebettet und mit Isolierstoff vergossen sind. Das hermetisch abgeschlossene Gehäuse aus Isolierstoff wird vorteilhafterweise als geeignet geformte Kapsel aus Kunststoff ausgeführt und am hinteren Ende mit einem Kunststoffflansch entsprechender Form hermetisch

verschlossen.
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Da der Rotor hermetisch von der Außenwelt abgeschlossen ist, und daher keinerlei Verschmutzung eindringen kann, können die Lager dauerge-.schmiert werden und sind vor Umwelteinflüssen vollkommen geschützt. Der Zusammenbau des Motors ist ebenfalls außerordentlich einfach, da weder Bürsten noch Positionssensoren vorhanden sind, so daß- lediglich der Rotor in seinem Gehäuse in das Innere-des Stators eingeschoben wird. 10

Weiterhin ist der Mikromotor nach der Erfindung elektrisch vollkommen- isoliert, so daß er auch für Anwendungsbereiche uneingeschränkt anwendbar ist, wo er im Betrieb Flüssigkeiten ausgesetzt ist. Um den hermetischen elektrischen Abschluß des gesamten Motors zu erreichen, sind die Spulen des Stators mit Isolierstoff im magnetischen Statormaterial vergossen.

Nach einer Ausführungsform besteht der Stator beispielsweise aus drei Spulen, die in einem Winkelabstand von —J- angeordnet sind und .mit Dreiphasenstrom versorgt werden, wobei die

2 J7~"

Spannung der drei Phasen um —^— gegeneinander

verschoben sind, so daß ein Drehfeld'erzeugt wird.

Der Mikromotor nach der vorliegenden Erfindung mit elektrisch vollkommen isoliertem Motor ist zur übertragung des Drehmoments vom hermetisch eingeschlossenen Rotor nach außen mit einer magnetischen Kupplung versehen.

Nach einer Ausführungsform ist das Rotorgehäuse

an einem Ende mit einer axialen Einstülpung • versehen, wobei die Permanentmagnete des Rotors sich in axialer Richtung innerhalb des hermetisch abgeschlossenen Gehäuses in einem taschenartigen Teil bis in den Bereich jener Einstülpung erstrecken, um so mittels magnetischer Kupplung das Rotordrehmoment auf eine äußere Welle zu übertragen, die an ihrem in die Gehäuseeinstülpung IQ ragenden Ende mit geeignet angeordneten Ankupplungsmagneten versehen ist.

Wie bereits ausgeführt, arbeitet der Mikromotor nach der vorliegenden Erfindung ohne Positionssensoren für den Rotor. Statt dessen dienen die Schichten aus leitfähigem Metall auf den Außenflächen der Permanentmagnete des Rotors dazu, den Anlauf des Motors bis zu Sychronisation des Magnetrotorfeldes mit dem Drehfeld des Stators zu erzielen.

Weitere Vorzüge und.Eigenschaften des erfindungsgemäßen Motors ergeben sich aus der nachfolgenden

Beschreibung der Figuren.
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Fig. 1 ist ein schematischer.Axialschnitt

durch einen Motor nach der Erfindung;

Fig. 2 ist die Schnittlinie entlang H-II a.us Fig. 1.

Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht die Rotoreinheit 1 nach der Erfindung aus einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 10, in dessen Innern sich die Rotor-Bauteile 3,4,5 und 6 des frei drehbar

gelagerten Rotors befinden. Das Gehäuse 10 besteht aus einem Kapselteil 11 mit einem hinteren Verschlußflansch 12. Die Kapsel 11 .und der Flansch 12 sind vorzugsweise im Kunststoffgießverfahren hergestellt. Der Verschluß zwischen Kapsel 11 und Flansch 12 ist hermetisch, um sicherzustellen, daß keine Verunreinigungen in das Innere des Gehäuses 10 dringen können. Der Kunststoff des Gehäuses 10 wirkt gleichzeitig als elektrische Isolierung für den Rotor.

Die Ro.tcreinheit 1 nach der Erfindung ermöglicht einen besonders einfachen Zusammenbau des Motors, da das Gehäuse 10'einfach in das Innere der Statoreinheit 2 geschoben wird.

Der im Innern des Gehäuses 10 angeordnete eigentliche Rotor besteht aus der Achse 4, die drehbar in üblichen, im Gehäuse angebrachten mechanischen Lagern 3,3' gelagert, ist, wobei diese Lager, da . sie von außen vollkommen abgeschlossen sind, dauergeschm'iert sind. Die Achse 4 des Rotors trägt einen magnetischen Ring 5, auf welchem die Permanentmagnete 6, 6' angebracht sind. Die Permanentmagnete 6 und 6¹ weisen auf ihren äußeren Flächen eine Kupferschicht auf,-

Der Stator enthält drei Spulen_13, 14, 15, die

in einem Winkelabstand von -~- (vgl. Fig. 2) zuein-

ander angeordnet sind, um bei Versorgung mit Dreiphasen-Drehstrom mit einer Dreiphasenverschiebung von —r—-zwischen den Phasen ein magnetisches Drehfeld aufzubauen.

■

Die Spulen 13, 14, 15 sind vollkommen in Kunststoff 9 vergossen, der die elektrische Isolierung sicherstellt. Die im Kunststoff 9 eingebetteten Spulen 13, 14, 15 befinden sich ihrerseits im

■> Statorkörper 16 aus magnetischem Material, um so den magnetischen Kreis zu den Magneten 6, 6¹ zu schließen.

• Der erfindungsgemäße Mikromotor arbeitet wie folgt:

Der Stator bewirkt in bekannter Weise ein Drehfeld. Beim Anlauf aus einer beliebigen . Rotorstellung besteht die Notwendigkeit, ein den Anlauf des Motors bewirkendes Drehmoment zu erzeugen. Bei«bürstenlosen Motoren ist es

bekannt, hierfür einen Positions-Sensor zu benutzen, um die Stromversorgung der Position des Stators entsprechend zu steuern. Im Fall des erfindungsgemäßen Mikromotors, der nicht nur vollkommen hermetisch von' der Außenwelt abgeschlossen ist, sondern auch sehr geringe Abmessungen hat, wird das Anlaufdrehmoment ohne Positions-Sensor bewirkt. Die Kupferschicht auf den Außenflächen der Magnete 6, 6' des Rotors ermöglicht es, den Anlauf des Motors

und die Synchronisation des Drehfeldes des Stators mit dem Feld der Rotormagneten zu erzeugen. Bei Stillstand,und wenn der Rotor nicht mit der gleichen Geschwindigkeit rotiert wie das Statorfeld,bewirken die in der Kupfer-' schicht entstehenden Foucault'sehen Ströme, daß im Zusammenwirken des Statorfeldes mit dem der induzierten Ströme der Rotor asynchron anläuft. Das asynchrone Drehmoment bringt den Rotor bis zur Synchrongeschwindigkeit. Sobald diese erreicht ist, arbeitet der Motor im Synchronbetrieb.

Die Drehzahl des Motors wird von der Geschwindigkeit der Rotation des Statorfeldes bestimmt, · welches seinerseits von der Frequenz der Versorgungsspannung abhängt. Diese Frequenz kann in einfacher und bekannter Weise durch eine außerhalb des Motors angeordnete Einrichtung geregelt und gewählt werden. Da der Querschnitt des Rotors außerordentlich gering ist, können hohe Geschwindigkeiten erzielt werden, die in der Größenordnung, derjenigen von Turbinen liegen. Werden zum.Beispiel die Statorspulen mit einem Strom mit einer Frequenz von 2000 Hz versorgt, so erreicht der Rotor eine Geschwindigkeit von 120 000 JJ/Min-, wenn es sich um einen

■^ zweipoligen Motor handelt. Diese Eigenschaften und die Tatsache, daß eine vollkommene elektrische Isolierung von Stator und Rotor des Mikromotors erzielt wird, machen die erfindungsgemäße Konstruktion besonders geeignet für Anwendungsbereiche, bei denen neben der hohen Geschwindigkeit bei gegenüber Luftturbinen erhöhtem Drehmoment vor allem die Sicherheit von besonderer Bedeutung sind. Deshalb eignet sich der Mikromotor nach der Erfindung besonders für den Dentalbereich und in-der Mikrochirurgie.

Bei dem. erfindungsgemäßen Motor mit vollständig isoliertem Rotor ist eine direkte, mechanische Ankppplung einer Last nicht möglich. Das Dreh-

•*° moment kann jedoch vermittels magnetischer Kräfte übertragen werden. Hierzu werden nach der Erfindung die Magnete 6, 6' des Rotors so verlängert, daß sie über das Lager 3 in den taschenförmigen Bereich 7 des Rotorgehäuses hineinreichen. Das Rotorgehäuse 10 ist mit einer

^ Einstülpung 17 versehen, die im Innern als Halterung für das Lager 3 dient und nach außen einen axialsymmetrischen Hohlraum 18 bildet, der zur Aufnahme einer am Ende einer außerhalb des Motors angeordneten Welle befindlichen Kupplungseinrichtung 21 dient, die mit Permanentmagneten ausgerüstet ist, die mit den verlängerten Abschnitten der Magnete 6,6' zusammenwirken, um so eine magnetische Kupplung des Rotors mit der Welle von 21 zu erzielen. Die Verlängerungen 7 der Magnete 6, 6' des Rotors sind derart angeordnet, daß sie im Bereich des eingezogenen Teils 17 des Gehäuses 10 in der von diesem und . der äußeren zylindrischen Wand des Gehäuses 10 gebildeten Tasche liegen.

• Die genaue Form des Motorgehäuses 16 und insbesondere die Ausgestaltung seines mechanischen Anschlusses hängen von der vorgesehenen Verwendung ab. .In· Fig. list beispielsweise ein Motorgehäuse dargestellt, das mit einem Befestigungsflansch 19 versehen ist.

Claims

-χ-

Patentansprüche .

Bürstenloser elektrischer Kleinstmotor mit einem Rotor und einem Stator, dadurch gekennzeichnet , daß der aus einer Welle (4) ,einem Bauteil (5) und mehr als einem Magneten (6,6') bestehende Rotor in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse (10) mit darin integrierten Lagern (3,3·) der Rotorwelle (4) frei drehbar angeordnet ist, daß die Rotorwelle (4) ein mit dieser eine Einheit bildendes, rohrförmiges Bauteil (5) aus magnetischem Material trägt, das seinerseits Permanentmagnete (6,6*) aufweist, deren äußere Flächen mit einer leitenden-Metallschicht (8) versehen sind, und daß der Stator (2) das Rotorgehäuse (10) koaxial umschließt und Feldspulen (13,14,15) aufweist, die in regelmäßigen Abständen voneinander in einem Statorkörper (16) aus magnetischem Material angeordnet sind.

2. Kleinstmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hermetisch abgeschlossene Gehäuse (10) aus Künststoff besteht.

3. Kleinstmotor nach j&nspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorspulen (13,14,15) in dem aus magnetischem Material bestehenden Statorkörper (16) vollkommen und unter Ausfüllung der Zwischenräume in isolierenden Kunststoff eingebettet und/oder vergossen sind.

. .

Kleinstmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (13,14,15) des Stators mit einem Winkelabstand von —γ- zueinander angeordnet sind und mit einem 3-Phasenstrom gespeist sind, dessen Phasen um gegeneinander verschoben sind.

.'. 5. Kleinstmotor nach mindestens einem der ' Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, *".. daß das hermetisch abgeschlossene Gehäuse (10) des Rotors einen eingezogenen Teil

(17) aufweist, der an einem Ende eine axiale Vertiefung (18) enuhält, und daß die Permanentmagnete (6,6') des Rotors (1) im Innern des Gehäuses (10) in die vom eingezogenen Teil (17) und der zylindrischen Außenwand des Gehäuses (10) gebildeten Tasche bis in den Bereich der axialen ■ Vertiefung reichen, wobei ein Teil einer magnetischen Kupplang zwischen dem Rotor (1) • und einer außerhalb des Motors abgebrachten Welle (21), die mit ihrem Kupplungsmagneten

(18) in die axiale Vertiefung hineinreicht, gebildet ist.

6. Kleinstmotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das hermetisch abgeschlossene Gehäuse ' (10) den Rotor aus einem Kapselteil (11) und· einem Flanschteil (12) besteht.

BAD ORIGiMAL

... .... ....... 3237196 1 7.
5 - 3 -
Kleinstmotor nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die leitfähigen Metallbelege auf der
Oberfläche der Permanentmagnete aus Kupfer
bestehen. 10 ■ 15 20 25 30 35