DE3603031A1

DE3603031A1 - Buerstenloser gleichstrommikromotor

Info

Publication number: DE3603031A1
Application number: DE19863603031
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Kyoto Hotta; Minoru Otsu Shiga Imazato; Michio Tokio/Tokyo Sudo
Original assignee: Kangyo Denkikiki KK; J Morita Manufaturing Corp
Current assignee: Kangyo Denkikiki KK; J Morita Manufaturing Corp
Priority date: 1985-02-01
Filing date: 1986-01-31
Publication date: 1986-08-07
Also published as: DE3603031C2; JPS61180560A; US4665331A

Description

- 3 PAF 1236

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommikromotor mit einer Statorwicklung und einem Magnetpole bildenden, von der Statorwicklung umfaßten Rotor.

Bei bekannten Mikromotoren dieser Art wird die Statorwicklung in der Weise ausgebildet, daß ein isolierter Kupferdraht, beispielsweise ein lackisolierter Draht, entsprechend gewickelt wird. Die Statorwicklung ist dabei in der Regel relativ groß und dick, was einer Miniaturisierung des Mikromotors entgegensteht. Wenn bei einem Mikromotor eine Statorwicklung vorgesehen ist, die durch Wickeln eines isolierten Kupferdrahtes erhalten wird, ist im allgemeinen das Verhältnis zwischen dem Kupfervolumen und dem von der Wicklung eingenommenen Raum verhältnismäßig klein. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit des Motors beeinträchtigt. Es ist extrem schwierig, einen Kleinst-Mikromotor mit verbesserter Leistungsfähigkeit zu fertigen. Ein Mikromotor mit einer Statorwicklung der vorstehend genannten Art wird in der Weise aufgebaut, daß zunächst die Wicklung durch Wickeln des lackisolierten Drahtes ausgebildet und dann in ein Joch oder einen magnetischen Rückschluß eingesetzt und dort festgelegt wird. Dies erfordert relativ komplizierte Montagevorgänge. Der lackisolierte Draht kann leicht beschädigt werden, wenn die Wicklung in den magnetischen Rückschluß eingebracht wird; insbesondere kann es dabei zu einer Verletzung der Isolierung kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend geschilderten Probleme auszuräumen und einen bürstenlosen Gleichstrommikromotor zu schaffen, der als Kleinstmotor aufgebaut werden kann, besonders leistungsfähig ist und eine einfache, kostensparende Fertigung erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Statorwicklung aus zwei oder mehr auf einem isolierenden Film ausgebildeten, koaxial gewickelten Spulenschichten besteht, die jeweils mit einer Mehrzahl von in Wickelrichtung kontinuierlich in Serie angeordneten Spulenmustern ausgestattet sind.

Der Mikromotor nach der Erfindung ist im Vergleich zu einem bekannten Mikromotor mit Kupferdrahtwicklung platzsparend, dünn und leicht. Er läßt sich besonders klein aufbauen. Weil die Spulenmuster auf einem dünnen isolierenden Film ausgebildet sind, läßt sich ein hohes Verhältnis zwischen dem Volumen des leitenden Wicklungswerkstoffes und dem von der Wicklung eingenommenen Raum erreichen, wodurch die Leistungsfähigkeit des Motors wesentlich gesteigert wird. Es kann auf diese Weise ein Hochleistungsmikromotor erzielt werden.

Die koaxial aufgewickelten Spulenschichten lassen sich einfach in das Joch oder den magnetischen Rückschluß einbringen und dort festlegen. Das Fertigungsverfahren ist dadurch vereinfacht, und es besteht keine Gefahr einer Verletzung der isolierenden Schicht beim Einbau der Statorwicklung. Die erfindungsgemäß ausgebildete Statorwicklung kann mit hoher Genauigkeit in den magnetischen Rückschluß eingepaßt werden. Es läßt sich auf diese Weise eine Verringerung des elektrischen Widerstandes erzielen, was seinerseits die Wärmeerzeugung in dem laufenden Motor herabsetzt und den Aufbau eines raschlaufenden Mikromotors gestattet.

Entsprechend einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine der Spulenschichten zusätzlich zu den Spulenmustern ein oder mehr von den Spulenmustern verschiedene leitende Muster auf, die einen Übermittlungsweg für Steuersignale oder dergleichen bilden und die derart gegenseitig angeordnet sind, daß auch bei rotierendem Rotor keine eine Fehlfunktion einer Steuer-

anordnung oder dergleichen verursachende Potentialdifferenz zwischen den leitenden Mustern aufgrund einer Differenz von zwischen den leitenden Mustern induzierten elektromotorischen Kräften erzeugt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

-i? Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines bür

stenlosen Gleichstrommikromotors gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt des Mikromotors nach Fig.1,

ohne Rückschluß und Gehäuse,

Fign. 3 und 4 Abwicklungen der Spulenschichten für die

Α-Phase und die B-Phase,

Fig. 5 einen Teilschnitt einer Spulenschicht,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines mäander-

förmigen Spulenmusters,

Fign. 7 und 8 Abwicklungen der Spulenschichten gemäß einer

abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 eine schematische perspektivische Darstellung

einer Statorwicklung unter Verwendung der Spulenschichten gemäß den Fign. 7 und 8, sowie

Fign. 10 und 11 abgebrochene Längsschnitte von zahnärztlichen

Handstücken, die mit dem erfindungsgemäßen Gleichstrommikromotor ausgestattet sind.

Der Mikromotor gemäß den Fign. 1 und 2 weist ein Joch oder einen magnetischen Rückschluß 1, eine Statorwicklung 2, einen Magnetpole bildenden Rotor 3 und eine rotierende Welle 4 auf. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist die Welle 4 mit dem Rotor 3 einstückig verbunden und mittels eines Lagers 6 im wesentlichen mittig in einem zylindrischen Motorgehäuse 7 gelagert. Der Rotor 3 wird von der Statorwicklung 2 umfaßt. Die Statorwicklung 2 besteht aus koaxial aufgewickelten Spulenschichten 20(A) und 20(B), die Spulen einer Α-Phase und einer B-Phase darstellen.

An der Innenseite einer das offene Ende des Motorgehäuses 7 verschließenden Endplatte 5 sitzt eine gedruckte Leiterplatte (nicht dargestellt), die eine Anordnung zur Beaufschlagung der Spulenschichten 20(A) und 20(B) mit elektrischem Strom und einen Drehstellungsdetektor zum Erfassen des Drehwinkels des Rotors trägt. Gegebenenfalls können auf der gedruckten Leiterplatte auch weitere Elemente sitzen, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden.

Der veranschaulichte Motor ist ein Zweiphasenmotor mit 12 Polen (Fig. 2), wobei der Rotor 3 entlang seiner Umfangsflache insgesamt 12 einander abwechselnde Nord- und Südpole N bzw. S bildet. Die Spulenschichten 20(A) und 20(B) für die A- und die B-Phase sind mit der gleichen Winkelteilung wie die Magnetpole gewickelt, wobei ihre Spulenmuster 21 den betreffenden Magnetpolen des Rotors 3 entsprechen.

Wie aus den Abwicklungen gemäß den Fign. 3 und 4 hervorgeht, sind die Spulenmuster 21 der Spulenschicht 20(A) der Α-Phase und der Spulenschicht 20(B) der B-Phase um eine halbe Spulenteilung (d.h. 90° ,) gegeneinander versetzt. Beide Spulenschichten 20(A) und 20(B) sind sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite eines isolierenden Films 22 ausgebildet, wobei mehrere Spulenmu-

ster 21 kontinuierlich aufeinanderfolgen (Fig. 5). Die sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite des isolierenden Films 22 sitzenden Spulenmuster 21 sind mit Anschlüssen 23 in Reihe geschaltet, die ihrerseits über Durchgangslöcher oder Lötverbindungen untereinander verbunden sind. Wenn daher die Spulenmuster 21 mit Strom beaufschlagt werden, addieren sich die von den Spulenmustern auf der Oberseite des Films und die von den Spulenmustern auf der Unterseite des Films erzeugten Magnetflüsse, was zu einer verhältnismäßig hohen Magnetflußdichte führt.

In den Fign. 3 und 4 sind mit 24 der Anfangsanschluß und mit 25 der Endanschluß der A-Phasenwicklung sowie mit 26 der Anfangsanschluß und mit 27 der Endanschluß der B-Phasenwicklung bezeichnet.

Dadurch, daß entsprechend Fig. 5 die Leiter 21a der Spulenmuster 21 auf der Oberseite und der Unterseite des Films 2 2 einander überlappen, wird für eine Verstärkung der dünnwandigen Spulenschicht 20 gesorgt. Die Spulenschicht 20 wird in der Weise ausgebildet, daß Kupferfolien (nicht dargestellt) auf der Oberseite und der Unterseite des isolierenden Films 22 ausgebildet werden und daß diese Kupferfolien unter Ausbildung der gewünschten Spulenmuster photogeätzt werden (21b). Während in den Fign. 3 und 4 ovale Spulenmuster 21 vorgesehen sind, können auch mäanderförmige Spulenmuster (wie dies in Fig. 6 bei 21 in ausgezogenen Linien schematisch veranschaulicht ist) oder in anderer Weise geformte Spulenmuster vorgesehen werden. Die Α-Phasen- und B-Phasen-Spulenschichten 20(A), 20(B), die auf beiden Seiten des isolierenden Films 22 die Spulenmuster 21 tragen, werden verhältnismäßig stramm koaxial aufgewickelt und mit einer isolierenden Schicht, beispielsweise einem isolierenden Film oder einer isolierenden Klebstoffschicht (nicht dargestellt) verkleidet, um die in Fig. 2 dargestellte Statorwicklung 2 zu erhalten. Die so aufgebaute Statorwicklung 2 wird in dem magnetischen Rückschluß 1 des bürstenlosen Gleichstrommikromotors unter Verwendung von Klebstoff oder dergleichen in der

- 8 in Fig. 1 angedeuteten Weise festgelegt.

Während bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform Spulenmuster auf beiden Seiten des isolierenden Filmes ausgebildet sind, um die von der Statorwicklung erzeugte Magnetflußdichte zu erhöhen, ist es grundsätzlich auch möglich, Spulenmuster nur auf der Oberseite oder der Unterseite des isolierenden Filmes vorzusehen. In einem solchen Fall ist die zur Verkleidung der aufgewickelten Spulenschicht vorgesehene isolierende Schicht nicht notwendig.

Während bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen Spulenschichten für den Aufbau einer Zweiphasenwicklung vorgesehen sind, kann grundsätzlich auch eine Wicklung mit η-Phasen (wobei η = 3 oder mehr) in entsprechender Weise aufgebaut werden. In diesem Fall ist eine der Phasenzahl der Wicklung entsprechende Anzahl von Spulenschichten vorzusehen. Die Spulenmuster sind gegeneinander um einen elektrischen Winkel von (i80/n)° zu versetzen. Die Spulenschichten werden zusammen aufgewickelt, wobei eine isolierende Schicht zwischen benachbarten Windungen vorgesehen wird.

Bei der in den Fign. 7 und 8 veranschaulichten abgewandelten Ausführungsform der Spulenschichten sind auf der Spulenschicht 20(B) für die B-Phase zusätzliche leitende Muster 81, 82 vorgesehen, die sich von dem Spulenmuster 21 unterscheiden. Die leitenden Muster 81, 82 bilden einen Übermittlungsweg für Steuersignale.

Bei der Ausbildung der leitenden Muster 81, 82 ist dafür zu sorgen, daß Fehlfunktionen der zugehörigen Steueranordnung verursacht durch induzierte elektromotorische Kräfte vermieden werden. Bei laufendem Rotor 3 findet nämlich eine Relativbewegung zwischen den einzelnen leitenden Mustern 81, 82 und dem von dem Rotor 3 erzeugten rotierenden Magnetfeld statt. Infolgedessen wird in jedem der leitenden Muster eine elektromotorische Kraft induziert. Wenn eine Differenz

zwischen den in den einzelnen leitenden Mustern induzierten elektromotorischen Kräften besteht, kommt es zu einer Potentialdifferenz zwischen den einzelnen leitenden Mustern. Eine solche Potentialdifferenz kann zu Fehlfunktionen der Steueranordnung führen. Wenn beispielsweise ein von den leitenden Mustern gebildeter Übermittlungsweg für die Steuersignale während einer Drehbewegung des Rotors 3 geöffnet wird und zwischen den einzelnen leitenden Mustern 81, 8 2 eine Potentialdifferenz entsteht, kann der resultierende elektrische Stromfluß zu einer angeschlossenen Last Ursache einer Fehlfunktion sein. Beispielsweise können Anzeigelampen, die bei Abschalten der Stromzufuhr ausgehen sollten, aufgrund einer derartigen Potentialdifferenz aufleuchten.

Die Bedingung für das Ausschließen einer solchen Fehlfunktion läßt sich durch Anwendung der 3-Finger-Regel ermitteln. Dabei zeigt es sich, daß die leitenden Muster 81, 82 in gleichem Abstand von und unter dem gleichen Winkel mit Bezug auf die Mittelachse des Rotors 3 anzuordnen sind. Nach der 3-Finger-Regel ergibt sich nämlich die elektromotorische Kraft e, die in einem sich in einem Magnetfeld bewegenden Leiter induziert wird, als e = Blvsinö (wobei B die magnetische Flußdichte, I die Leiterlänge, ν die Drehgeschwindigkeit und θ der Winkel zwischen dem Magnetfeld und dem Leiter ist). Weil die magnetische Flußdichte B von dem Winkel θ abhängt und die Drehgeschwindigkeit ν von dem Abstand r von der Mittelachse des Rotors abhängt (v = rw), ist die erzeugte elektromotorische Kraft im wesentlichen die gleiche, wenn der Winkel θ und der Abstand r im wesentlichen gleich sind.

Die vorstehend genannte Bedingung kann daher leicht näherungsweise erfüllt werden, wenn die leitenden Muster 81, 82 am Ende des Spulenmusters 21 der Spulenschicht 20 in unmittelbarer gegenseitiger Nähe und parallel zueinander vorgesehen werden, oder wenn die leitenden Muster derart angeordnet werden, daß sie sich von

Lage zu Lage überlappen, wenn die Spulenschicht zur Bildung der Statorwicklung 2 aufgewickelt wird.

Die Fign. 7 und 8 zeigen die Abwicklung der Spulenschicht 20 (A) für die Α-Phase und der Spulenschicht 20(B) für die B-Phase, wobei die beiden leitenden Muster 81, 82 am einen Ende des Spulenmusters 21 der Spulenschicht 20(B) ausgebildet sind. Die Spulenschichten werden zur Bildung der Statorwicklung 2 derart aufgewickelt, daß die jeweiligen Spulenmuster 21 mit Bezug aufeinander um 90° (el) versetzt sind, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist. Fig. 9 zeigt für dieses Beispiel die Anschlußverbindungen der Spulenschichten. Dabei ist der eine Endanschluß 27 der Spulenschicht 20(B) der B-Phase mit dem leitenden Muster 82 (Masseseite) zusammengefaßt, und beide Enden der leitenden Muster 81, 82 sind mit einer elektrischen Last L, beispielsweise einer Lampe, verbunden.

Die Fign. 10 und 11 zeigen zwei Anwendungsbeispiele für den erfindungsgemäßen bürstenlosen Gleichstrommikromotor, dessen Statorwicklung erhalten wird, indem Spulenschichten aufgewickelt werden, die leitende Muster der vorstehend erläuterten Art tragen. Entsprechend Fig. 10 ist ein bürstenloser Gleichstrommikromotor mit magnetischem Rückschluß 1, Statorwicklung 2 der oben erläuterten Art, Rotor 3 und Welle 4 in ein schnurloses zahnärztliches Handstück DH eingebaut. Ein Leitungsdraht 81' führt aus dem Mikromotor heraus. Sein anderes Ende ist über ein leitendes Bauteil 80 mit dem leitenden Muster 81 verbunden, das auf einer der die Statorwicklung 2 bildenden Spulenschichten 20 ausgebildet ist. Der mit dem leitenden Muster 82 verbundene Leitungsdraht ist weggelassen. Bei dieser Ausführungsform ist die Anordnung so getroffen, daß von der (nicht veranschaulichten) Stromquelle, die hinter dem Mikromotor sitzt, elektrischer Strom einer lichtemittierenden Diode 9 zugeführt wird und von der Diode 9 emittiertes Licht über eine optischer Faser 10 zu dem Kopf des Handstücks DH

geleitet wird. Dort tritt das Licht über eine an der Basis des Handstückkopfes vorgesehene Öffnung aus.

Auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 ist der bürstenlose Gleichstrommikromotor in das schnurlose zahnärztliche Handstück DH eingebaut. Bei dieser Ausführungsform wird der Leitungsdraht 81', der aus dem Mikromotor herausführt und dessen anderes Ende über das leitende Teil 80 mit dem leitenden Muster 81 verbunden ist, das auf der einen die Statorwicklung 2 bildenden Spulenschicht 20 ausgebildet ist, benutzt, um einen Speisestromkreis für Drucktasten-Steuerschalter zu bilden, die an der vorderen Seite des Handstücks DH sitzen. Mittels derart angeordneter Steuerschalter lassen sich über das Handstück DH auf besonders bequeme Weise die Wasserzuführung und die Luftzuführung (nicht veranschaulicht) von Hand ein- und ausschalten.

Bei den veranschaulichten Ausführungsbeispielen ist nur ein einziger von zwei leitenden Mustern gebildeter Übermittlungsweg vorgesehen. Es versteht sich jedoch, daß zur Erhöhung der Anzahl der Übermittlungswege entweder die Anzahl der Spulenschichten oder die Anzahl der leitenden Muster auf jeder Spulenschicht bedarfsweise erhöht werden kann. Auch in diesem Fall ist vorzugsweise dafür gesorgt, daß keine Potentialdifferenz zwischen den einzelnen leitenden Mustern aufgrund von in diesen Mustern induzierten unterschiedlichen elektromotorischen Kräften auftritt. Es versteht sich ferner, daß der erläuterte Übermittlungsweg zur Übermittlung von beliebigen Signalen genutzt werden kann.

'φ

- Leerseite

Claims

PATENTANWALT DIPL.-ING. GLRHAKD SCHWAN

ELFENSTRASSE 32 · D-8000 MQNCHFN 8S ß603031

PAF 1236

Kangyo Denkikiki Kabushihi Kaisha 1-15, Ogawa-cho, Shinjuku-ku, Tokyo, Japan

und

Kabushiki Kaisha Morita Seisakusho 680, Higashihama Minami-machi,

Fushimi-ku,
Kyoto-shi, Japan

Bürstenloser Gleichstrommikromotor '

Patentansprüche

i). Bürstenloser Gleichstrommikromotor mit einer Statorwicklung und einem Magnetpole bildenden, von der Statorwicklung umfaßten Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (2) aus zwei oder mehr auf einem isolierenden Film (22) ausgebildeten, koaxial gewickelten Spulenschichten (2OA, 20B) besteht, die mit einer Mehrzahl von in Wickelrichtung kontinuierlich in Serie angeordneten Spulenmustern (21) ausgestattet sind.
2. Bürstenloser Gleichstrommxkromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Spulenschichten (20B) zusätzlich zu den Spulenmustern (21) ein oder mehr von den Spulenmustern verschiedene leitende Muster (81, 82) aufweist, die einen Übermittlungsweg für Steuersignale oder dergleichen

FERNSPRECHER: 089/6012339 · T ELEX: 512589 elp.i d ■ KABEL: ELECTRICPATENT MÜNCHEN

_ 2 —

bilden und die derart gegenseitig angeordnet sind, daß auch bei rotierendem Rotor (3) keine eine Fehlfunktion einer
Steueranordnung oder dergleichen verursachende Potentialdifferenz zwischen den leitenden Mustern aufgrund einer Differenz von zwischen den leitenden Mustern induzierten elektromotorischen Kräften erzeugt wird.