DE3401776C2 - Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem glockenförmigen, doppelzylinderischen Permanentmagnetrotor und einer eisenlosen Statorwicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem glockenförmi­ gen, doppelzylindrischen Permanentmagnetrotor und einer eisenlosen Statorwicklung, die in einem von Rotoreisenteilen gebildeten Luftspalt angeordnet ist.

Bei einem bekannten kollektorlosen Gleichstrommotor dieser Art (VDI-Bericht Nr. 482, 1983, S. 17-22) ist die Statorwicklung auf einem als Flanschring ausgebildeten Wicklungsträger befestigt, der seinerseits auf ein der offenen Seite der Rotorglocke zu­ gewendetes Lagerschild aufgeschraubt ist.

Es ist ferner ein kollektorloser Gleichstrommotor mit glockenförmigem, doppelzy­ lindrischem Permanentmagnetrotor und Mehrphasen-Statorwicklung bekannt (DE 32 00 664 A1), bei dem die Statorwicklung von der einen Stirnseite her in nicht nä­ her erläuterter Weise an einem Statorjoch befestigt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit eisenloser Statorwicklung zu schaffen, der eine besonders einfache Montage erlaubt und bei dem die mechanisch relativ empfindliche eisenlose Statorwicklung gleichwohl sicher gehaltert ist.

Ausgehend von einem kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spulen der Statorwicklung an ihrer Halterungsseite in Ausnehmungen einer gedruckten Leiterplatte eingelassen sind, die Spulenanschlüsse trägt.

Die gedruckte Leiterplatte und die damit mechanisch und elektrisch verbundene Sta­ torwicklung können bei der erfindungsgemäßen Ausbildung als Einheit montiert wer­ den, wobei durch das Einlassen der Spulen in Leiterplattenausnehmungen ein besonders sicherer Halt der Spulen gewährleistet ist. Ein besonders robuster Aufbau wird erhalten, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Spulen mit einer Kunststoffmasse umspritzt sind, die auch in Ausnehmungen der Leiterplatte eingespritzt ist, und/oder wenn die Spulen an ihrer Halterungsseite zusätzlich in einen ringförmigen Bereich einer Spulenhalterung eingebettet sind.

Zur Robustheit der Konstruktion trägt auch bei, wenn die Rotoreisenteile einen Rotor­ topf, dessen Umfangswand die Spulen von außen umgreift, und einen zu den Spulen und dem Rotortopf konzentrischen, auf der Innenseite der Spulen liegenden Rotorzylinder aufweisen. Der Rotortopf kann beispielsweise als Tiefziehteil ausgebildet und mit dem Rotorzylinder auf beliebige Weise verbunden sein. Rotortopf und Rotorzylinder können aber auch zu einem einstückigen, vorzugsweise gesinterten, Rotorbauteil zusammenge­ faßt sein.

Der Rotormagnet ist zweckmäßig an der zylindrischen Außenfläche des Rotorzylinders angebracht und zusammen mit den Rotoreisenteilen von der gleichen Stirnseite her ge­ lagert wie die Spulen. Dabei kann der Rotorzylinder vorteilhaft auf der vom Boden des Rotortopfs abliegenden Seite über eine Buchse mit einer Antriebswelle verbunden sein.

Zweckmäßig weist der Motor ein topfförmiges Gehäuse auf, das den Permanent­ magnetrotor umgreift, wobei die Spulenhalterung an der Innenseite des Bodens befe­ stigt ist, wobei der Rotor an der Innenseite des Bodens des Gehäuses drehbar abgestützt und/oder gehaltert sein kann.

Die verhältnismäßig empfindliche Spulenanordnung ist besondere gut geschützt, wenn der Boden des Gehäuses und der Boden des Rotortopfs benachbart auf gegenüberliegenden Stirnseiten der Spulen sitzen. Besteht nicht nur der Rotortopf, sondern auch das Ge­ häuse aus magnetisch gut leitendem Werkstoff, wird durch diese Ausführungsform außerdem eine besonders wirkungsvolle magnetische Abschirmung erzielt. Rotor und Stator des Motors können zu einer vormontierten Einheit zusammengefaßt sein, die sich mit einer vorhandenen Antriebswelle lösbar verbinden läßt.

Die Rotorbuchse kann einen an einem Magnetfeldsensor vorbeilaufenden Permanent­ magneten tragen. Das Verhältnis zwischen dem mittleren Durchmesser des zylindri­ schen Luftspalts und der effektiven Leiterlänge der Spulen kann größer als 1 gewählt sein, um einen axial besonders kompakt aufgebauten Motor zu erhalten. Die Stator­ wicklung kann vorteilhaft sechs Spulen aufweisen, während der Rotormagnet mit vier Polen ausgestattet ist. Ein hoher Wirkungsgrad und ein günstiges Leistungsgewicht las­ sen sich erzielen, wenn die Statorwicklung dreiphasig ist und aus wenigstens 3n einander nicht überlappenden, äquidistant verteilten, konzentrischen Spulen besteht und der Ro­ tormagnet mit 2n Polen versehen ist, wobei n eine ganze Zahl 1 ist. Ein kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor mit sechs überlappungsfreien Statorspulen und vier Rotorpolen bei dreisträngiger Ausbildung der Statorwicklung ist zwar aus der DE 31 22 049 A1 bekannt. Dort handelt es sich aber um einen genuteten Stator, bei dem die Statorspulen um die Schenkel von T-förmigen Statorpolen herumgewickelt sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung trägt die Leiterplatte zugleich den z. B. als Mäandertachowicklung ausgebildeten Statorteil eines Tachogenerators, während der Rotorteil des Tachogenerators von einem Magnetring gebildet sein kann, der von den Rotoreisenteilen getragen ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der beilie­ genden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Gleichstrom­ motor entsprechend einem ersten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 einen Teilschnitt eines Motors gemäß einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 einen Teilschnitt ähnlich Fig. 2 für eine dritte Ausführungsform des Motors nach der Erfindung,

Fig. 4 einen Schnitt durch den Rotor eines Motors gemäß einer weiteren Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Darstellung einer Ausführungsform des Stators des Motors nach der Erfindung, und

Fig. 6 eine Draufsicht auf den Stator gemäß Fig. 5.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann es sich um den Antriebsmotor 1 eines nicht dargestellten Videorecor­ ders handeln. In einem Lagerflansch 2 sind Gleitlager 3, 4 zur Lagerung einer Antriebswelle 5 befestigt. Auf dem in Fig. 1 unteren, Ende der Antriebswelle 5 ist eine Buchse 6 als Rotorbuche fest angebracht. Die Rotorbuchse 6 ist mit einem bezüglich der Statorwicklung innenliegenden Rotor­ zylinder 7 sowie über diesen mit einem bezüglich der Sta­ torwicklung außenliegenden Rotortopf 8 fest verbunden.

Der Rotorzylinder 7 und der Rotortopf 8 bestehen aus weichmagnetischem Material. Sie sind am Boden 33 des Rotortopfes 8 durch Schweißen (in Fig. 1 angedeutet), Stauchen oder Rollieren (in Fig. 2 angedeutet) oder auf ähnliche Weise zusammengefügt. Ein Rotormagnet 10 be­ findet sich auf der Außenfläche des Rotorzylinders 7. Der Rotormagnet 10 wird von einem Dauermagnetring ge­ bildet, der derart radial magnetisiert ist, daß auf der Mantelfläche des Magneten in Umfangsrichtung vier Magnetpole (zwei magnetische Nordpole und zwei damit abwechselnde magnetische Südpole) entstehen, wie dies beispielsweise in Fig. 1 der DE 31 22 049 A1 näher dargestellt ist. An Stelle eines ein­ teiligen Magnetrings können zur Bildung des Rotormagne­ ten 10 auch mehrere gesonderte Magnetsegmente vorgese­ hen sein.

Gegenüber der offenen Seite des Rotortopfes 8 ist eine ringförmige gedruckte Leiterplatte 13 angeordnet. Auf der dem Rotortopf 8 zugewendeten Seite der Leiterplat­ te 13 sitzt radial außen eine planare Mäandertachowick­ lung 14 mit z. B. 32 oder 48 Polen mit oder ohne Kompen­ sationsschleife. Solche Mäandertachowicklungen und zuge­ hörige Kompensationsschleifen sind beispielsweise aus der DE 29 27 958 A1 bekannt und bedürfen infolgedessen vorliegend keiner näheren Erläuterung. Der Rand 12 des Rotortopfs 8 trägt einen mit der Mäandertachowicklung 14 einen Tachogenerator bildenden, planaren, entspre­ chend hochpoligen Magnetring 11 mit Eisenrückschluß. Der Rückschluß kann durch einen zusätzlich aufgesetz­ ten Ring oder einen aufgesetzten oder beim Tiefziehen des Rotortopfes 8 angedrückten Wulst 37 (Fig. 3) beste­ hen.

Radial innerhalb der ringförmigen Leiterplatte 13 sitzt ein Magnetfeldsensor 24, bei­ spielsweise in Form eines Hall-ICs, mit radial nach in­ nen sensibler Richtung. Auf die Rotorbuchse 6 ist ein Permanentmagnet 25 aufgesetzt, der an der an dem Magnetfeldsensor 24 vor­ beiläuft. Bei jedem solchen Vorbeilauf gibt der Magnetfeldsensor 24 einen Impuls ab.

Die Antriebswelle 5 weist an ihrem in Fig. 1 unteren Ende eine Kuppe 34 auf, die auf einer axialen Gleitlagerung 15 läuft.

Die Innenwandung des Rotortopfs 8 und die Außenwand des Rotormagneten 10 begrenzen einen zylindrischen Luftspalt 32, in dem ein Stator 16 mit einer Folge von einander nicht überlappenden, konzentrischen Spulen 17 angeordnet ist. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind, wie im einzelnen aus den Fig. 5 und 6 hervorgeht, sechs äquidistante, in Umfangsrichtung im wesentlichen unmit­ telbar aneinander anschließende Spulen vorgesehen, die vorzugsweise unter Bildung eines im wesentlichen hül­ senförmigen Statorkörpers mit einer Kunststoffmasse 20 umspritzt sind. Letztere verleiht dem Stator 16 relativ hohe Stabilität.

Die erläuterte Anordnung erlaubt es, in dem zylindrischen Luftspalt 32 zwischen Rotormagnet 10 und Rotortopf 8 be­ sonders viel zur Drehmomenterzeugung beitragendes Leitungs­ material (im allgemeinen Kupferdraht) unterzubringen. Da­ mit werden ein erhöhter Wirkungsgrad und ein besseres Leistungsgewicht erzielt.

Es werden ein relativ gleichmäßiges Drehmoment und ein hohes Leistungsvolumen erhalten. Dies gilt insbesondere bei axial kompakt aufgebauten Motoren, d. h. Motoren, bei denen das Verhältnis zwischen dem mittleren Durch­ messer D des Luftspalts 32 und der effektiven Leiter­ länge L der Spulen 17 größer als 0,5 und vorzugsweise größer als 1 ist.

Die Spulen 17 greifen im Bereich ihrer einen Stirnseite durch entsprechende Ausnehmungen der Leiterplatte 13 hindurch, und sie sind in einen Bereich 18 einer ring­ förmigen Spulenhalterung 19 eingebettet. Die Wicklungs­ enden der Spulen 17 sind mit Spulenanschlüs­ sen verbunden, die auf der Leiterplatte 13 vorgesehen sind (nicht näher veranschaulicht). Die Spulenhalterung 19 bzw. der von den Spulen 17 und der Kunststoffmasse 20 gebildete Statorkörper sind mit Schrauben 21 am Boden 35 eines topfförmigen Gehäuses 22 befestigt. Das Gehäuse 22 ist in einer entsprechenden Ausnehmung 23 des Lager­ flanschs 2 festgemacht. Der Boden 35 des Gehäuses 22 trägt die Gleitlagerung 15. Ein Anschlußkabel 26 führt von der Leiterplatte 13 durch eine Öffnung 27 des Bo­ dens 35 hindurch.

Während sich das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbei­ spiel besonders als komplette Antriebseinheit eignet, zeigen die Fig. 2 und 3 Ausführungsformen eines Motors, der als Zulieferungsteil einen nachträglichen Anbau er­ möglicht. In diesem Fall sind der Lagerflansch 2, die Antriebswelle 5 und im Lagerflansch 2 befestigte Kugellager 36 vorhanden. Die Antriebswelle 5 weist bei diesen Ausführungsfor­ men eine Führungsfläche 28, beispielsweise in Form einer Abflachung, und einen vorzugsweise Außengewinde tragen­ den Ansatz 29 auf. Das dargestellte eine Kugellager 36 ist - ebenso wie das eine Gleitlager 4 - etwa im Bereich der Mitte des magnetisch wirksamen Luftspalts 32 ange­ ordnet. Die übrigen, oben beschriebenen Einzelteile des Antriebsmotors sind komplett vormontiert, und sie werden in vormontierter Form auf die Antriebswelle 5 bzw. in die Ausneh­ mung 23 des Lagerflanschs 2 geschoben. Dann wird eine Scheibe 31 auf den Ansatz 29 gesteckt. Auf das Außen­ gewinde des Ansatzes 29 wird eine Mutter 30 aufge­ schraubt.

Entsprechend der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 4 können der Rotorzylinder 7, der Rotortopf 8 und die Ro­ torbuchse 6 auch zu einem doppelzylinderförmigen ein­ stückigen Rotorbauteil 9 zusammengefaßt sein, das zweck­ mäßig aus weichmagnetischem Sintereisen gefertigt werden kann. Dabei müssen nur der äußere Mantel des Rotorzy­ linders 7 im Bereich der Anbringung des Rotormagneten 10 und die eine Stirnseite des Rotorzylinders zur Be­ festigung des Magnetrings 11 spanabhebend bearbeitet werden. Daraus ergibt sich gegenüber den Ausführungs­ formen gemäß den Fig. 1 bis 3 eine erhebliche Kosten­ senkung.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 ist in Verbindung mit der dreiphasigen Statorwicklung nur ein einziger Magnetfeldsensor 24 vorhanden. Dieser Magnetfeldsensor 24 kann an einen Mikroprozessor angeschlossen sein, der als Kommutierungsteuereinrichtung dient und über eine entsprechende Endstufe für eine zyklische Beaufschlagung der Spulen 17 mit Strom sorgt, wie dies im einzelnen in der DE 33 41 731 A1 erläutert ist. Statt dessen können grundsätzlich aber auch in der für kollektorlose Gleichstrommotoren mit Dreiphasenwicklung üblichen Weise drei Drehstellungssensoren vorgesehen sein, wie dies beispielsweise in der DE 31 22 049 A1 erläutert ist.

Claims (17)

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem glockenförmigen, doppelzylindrischen Permanentmagnetrotor und einer eisenlosen Statorwicklung, die in einem von Ro­ toreisenteilen gebildeten Luftspalt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (17) der Statorwicklung an ihrer Halterungsseite in Ausnehmungen einer ge­ druckten Leiterplatte (13) eingelassen sind, die Spulenanschlüsse trägt.

2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Spulen (17) mit einer Kunststoffmasse (20) umspritzt sind, die auch die Ausneh­ mungen der Leiterplatte (13) eingespritzt ist.

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (17) an ihrer Halterungsseite zusätzlich in einen ringförmigen Be­ reich (18) einer Spulenhalterung (19) eingebettet sind.

4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rotoreisenteile einen Rotortopf (8), dessen Um­ fangswand die Spulen (17) von außen umgreift, und einen zu den Spulen (17) und dem Rotortopf (8) konzentrischen, auf der Innenseite der Spulen liegenden Rotor­ zylinder (7) aufweisen.

5. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotormagnet (10) an der zylindrischen Außenfläche des Rotorzylinders (7) an­ gebracht ist.

6. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rotormagnet (10) und die Rotoreisenteile (7, 8) von der gleichen Stirnseite her gelagert sind wie die Spulen (17).

7. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorzylinder (7) auf der vom Boden (33) des Rotortopfs (8) abliegenden Seite über eine Buchse (6) mit einer Antriebswelle (5) verbunden ist.

8. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch ein topfförmiges Gehäuse (22), das den Permanentmagnetrotor umgreift, wobei die Spulenhalterung (19) an der Innenseite des Bodens (35) des Gehäuses (22) befestigt ist.

9. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (6 bis 10) an der Innenseite des Bodens (35) des Gehäuses (22) drehbar abgestützt und/oder gehaltert ist.

10. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (35) des Gehäuses (22) und der Boden (33) des Rotortopfs (8) be­ nachbart auf gegenüberliegenden Stirnseiten der Spulen (17) sitzen.

11. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Rotor und Stator des Motors zu einer mit der An­ triebswelle (5) lösbar verbindbaren vormontierten Einheit zusammengefaßt sind.

12. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein an einem Magnetfeldsensor (24) vorbeilaufender Perma­ nentmagnet (25) von der Buchse (6) des Rotors (6 bis 10) getragen wird.

13. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem mittleren Durchmesser (D) des zylindrischen Luftspalts (32) und der effektiven Leiterlänge (L) der Spulen (17) größer als 1 ist.

14. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sechs Spulen (17) vorgesehen sind und der Rotormagnet (10) vier Pole aufweist.

15. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung dreiphasig ist und aus wenigstens 3n einander nicht überlappenden, äquidistant verteilten, konzentrierten Spulen (17) besteht, und daß der Rotormagnet (10) mit 2n Polen versehen ist, wobei n eine ganze Zahl 1 ist.

16. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (13) zugleich den Statorteil (14) eines Tachogenerators (11, 14) trägt.

17. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorteil (14) des Tachogenerators (11, 14) eine auf der Leiterplatte (13) ausgebil­ dete Mäandertachowicklung ist.