DE3332659A1 - Buerstenloser gleichstrom-lueftermotor - Google Patents
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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.
30
30
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.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: COMAIR ROTRON INC., SAUGERTIES, N.Y., US |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition |