DE3603031C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommikromotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem bekannten Gleichstrommotor dieser Art (DE-OS 16 13 380) sind die jeder Wicklungsphase zugeordneten Spulen mäanderförmig jeweils auf mindestens einer Seite einer zu einem Kreiszylinder gebogenen Folie aufgedruckt, wobei je Pol ein Leiter vorgesehen ist, dessen Breite kleiner als der Abstand zwischen benachbarten Leitern ist. Auf jeder Folie können zwei gegenläufige Wicklungen erhalten werden, indem beide Seiten der Folie mit einer gleichen Leiteranordnung bedruckt werden. Ein ähnlicher bürstenloser Gleichstrommotor ist aus der prioritätsälteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung entsprechend der DE-OS 34 47 979 bekannt. Auch dort ist das flexible Trägermaterial der als gedruckte Schaltung ausgebildeten Statorwicklung zu einem geschlossenen Ring gebogen. Die gedruckte Schaltung kann als sogenannte "Multi-Layer-Anordnung" realisiert sein. Der Träger ist vorzugsweise beidseitig mit einer aus mehreren parallelen Leitern bestehenden mäanderförmigen Leiterbahnanordnung ausgestattet, wobei wenigstens eine Leiterbahnanordnung auf einer Seite des Trägers gegenüber wenigstens einer weiteren Leiterbahnanordnung auf der anderen Trägerseite um beispielsweise 60°, 90° oder 120° elektromagnetisch phasenverschoben angeordnet sein kann. Um eine höhere EMK zu erzielen und einen Betrieb mit doppelter Betriebsspannung zuzulassen, kann alternativ auch eine deckungsgleiche Anordnung der auf den gegenüberliegenden Trägerseiten befindlichen Leiterbahnanordnungen vorgesehen sein.

Es ist ferner ein bürstenloser Gleichstrommotor mit ebenem Luftspalt bekannt (DE-OS 32 31 966), der eine auf einer starren Trägerplatte sitzende flache Statorwicklung in Form einer mäanderförmigen Leiterbahnanordnung mit mehreren Leiterbahnen pro hin- und herführendem Mäanderabschnitt oder in Form von mehreren sternförmig verteilten flachen Teilspulen aus konzentrischen Leiterbahnen aufweist. Die Trägerplatte kann beidseitig mit Leiterbahnanordnungen versehen sein, die um einen vorgegebenen elektrischen Winkel von z. B. 90° oder 120° versetzt sind. Die bekannte Statorwicklung kann ferner in sogenannter Mehrlagen-Technik aufgebaut sein.

Desweiteren ist ein kollektorloser Gleichstrommotor bekannt (DE-OS 29 01 676), bei dem im Stator zusätzlich zu der Drehmoment erzeugenden Antriebswicklung eine Sensorwicklung zum Erfassen einer Oberwelle der im Stator induzierten Spannung untergebracht ist, wobei die Sensorwicklung relativ zu der Antriebswicklung so angeordnet ist, daß die Summe der in der Sensorwicklung von der Antriebswicklung transformatorisch induzierten Spannungen im wesentlichen Null ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere für den Antrieb von schnurlosen zahnärztlichen Handstücken und dergleichen geeigneten bürstenlosen Gleichstrommikromotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der leistungsfähig und robust ist sowie eine einfache und kostensparende Fertigung erlaubt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Gleichstrommikromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Anspruchs gelöst.

Der Aufbau der Spulenschichten aus jeweils einem mehrlagigen Wickel eines Films, der beidseits Spulenmuster mit sich wechselseitig überlappenden Leitern trägt, erlaubt es, in dem zylindrischen Ringraum zwischen der Außenfläche des Rotors und der dazu koaxialen Innenfläche des magnetischen Rückschlusses auf fertigungstechnisch einfache Weise für einen großen Kupferfüllfaktor und damit einen hohen Wirkungsgrad des Motors zu sorgen. Insbesondere führt die Überlappung der Leiter der auf gegenüberliegenden Filmseiten sitzenden Spulenmuster zu einer wesentlichen großflächigen mechanischen Verstärkung des Films. Dieser Film kann daher ohne Beeinträchtigung der mechanischen Stabilität der Statorwicklung besonders dünnwandig ausgebildet werden. Es besteht keine Gefahr einer Verletzung der isolierenden Filmschicht 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 rasch laufenden Mikromotors gestattet. Bei vorgegebenem Ausgangsleistungsbedarf lassen sich die Motorabmessungen vergleichsweise klein halten. Diesen Eigenschaften kommt bei batteriegetriebenen Geräten, wie schnurlosen zahnärztlichen Handstücken, besondere Bedeutung zu.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 2.

Sie erlaubt es, über den Mikromotor Steuersignale störungsfrei zu übertragen und damit gesonderte Signalleitungen einzusparen, die andernfalls zwecks Übertragung von Steuersignalen zusätzlich zu dem Motor z. B. in einem zahnärztlichen Handstück installiert werden müßten.

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

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines bürstenlosen Gleichstrommikromotors gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt des Mikromotors nach Fig. 1, ohne Rückschluß und Gehäuse,

Fig. 3 und 4 Abwicklungen der Spulenschichten für die A-Phase und die B-Phase,

Fig. 5 einen Teilschnitt einer Spulenschicht,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines mäanderförmigen Spulenmusters,

Fig. 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 Fig. 7 und 8, sowie

Fig. 10 und 11 abgebrochene Längsschnitte von zahnärztlichen Handstücken, die mit dem erfindungsgemäßen Gleichstrommikromotor ausgestattet sind.

Der Mikromotor gemäß den Fig. 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 A-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 Umfangsfläche 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 Fig. 3 und 4 hervorgeht, sind die Spulenmuster 21 der Spulenschicht 20(A) der A-Phase und der Spulenschicht 20(B) der B-Phase um eine halbe Spulenteilung (d. h. 90°_el) 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 Spulenmuster 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 Fig. 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 22 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 Fig. 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 Spulenmsuter vorgesehen werden. Die A-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 in Fig. 1 angedeuteten Weise festgelegt.

Während bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen Spulenschichten für den Aufbau einer Zweiphasenwicklung vorgesehen sind, kann grundsätzlich auch eine Wicklung mit n-Phasen (wobei n = 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 (180/n)° zu versetzen. Die Spulenschichten werden zusammen aufgewickelt, wobei eine isolierende Schicht zwischen benachbarten Windungen vorgesehen wird.

Bei der in den Fig. 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, 82 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 = BlvsinR (wobei B die magnetische Flußdichte, l die Leiterlänge, v die Drehgeschwindigkeit und R der Winkel zwischen dem Magnetfeld und dem Leiter ist). Weil die magnetische Flußdichte B von dem Winkel R abhängt und die Drehgeschwindigkeit v von dem Abstand r von der Mittelachse des Rotors abhängt (v = rw), ist die erzeugte elektromotorische Kraft im wesentlichen die gleiche, wenn der Winkel R 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 Fig. 7 und 8 zeigen die Abwicklung der Spulenschicht 20(A) für die A-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 Fig. 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 optische 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 11 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 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.

Claims (3)

1. Bürstenloser Gleichstrommikromotor mit zylindrischem Luftspalt, einer von einem magnetischen Rückschluß umgriffenen n-phasigen Statorwicklung und einem Magnetpole aufweisenden, von der Statorwicklung umfaßten Rotor, bei dem die Statorwicklung aus n auf isolierendem Film ausgebildeten koaxialen Spulenschichten besteht, von denen jeweils eine jeder der n-Phasen zugeordnet ist und die jeweils eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung kontinuierlich in Serie angeordneten, auf beide Seiten des zugehörigen isolierenden Films aufgebrachten Spulenmustern aufweisen, wobei die Spulenmuster jeder der Spulenschichten gegenüber den Spulenmustern der anderen Spulenschicht bzw. Spulenschichten um einen Winkel von (180/n)°_el in Umfangsrichtung versetzt sind und wobei n eine ganze Zahl <1 ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spulenschichten (20A, 20B) aus einem mehrlagigen Wickel besteht (Fig. 2) und daß die Breite und der gegenseitige Abstand (Photoätzung 21b) der Leiter (21a) der Spulenmuster (21) derart ausgebildet und die Leiter (21a) der Spulenmuster (21) auf der einen Seite des Films (22) gegenüber den Leitern (21a) des betreffenden Spulenmusters (21) auf der anderen Seite des Films (22) in Umfangsrichtung derart versetzt sind, daß jeweils ein Leiter auf der einen Filmseite zwei Leiter auf der anderen Filmseite in Umfangsrichtung überlappt (Fig. 5).

2. Bürstenloser Gleichstrommikromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Spulenschichten (20B) zusätzlich zu den Spulenmustern (21) mindestens ein von den Spulenmustern verschiedenes leitendes Muster (81, 82) zum Übertragen von Steuersignalen oder dergleichen von der einen zur anderen Stirnseite des Motors aufweist, wobei bei Verwendung von zwei oder mehr solcher zusätzlicher leitender Muster diese Muster derart gegenseitig angeordnet sind, daß beim Betrieb des Motors keine störende Potentialdifferenz zwischen diesen zusätzlichen leitenden Mustern induziert wird.

3. Zahnärztliches Handstück mit eingebautem bürstenlosem Gleichstrommikromotor, der die Merkmale nach einem der Ansprüche 1 oder 2 aufweist.