DE3332659A1 - Buerstenloser gleichstrom-lueftermotor - Google Patents

Description

Bürstenloser Gleichstrom-Lüftermotor

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der elektronisch kommutiert, und insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrom-Lüftermotor mit einfachem Aufbau, der billig herzustellen und zuverlässig ist.

Ein typisches Ziel bei der Herstellung von Lüftern besteht darin, daß ein sehr einfacher Motor verwendet wird, so daß sich niedrige Herstellungskosten ergeben. Verwendet man für einen Lüfter einen Wechselstrommotor, so kommt ein solcher mit Seitenanker diesem Ziel bereits sehr nahe. In neuerer Zeit jedoch gewinnen Gleichstrommotoren für Lüfter immer mehr an Bedeutung, insbesondere dort, wo Lüfter zum Kühlen elektronischer Einrichtungen eingesetzt werden, bei denen Gleichspannung zur Verfügung steht.

Bürstenlose Gleichstrommotoren, die Hall-Effekteinrichtungen verwenden, um die Kommutierungspunkte während des Umlaufes des Rotors festzustellen, sind bekannt. Eine oder mehrere Statorspulen werden wiederholt erregt, oder ihre

Erregung wird umgekehrt, um die Verlagerung des durch Pole 35

des Statorkerns hervorgerufenen elektromagnetischen Feldes zu bewirken. Ein Permanentmagnetrotor wird ständig zu den Positionen der elektromagnetischen Pole hingezogen. Für die Kommutierung sind ein oder mehrere Hall-Effekteinrichtungen vorhanden, die die räumliche Stellung der Pole des Rotorpermanentmagneten feststellen, um dadurch die Erregung der Statorwicklung zu steuern, oder eine Hall-Einrichtung stellt die Position eines oder mehrerer Kommutierungsmagneten fest, die mit dem Rotor gemeinsam umlaufen und speziell dazu dienen, durch Zustandswechsel der Hall-Einrichtung die Kommutierungspunkte beim Umlaufen des Rotors anzuzeigen.

Viele bürstenlose Gleichstrommotoren sind sowohl im Aufbau als auch bezüglich ihrer Kommutxerungsschaltung kompliziert, so daß sie dort, wo ein einfacher, billiger und zuverlässiger Lüftermotor benötigt wird, nicht brauchbar sind, sondern vielmehr ihr Einsatzgebiet als präzise laufende Schallplatten oder Magnetbandantriebsmotoren haben, da sie auch für den einfachen Zweck des Lüfterantriebs zu teuer sind.

Gemäß der Erfindung besitzt ein einfacher bürstenloser Gleichstrommotor einen Rotor mit einem ringförmigen Permanentmagneten und eine Statorwicklung sowie eine Elektromagnetkonstruktion außerhalb des Ringmagneten. Der Ringmagnet des Motors ist in Segmenten auf dem Umfang magnetisiert, wobei aufeinanderfolgende Segmente in radialer Richtung entgegengesetzt magnetisiert sind. Die Elektromagnetkonstruktion weist Polstücke auf, die durch eine Spule magnetisiert werden und sehr nahe an der äußeren zylindrischen Oberfläche des Ringmagneten liegen. Eine Hall-Effekteinrichtung erfaßt den Durchgang der Rotormagnetsegmente, um dadurch die Spule ein- und auszuschalten. Die räumliche Anordnung der Elektromagnetpolstücke und der Hall-Effekteinrichtung ist derart, daß, jedesmal wenn eine Spule magnetisiert

wird, die richtige magnetische Polarität an den Polstücken aufgebaut wird, so daß das. nächste, sich nähernde Segment oder der Pol des Ringmagneten angezogen wird.

Ein weiterer Permanentmagnet, der auf dem Stator nahe dem Umfang des ringförmigen Rotormagneten angebracht ist, zieht den Ringmagneten derart an, daß der Rotor für den Anlauf in einer geeigneten Position steht.

Bei dem erfindungsgemäßen Lüfter sind Lüfterflügel innerhalb des ringförmigen Magneten angeordnet. Der Magnet und die Lüfterflügel sind drehbar an einer mittleren Nabe befestigt. Zum Stator gehören ein Gehäuse und eine Tragkonstruktion, die sich vom Magneten bis zur Nabe erstreckt und die Rotornabe drehbar abstützt. Das Gehäuse umschließt d^sn Ringmagneten und die Lüfterflügel. Die Tragkonstruktion wepfst Befestigungsmittel auf, die im Gehäuse am Umfang des Motors ausgeformt sind. Eine kleine Kammer innerhalb des Gehäuses enthält die Statorspule, den Elektromagnetaufbau und sämtliche Schaltungselemente für die relative einfache Umschaltanordnung einschließlich der die Kommutierung bewirkenden Hall-Einrichtung.

Wenn auch der große ringförmige Rotor und die außen umgebene Statorkonstruktion des erfindungsgemäßen Motors für bestimmte andere Verwendungszwecke nicht vorteilhaft sein mag, ist sie für Lüfter oder Ventilatoren besonders geeignet. Die Enden der Lüfterflügel beschreiben gewöhnlich eine Kreisbahn, und der Raum innerhalb dieses Kreises wird notwendigerweise benötigt. Der Antrieb der Lüfterflügel unmittelbar durch einen Magneten, der an den Lüfterflügelspitzen befestigt ist, erfordert deshalb wenig zusätzlichen Raum und ermöglicht den Bau meines sehr flachen Lüfters, da es nicht nötig ist, mit der Nabe oder der Welle, an der die Lüfterflügel sitzen, einen Motor zu kuppeln. Der Antrieb

ist wirkungsvoll und wirtschaftlich, da die auf den Magneten ausgeübte Rotationskraft direkt auf die Lüfterflügel übertragen wird. Es wird weniger Kraft benötigt, um die Flügel entgegen dem Widerstand zu bewegen, als wenn die Kraft auf die Flügel von einer zentralen Nabe abgegeben wird. Außerdem kann bei Verwendung des erfindungsgemäßen Motors ein großer Teil des Ringbereiches von den Lüfterflügelspitzen einwärts im Luftstrom zur Verfügung gestellt werden, da in diesem Bereich kein Platz für einen Motor benötigt wird. Die Vorteile der Kombination von Lüfter und Rotor übersteigen die augenfällige Summe der jeweiligen Einzelvorteile.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht von Lüfter und Mo

tor gemäß der Erfindung, worin die segmentartige Magnetisierung des ringförmigen Permanentmagneten an

gedeutet ist, während ferner die äußere Spule und die Elektromagnet-Statorkonstruktion erkennbar sind;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch Lüfter und

Motor nach Fig. 1 nach der Linie 2-2 in Fig. 1, in welchem die drehbare Halterung des Rotors und der Lüfterflügel auf einer Nabe um einen zentralen Trägerabschnitt des

Stators dargestellt ist;

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild der

Speisungsschaltung für die Statorspule.

Die Lüfter- und Motorkombination 10 gemäß der Erfindung weist einen Rotor 11 und einen Stator 12 auf. Der Rotor 11 enthält einen ringförmigen Permanentmagneten 14, der in Segmenten des Umfangs magnetisiert ist. Die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Segmente sind in radialer Richtung entgegengesetzt magnetisiert. Der Magnet 14 ist an einem Ring 16 befestigt. Lüfterflügel 17 verlaufen zwischen dem Ring 16 und einer Mittelnabe 19.

Gemäß Fig. 2 trägt die Nabe 19 eine Welle 21, die in einer Lagerhülse 22 gelagert ist, welche in einer Bohrung 23 steckt, die in einem zentralen vorspringenden Abschnitt 25 des Stators 12 ausgeformt ist. Sicherungssprengringe 28 und 29 halten das Lager und sichern den Rotor gegenüber dem Stator. Abstandsscheiben 31 füllen überschüssigen Spielraum in der Anordnung aus. Die besondere Halterung, die für die drehbare Halterung der Rotoranordnung und Lüfterflügel im Stator verwendet wird, ist für die Erfindung nicht wesentlich und nur beispielhaft zu sehen. So können beispielsweise Kugellager oder dergleichen an die Stelle der Lagerhülse 22 treten, und auch andere Anordnungen als die Welle 21 und die Bohrung 23 sind denkbar.

Drei Streben 33 verlaufen von der zentralen Statorhülse 25 auswärts. Sie stellen die Verbindung zu einem im wesentlichen kreisförmigen Gehäuse 34 her, an deren Umfang Befestigungsansätze 35 mit Löchern 36 vorgesehen sind, so daß der gesamte Motor mit dem Lüfter z. B. mit Schrauben, die durch die Löcher 36 hindurchtreten, befestigt werden kann.

An einer Stelle des Gehäuses 34, das sich in der Fig. 1 am unteren Ende befindet, ist eine Kammer 40 ausgebildet, die eine Statorspule 41, eine Elektromagnetkonstruktion 42, eine Hall-Effekteinrichtung X1 und die übrigen Schaltungselemente der Kommutierungsschaltung, die in der Fig. 1

nicht gezeigt sind, enthält. Die Spule 41 ist auf einen Spulenkasten 43 gewickelt. Durch den Spulenkasten verläuft ein Kern 44 aus magnetisierbarem Material von einem Ende bis zum anderen und bildet einen Teil der Elektromagnetkonstruktion 42. Auch der Spulenkasten selbst kann ein Teil der Elektromagnetkonstruktion sein. Zu dieser Konstruktion gehört auch ein Paar von Armen 46 und 47, die eine magnetisch leitende Verbindung zwischen dem Magnetkern 44 und Polstücken 48, 49 herstellen, welche an die Außenfläche des Permanentmagneten 14 angrenzen. Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist der Abstand der Polstücke 48, 49 so groß gewählt, daß bei einer Magnetanordnung, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, und bei Erregung der Spule 41 derart, daß das Polstück 48 zum Nordpol und das Polstück 49 zum Südpol wird, der Rotor mit den Lüfterflügeln im Uhrzeigersinn gedreht wird.

Ein weiterer Permanentmagnet 50 richtet den ringförmigen Rotormagneten in eine solche Stellung aus, daß der Motor mit Sicherheit anläuft. Zum Anlauf des Motors wird die Spule derart erregt, daß über die Polstücke 48, 49 das Anlaufdrehmoment auf den Ringmagneten übertragen wird. Die Hallvorrichtung X1 steuert die Speisung der Spule 41 so, daß die Spule erregt wird, um die sich annähernden Pole des Rotorringmagneten anzuziehen, und anschließend abgeschaltet wird, wenn das Magnetfeld des Ringpermanentmagneten an der Hall-Einrichtung aufgrund der Bewegung eines entgegengesetzt polarisierten Segmentes, das in die Nähe der Hall-Einrichtung gelangt, sich umkehrt. Die Entregung der Spule ermöglicht es, daß die nächsten Pole an den Polstücken 48, 49 vorbeigehen, bis die Hall-Einrichtung X1 die Umkehr des Magnetfeldes feststellt und dimit das Annähern der nächsten Segmente signalisiert. Die Spule wird erneut erregt, und die Polstücke ziehen die nächsten zwei Segmente an. Diese Folge wird stets wiederholt, wodurch der Ro-

tor auf eine ausgeglichene Geschwindigkeit kommt, bei der die Motorleistung und die Belastung durch den Luftwiderstand ausgeglichen sind.

Eine solche Betriebsweise ermöglicht die Verwendung einer einfachen Kommutatorschaltung. In der Fig. 3 ist gezeigt, wie die Hall-Einrichtung X1, die ein Hall-Schalter sein kann, einen Transistor Q1 steuert, dessen Kollektor-Emitter-Kreis mit der Statorspule 41 in Reihe liegt. Ein derartiger Hall-Schalter kann die Typenbezeichnung UGN-3013T der Sprague Electric Company, Worcester, Mass., sein. Sobald die Hall-Einrichtung X1 einem Magnetfeld von bestimmter Richtung oder Polarität ausgesetzt wird, wird eine leitende Verbindung von der Leitung 51 gegen Masse unterbrochen. Ist diese Leitungsverbindung offen, führt ein Widerstand R1 der Basis des Transistors Q1 einen Strom zu, wodurch Q1 in Leitungszustand versetzt wird und die Spule 41 Strom führt. Erfaßt die Hall-Einrichtung X1 ein Magnetfeld von entgegengesetzter Richtung oder Polarität oder stellt sie überhaupt kein Magnetfeld fest, wird eine leitende Verbindung zwischen R1 und Masse hergestellt, so daß die Basis von Q1 abgeschaltet wird. Der Transistor Q1 öffnet daraufhin, und die Spule 41 wird entregt, bis X1 erneut ein Feld in der richtigen Richtung erfaßt. Ein Kondensator C1 dämpft die Spannungsstöße, die beim plötzlichen Schalten der Spule 41 auftreten. Die Diode CR1 verhindert, daß Strom durch die Eingangsleitungen z. B. zu der elektronischen Schaltung, die gekühlt werden soll, zurückfließt. Gewöhnlich wird die Eingangsleistung für diese einfache Schaltung von der Gleichspannung abgenommen, die in der zu kühlenden elektronischen Schaltung zur Verfügung steht. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Schaltungsbauteile auf einer gedruckten Karte befestigt, die dieselbe Gestalt wie die Kammer 40 hat. Die Karte wird dann so auf die Kammer gesetzt, daß die Bauteile in

die Kammer hineinragen, so daß Lüfter und Motor eine ganz kompakte Gestaltung und geringe axiale Ausdehnung haben, wie in Fig. 2 gezeigt.

Die Beschreibung hat verdeutlicht, daß mit der Erfindung eine einfache und originelle Kombination aus Motor und Lüfter geschaffen worden ist, die selbstverständlich in Einzelheiten Abwandlungen erfahren kann, ohne daß damit der Gedanke der Erfindung verlassen wird. 10

Leerseite

Claims (15)

11489/H/Mü/Elf

ROTRON, INCORPORATED

Hasbrouck Lane, Woodstock, N.Y.12498 V.St.A.

Bürstenloser Gleichstrom-Lüftermotor

Patentansprüche:.

( 1.)Bürstenloser Gleichstrommotor, insbesondere Lüftermotor, mit einer Positionsdetektoreinrichtung (X1) zum Kommutieren des Stroms einer Spule der Elektromagnetkonstruktion des Stators, dadurch gekennzeichnet,

daß der Rotor (11) des Motors einen ringförmigen Permanentmagneten (14) mit in Richtung radial auswärts polarisierten Magnetsegmenten aufweist, wobei Segmente gleicher Polarisierung mit gegenseitigem Abstand um den Umfang des Ringmagneten (14) verteilt sind,

und daß die Spule (41) der außerhalb des Ringmagneten (14) angeordneten Elektromagnet-Konstruktion des Stators (12) bei der Stromkommutierung durch die Positionsdetektoreinrichtung (X1) in wiederholter Folge ein die Magnetsegmente des Ringmagneten (14) in Richtung zu der Spule (41) anziehendes Magnetfeld erzeugt.
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2. Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein in der Nähe des Ringmagneten (14) gehaltertes Arretierungsglied in Form eines Permanentmagneten (50), der den Ringmagneten (14) im Stillstand derart positioniert, daß bei Wiedererregung der Spule (41) von deren Feld eines der Magnetsegmente angezogen wird.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2,dadurch g e kennzeichn et, daß die Elektromagnetkonstruktion wenigstens ein Polstück (48,49) in der Nachbarschaft des Außenumfangs des Ringmagneten (14) bildet.

4. Motor nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet , daß die Elektromagnetkonstruktion einen Flußpfad mit einem Paar von Armen (46,47) aufweist, die mit den Enden der Spule (41) verbunden sind und zu zwei mit gegenseitigem Abstand am Umfang des Ringmagneten (14) angeordneten Polstücken (48,49) verlaufen.

5. Motor nach Anspruch 4,d adurch gekennzeichnet , daß der Abstand der beiden Polstücke (48,49) so gewählt ist, daß sie bei erregter Spule (41) jeweils andere magnetisierte Segmente des Ringmagneten (14) anziehen.

6. Motor nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet , daß benachbarte Segmente des Ringmagneten (14) entgegengesetzt polarisiert und die Polstücke (48,49 ( derart angeordnet sind, daß sie die benachbarten, entgegengesetzt polarisierten Segmente anziehen, wenn die Spule (41) erregt ist.

— ο —

7. Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsdetektoreinrichtung (X1) für die Kommutierung eine Steueranordnung aufweist, durch die die Spule (41) nur dann erregt wird, wenn das durch die Spule aufgebaute Magnetfeld wenigstens ein Segment anzieht, um den Rotor (11) in Drehung zu versetzen, und daß die Spule (41) dann abgeschaltet wird, bis sie zum Anziehen wenigstens eines Segmentes erneut erregt wird.

8. Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (10) ein Gehäuse (34) aufweist, in dem am Außenumfang des Ringmagneten (14) eine Kammer (40) ausgebildet ist, in der die Spule (41) untergebracht ist.

9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß in der Kammer (40) die Positionseinrichtung (X1) für die Kommutierung mit einem Hall-Element, das nahe an dem Ringmagneten (14) angeordnet ist, und eine Schaltanordnung untergebracht sind, welche die Spule (41) einschaltet, wenn ein magnetisiertes Segment einer gegebenen Polarität im Bereich des Hall-Elementes ist.

10. Motor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Stator-Gehäuse (34) den Ringmagneten (14) umschließt.

11. Motor oder Lüfter mit einem Motor nach einem der

vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß sich innerhalb des Ringmegneten (14) Lüfterflügel (17) befinden.

12. Lüfter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lüfterflügel (17) sich zwischen der Innenseite des Ringmagneten (14) und einer mittleren Nabe (19) erstrecken, daß der Stator (12) einen Mittelteil (25) aufweist, an dem die Nabe (19), die Lüfterflügel (17) und der Rotormagnet (14) drehbar gelagert sind, daß der Statormittelteil (25) mit dem Gehäuse (34) durch Streben (33) verbunden ist, und daß das Gehäuse (34) die Spule (41) angrenzend an die Außenfläche des Rotorringmagneten (14) hält. 10

13. Kombination aus Lüfter und Motor mit einer drehbaren Nabe und von dieser radial auswärts verlaufenden Lüfterflügeln,

dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Permanentmagnet (14), der segmentweise in entgegengesetzter Richtung radial polarisiert ist, die Lüfterflügel (1.7) umschließt und mit ihnen verbunden ist, daß ein Gehäuse (34) den ringförmigen Permanentmagneten

(14) umgibt, daß eine einzige Statorspule (41) und eine Elektromagnetkonstruktion, an der Polstücke (48, 49) ausgebildet sind, im Gehäuse außerhalb des Ringmagneten (14) gehaltert sind, daß auf die Position des Permanentmagnenten (14) ansprechende Kommutierungsmittel (X1) für eine wiederholte Speisung der Spule (41) sorgen, wodurch den Segmenten des Ringmagneten (14) ein Drehmoment erteilt wird, und daß ein zweiter Permanentmagnet (50) im Gehäuse, dem Ringmagneten (14) benachbart, gelagert ist, um letzteren in eine solche Ruheposition zu ziehen, daß die Spule (41) und die Elektromagnetkonstruktion dem Ringmagneten (14) im Einschaltaugenblick ein Anlaufdrehmoment erteilen.

14. Bürstenloser Gleichstrommotor, dadurch gekennzeichnet, daß sein Rotor (11) einen in am Umfang aufeinander-

folgenden Segmenten magnetisierten Permanentmagneten (14) aufweist, daß sein Stator (12) eine einzige Spule (41) und wenigstens ein dem Magneten (40) benachbartes Polstück (48, 49) enthält, daß Mittel zum Zuführen von Strom zur Spule (41) in nur einer Richtung vorhanden sind, daß Kommutierungsmittel (X1) die Mittel zum Zuführen des Stroms steuern, um die Spule (41) in wiederholter Folge so zu erregen, daß sie ein Segment einer bestimmten Polarität anzieht, und die Spule dann wieder zu entregen, bis ein weiteres Segment der bestimmten Polarität in die Position gedreht ist, in der es angezogen werden kann.

15. Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Lüftermotor ist, daß der Magnet (1*4) ringförmig ist und daß innerhalb des ringförmigen Magnetes (14) sich Lüfterflügel (17) befinden.