DE3726413A1 - Elektronisch kommutierter gleichstrommotor mit fixiereinrichtung zum festlegen der permanentmagnete - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit einer Fixiereinrichtung zum Festlegen sei­ ner Permanentmagnete gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren, oft auch als kol­ lektorlose Gleichstrommotoren bezeichnet, sind allgemein be­ kannt. Gewöhnlich bildet ein mehrteiliger Permanentmagnet den Rotor und der Stator weist eine entsprechende Anzahl von Pol­ schenkeln auf, die Motorwicklungen tragen. Der Motor kann als Innen- oder Außenläufer ausgebildet sein, in jedem Fall besitzt er einen feststehenden Rotorpositionsdetektor. Dieser ist zu­ meist aus Hallelementen aufgebaut, die die jeweilige Position des Rotors feststellen. Damit können in Abhängigkeit von der Rotorposition die Motorwicklungen selektiv in zyklischer Folge mit Hilfe einer Ansteuerungsschaltung an eine Gleichspannungs­ quelle angeschlossen werden.

Gleichstrommotoren dieser Art sind vorzugsweise Kleinmotoren, die für die verschiedensten Anwendungsfälle ausgelegt sind. Häufig werden sie auch als Präzisionsantriebe mit günstigen Hochlaufeigenschaften und einer dem Anwendungsfall entspre­ chend exakt geregelten Drehzahl eingesetzt.

In vielen Anwendungsfällen werden die Permanentmagnete einzeln an die Innenfläche eines Tragelementes des Gleichstrommotores, im Falle eines Außenläufermotors häufig die umlaufende Nabe des Motors, angeklebt oder zusammen mit diesem Tragelement vergos­ sen. Dies bedingt, gerade bei Präzisionsmotoren, eine entspre­ chend aufwendige Fertigung, um eine hohe Serienqualität zu er­ reichen. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht dann auch darin, daß eine Endkontrolle der Magnete erst im montierten Zu­ stand möglich ist und die Magnete bei der genannten Fixierme­ thode mit vertretbarem Aufwand nicht mehr demontierbar sind. Montagefehler oder fehlerhafte Permanentmagnete führen daher unmittelbar zu Ausschuß.

Dieses Problem wurde bereits erkannt. So ist aus DE-A-35 10 845 eine Fixiereinrichtung für Permanentmagnete in Gleichstrommoto­ ren bekannt, mit deren Hilfe die Permanentmagnete mit einfachen Mitteln axial an dem Tragelement des Gleichstrommotors fixiert werden, wobei auch eine nachträgliche Demontage der Permanent­ magnete möglich sein soll. Um dies zu erreichen, wird als Fi­ xiereinrichtung ein elastischer Separator in Ringform vorgese­ hen, der vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt und derart ausgebildet ist, daß er die Magnete unter geringer Vorspannung umfaßt. Dieser Separator der bekannten Fixiereinrichtung ist als Käfig aufgebaut, dessen beiden Endflächen Stirnringe bil­ den, zwischen denen axial gerichtete Ausnehmungen zur Aufnahme der Permanentmagnete angeordnet sind. Diese bekannte Lösung bietet einen guten Gleichlauf des Gleichstrommotors infolge der genauen Anordnung der Permanentmagnete, bedingt durch die Kä­ figteilung. Sie erlaubt eine Demontage des Käfigs zusammen mit den Permanentmagneten mit allen Vorteilen für eine Reparatur, beispielsweise eine Entmagnetisierung der nach einer Demontage vereinzelten Magnete.

Die bekannte, als Separator bezeichnete Aufnahmevorrichtung für die Permanentmagnete hat jedoch einen schwerwiegenden funktio­ nellen Nachteil. Aus der geschlossenen Käfigform folgt, daß beide Endflächen als Stirnringe ausgebildet sind. Diese Endflä­ chen sollen vorzugsweise auch noch axial gerichtete Gewindeboh­ rungen zur Aufnahme von Ausgleichsgewichten aufweisen. Das er­ gibt zwangsläufig, daß ein den Permanentmagneten an einer Stirnseite gegenüberliegend fest angeordneter Rotorpositionsde­ tektor, in Form von wenigstens einem Hallelement, einen Min­ destabstand zu den Stirnflächen der Permanentmagnete aufweist, der gegenüber konventionellen Lösungen wesentlich größer ist. Bekannte Schaltkreise mit Hallelementen sind zwar so ausgelegt, daß sie einen gewissen Toleranzabstand zu dem Permanentmagnet noch aufzufangen vermögen, ohne daß das detektierte Positions­ signal in unzulässiger Weise verrauscht. Aufgrund der konstruk­ tiven Ausgestaltung der bekannten Lösung wird jedoch dieser To­ leranzabstand möglicherweise sogar überschritten. Damit liegt, konstruktiv bedingt, eine zusätzliche Fehlerquelle vor, die ge­ rade in Anwendungsfällen, in denen es auf eine möglichst exakte Regelung des Drehzahlverhaltens des Gleichstrommotors ankommt, sehr störend sein kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektro­ nisch kommutierten Gleichstrommotor der im Oberbegriff des Hauptanspruches näher bezeichneten Art zu schaffen, die eine Fixiereinrichtung zum exakten Festlegen der Permanentmagnete in axialer und radialer Richtung aufweist, die es jedoch gestat­ tet, den Rotorpositionsdetektor möglichst nahe gegenüber den Stirnflächen der Permanentmagnete statisch anzuordnen.

Bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor der im Oberbegriff des Hauptanspruches bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen dieses Haupt­ anspruches beschriebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung geht von der Form eines geschlosse­ nen Käfigs für die Fixiereinrichtung ab, sie weist stattdessen in axialer Richtung sich erstreckende und in radialer Richtung elastisch vorgespannte Haltestege auf, die lediglich über einen Stirnring untereinander verbunden sind. Diese Ausgestaltung er­ möglicht ein einfaches Einsprengen der Haltestege in eine ra­ dial umlaufende Nut des Tragelementes. Damit ist die Fixierein­ richtung in axialer Richtung formschlüssig festgelegt, ohne daß dafür weitere toleranzbehaftete Bauteile benötigt werden. Sie ist jedoch ohne weiteres wieder demontierbar.

Andererseits ist das freie Ende der Haltestege derart ausgebil­ det, daß sie eine der Stirnflächen der Permanentmagnete ledig­ lich teilweise derart umgreifen, daß die dazu vorgesehenen Fi­ xiervorsprünge der Haltestege in axialer Richtung nicht über die Stirnflächen der Permanentmagnete hinausragen. Der Rotorpo­ sitionsdetektor kann daher den Stirnflächen der Permanentmagne­ te unmittelbar benachbart angeordnet werden. Lediglich axiale Toleranzen müssen berücksichtigt werden. Außerdem liegt zwi­ schen dem Detektor und der zugeordneten Stirnfläche der Perma­ nentmagnete keine dämpfende Kunststoffschicht.

Gegenüber konventionell ausgeführten elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren mit eingeklebten Permanentmagneten weist die erfindungsgemäße Lösung also keine Nachteile auf. Sie erlaubt im Gegenteil, vorgegeben durch die radiale Anordnung der Halte­ stege eine definierte radiale Anordnung der Permanentmagnete und sorgt damit für einen guten Gleichlauf des Motors. Die Per­ manentmagnete sind auch in axialer Richtung definiert festge­ legt, so daß der konstruktiv bedingte Toleranzabstand zum Ro­ torpositionsdetektor klein gehalten werden kann. Darüber hinaus ist eine Demontage bei einer Reparatur oder nach einem Ferti­ gungstest ebenso einfach wie die Montage. Damit können alle de­ montierten Teile ohne weiteres entmagnetisiert werden, so daß tatsächlich eine Vollreinigung in einer Waschanlage möglich ist. Auch in Anwendungsfällen, bei denen es wesentlich darauf aufkommt, daß der Gleichstrommotor beim Einbau in eine ange­ triebene Baueinheit, beispielsweise in das Laufwerk eines Ma­ gnetplattenspeichers völlig staubfrei ist, können so Reparatu­ ren durchgeführt werden, die eine Wiederverwendbarkeit der Tei­ le gestatten.

Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekenn­ zeichnet. Sie werden mit ihren Vorteilen im folgenden im Zusam­ menhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Er­ findung näher erläutert. Diese Beschreibung erfolgt anhand der Zeichnung, dabei zeigt:

Fig. 1 als ein konventionelles Ausführungsbeispiel einen elek­ tronisch kommutierten Gleichstrommotor, der in eine Nabe einge­ baut ist, die das Antriebselement für das Laufwerk eines Ma­ gnetplattenspeichers bildet, d. h. im fertig montierten Zustand - hier nicht dargestellt - den Magnetplattenstapel trägt,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Nabenkörper von Fig. 1, der erfin­ dungsgemäß modifiziert ist mit bereits eingebauten und durch die erfindungsgemäße Fixiereinrichtung festgelegten Permanent­ magneten,

Fig. 3 in dreidimensionaler Darstellung die Fixiereinrichtung für die Permanentmagnete mit Haltestegen in rotationssymmetri­ scher Anordnung, die am freien Ende in Umfangsrichtung heraus­ ragende Fixiervorsprünge aufweisen,

Fig. 4 die dreidimensionale Darstellung eines Permanentmagneten, dessen eine Stirnfläche Ausnehmungen als Gegenstück zu den Fi­ xiervorsprüngen der Haltestege aufweist,

Fig. 5 die dreidimensionale Darstellung der Wellscheibe und

Fig. 6 einen Teilschnitt durch den montierten Gleichstrommotor, der gegenüber der Darstellung von Fig. 1 insoweit modifiziert ist, als die Detektorelemente nicht mehr in einer radialen Ebe­ ne parallel zur Stirnfläche der Permanentmagnete, sondern ach­ senparallel angeordnet sind.

In Fig. 1 ist als Beispiel für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor eine bekannte Ausführungsform für einen spe­ ziellen Anwendungsfall dargestellt. Der Gleichstrommotor ist hier in einem Nabenkörper 1 angeordnet, der z. B. das tragende Element für den Plattenstapel eines Magnetplattenspeichers bil­ det. Er ist über einen Mittelsteg 2 starr auf einer Spindel 3 festgelegt. Diese Spindel ist in Lagerbuchsen 4 bzw. 5 doppel­ seitig gelagert. Beim Einbau des Plattenstapels werden diese Lagerbuchsen an nicht dargestellten Gehäusewänden des Magnet­ plattenspeichers festgelegt. Die Lageranordnungen sind zum In­ nenraum hin durch magnetische Flüssigkeitsdichtungen 6 abge­ dichtet, um eine Kontamination des Innenraumes durch Lagerab­ rieb zu vermeiden. Die eine Lagerbuchse 4 trägt eine über die Spindel 3 mit ausreichendem Spiel geschobene Hülse 7, die das Tragelement für den Stator 8 des Gleichstrommotors bildet. Den Rotor des Motors bilden auf der Innenfläche des Nabenkörpers 1 festgelegte Permanentmagnete 9, die bisher üblicherweise in den Nabenkörper 1 eingeklebt werden. Auf der Hülse 7 ist außerdem ein Rotorpositionsdetektor 10 starr angeordnet. In Fig. 1 ist schematisch angedeutet, daß dieser Detektorelemente 11, vor­ zugsweise in Form von Hallelementen, besitzt, die mit einem To­ leranzabstand nahe einer der Stirnflächen der Permanentmagnete 9 angeordnet sind. Außerdem ist schematisch angedeutet, daß ei­ ne flexible Mehrfachleitung 12 vorgesehen ist, die zum Zu- bzw. Abführen von Steuersignalen für den Stator 8 bzw. des Rotorpo­ sitionsdetektors 10 dient.

Bei einem solchen, in Fig. 1 dargestellten elektronisch kommu­ tierten Gleichstrommotor werden die Permanentmagnete 9 norma­ lerweise auf die Innenfläche des Nabenkörpers 1 geklebt bzw. mit dem Nabenkörper 1 zusammen vergossen. Um gute Gleichlauf­ eigenschaften des Motors erzielen zu können, ist es dabei not­ wendig, die Permanentmagnete rotationssymmetrisch mit einer exakten Teilung anzuordnen. Dies ist herstellungstechnisch auf­ wendig. Außerdem sind eingegossene bzw. eingeklebte Permanent­ magnete mit vertretbarem Aufwand nicht mehr zu demontieren.

Fig. 2 zeigt deshalb eine modifizierte Form des Nabenkörpers 1 des in Fig. 1 dargestellten Gleichstrommotors. Hier ist in den Nabenkörper 1 eine Fixiereinrichtung 13 eingeschoben, die in Fig. 3 in einer dreidimensionalen Darstellung im Detail gezeigt ist. Sie besitzt mehrere, rotationssymmetrisch angeordnete Hal­ testege 14, die an einem Ende über einen Stirnring 15 unterein­ ander verbunden sind. Am anderen, dem freien Ende der Halteste­ ge 14 ist jeweils eine radial nach außen gerichtete Rastnase 16 vorgesehen. Diese Rastnasen 16 dienen dazu, die Fixiereinrich­ tung 13 in axialer Richtung im Inneren des Nabenkörpers 1 fest­ zulegen. Dazu weist dieser eine radial umlaufende Nut 17 auf, in die die Rastnasen 16 beim Montieren der Fixiereinrichtung 13 einrasten. Um diesen Formschluß sicherzustellen, besteht die Fixiereinrichtung 13 aus einem elastischen Material, vorzugs­ weise einem Kunststoff, außerdem sind die Haltestege 14 im ent­ lasteten Zustand etwas aufgeweitet, so daß sich beim Einschie­ ben der Fixiereinrichtung 13 eine federnde Vorspannung ergibt.

Neben den Rastnasen 16 sind am freien Ende der Haltestege 14 außerdem in Umfangsrichtung herausragende Fixiervorsprünge 18 vorgesehen. Da die Permanentmagnete 9 für die Montage jeweils zwischen zwei benachbarte Haltestege 14 eingelegt werden, die­ nen diese Fixiervorsprünge 18 zum Festlegen der Permanentmagne­ te. Um dies zu erreichen, weist jeder Permanentmagnet 9, wie in Fig. 4 dargestellt, an einer seiner Stirnflächen, jeweils außen liegend, je eine Ausnehmung 19 als Gegenstück zu den Fixiervor­ sprüngen 18 auf. Sind die Permanentmagnete 9 in die Fixierein­ richtung 13 eingelegt, so liegt damit deren Stirnfläche 20 in gleicher Höhe wie die Stirnfläche der Haltestege 14 der Fixier­ einrichtung. In ähnlicher Weise wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform eines Gleichstrommotors läßt sich damit ein De­ tektorelement 11 des Rotorpositionsdetektors 10 dieser Stirn­ fläche 20 unmittelbar gegenüberliegend anordnen. Die Fixierein­ richtung 13 hat keinen Einfluß auf diesen, lediglich durch To­ leranzen bedingten Abstand.

Schließlich weisen die Stirnflächen der Haltestege 14 Einker­ bungen 21 zum Ansetzen eines Werkzeuges für das Auslösen der Rastposition auf, so daß sich dann die Fixiereinrichtung 13 zu­ sammen mit den eingelegten Permanentmagneten 9 vom Nabenkörper 1 abziehen läßt.

An sich werden die Haltestege 14 mit ihren Rastnasen 16 bei entsprechender radialer Vorspannung in der im Nabenkörper 1 um­ laufenden Nut 17 bereits eindeutig festgelegt. Doch zeigt die Schnittdarstellung des Nabenkörpers von Fig. 2 darüber hinaus ein weiteres Detail. Zwischen den Mittelsteg 2 des Nabenkörpers und den Stirnring 15 der Fixiereinrichtung 13 ist eine Well­ scheibe 22 eingelegt, die in Fig. 5 in dreidimensionaler Dar­ stellung gezeigt ist. Diese Wellscheibe ist aufgrund ihrer Formgebung bevorzugt in axialer Richtung verformbar, sie wird auch beim Einschieben der Fixiereinrichtung 13 in den Nabenkör­ per 1 in dieser Richtung verspannt. Im montierten Zustand der Fixiereinrichtung 13 drückt sie damit gegen den Stirnring 15 und hält so die Fixiereinrichtung 13 über die Rastnase 16 in einer exakt definierten axialen Lage, die durch die Position der außen liegenden Seitenkante der Nut 17 vorgegeben ist. So wird durch die Wellscheibe 22 einerseits die Rastlage der Fi­ xiereinrichtung 13 betriebssicher ausgestaltet, andererseits ist damit eine exakte axiale Position der Stirnflächen 20 der Permanentmagnete 9 festgelegt.

Eine weitere Ausführungsform ist schließlich in Fig. 6 gezeigt. Diese Darstellung ist lediglich als Teilschnitt ausgeführt, da die übrigen Einzelheiten bereits anhand der Fig. 1 bzw. 2 erläu­ tert wurden. Aus Gründen der Vereinfachung ist die eine Lager­ buchse 4 und auch der Stator 8 des Gleichstrommotors nicht ge­ schnitten dargestellt, da es bei diesem Ausführungsbeispiel le­ diglich auf die Ausgestaltung des freien Endes der Haltestege 14 der Fixiereinrichtung 13 ankommt. Zusätzlich zu dem oben be­ schriebenen Ausführungsbeispiel weisen nämlich die Haltestege 14 der Fixiereinrichtung 13 an ihren freien Enden innen liegen­ de radial umlaufende Ausnehmungen 23 auf. Damit ist Platz ge­ schaffen für eine radial ausgerichtete Leiterplatte 24, die auf der Hülse 7 fest angeordnet ist. Auf dieser Leiterplatte, an die wieder eine Mehrfachleitung 12 angeschlossen ist, ist min­ destens ein Detektorelement 11 senkrecht angeordnet, d. h. ach­ senparallel zu der Fixiereinrichtung 13 und damit auch zu den in diese Fixiereinrichtung eingelegten Permanentmagneten ausge­ richtet, die in Fig. 6 nicht erkennbar sind. In dieser Ausfüh­ rungsform sind so die Detektorelemente 11 in einer besonders günstigen Weise an die Permanentmagnete 9 herangeführt. Wie die Ausführungsform darüber hinaus erkennen läßt, ist es so mög­ lich, auch die Stirnflächen der Permanentmagnete gegenüber den Stirnflächen der Haltestege zurückzusetzen. Da die Detektorele­ mente 11 achsenparallel in die Fixiereinrichtung 13 hineinra­ gen, müssen die Permanentmagnete 9 auch keine Aussparungen 19 aufweisen, vielmehr können die Fixiervorsprünge 18 der Fixier­ einrichtung 13 einfach die planen Stirnflächen der insoweit herstellungstechnisch einfacheren Permanentmagneten umfassen, ohne daß dies einen Einfluß auf die Qualität des detektierten Positionssignales hätte.

Claims (7)

1. Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor mit innenliegen­ den Polschenkeln (8), die aufgrund von Rotorpositionssignalen eines Rotorpositionsdetektors (10) zeitlich gesteuert erregbare Motorwicklungen tragen und mit außen liegenden, gegenüber die­ sen Polschenkeln relativ bewegbaren Permanentmagneten (9), die rotationssymmetrisch auf der Innenfläche eines Tragelementes (1) des Gleichstrommotors mit Hilfe einer elastischen, die Per­ manentmagnete umfassenden Fixiereinrichtung (13) in axialer und radialer Richtung festgelegt sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fixiereinrichtung einen geschlossenen Stirnring (15) und davon in axialer Richtung vor­ springende, paarweise je einen der Permanentmagnete zwischen sich aufnehmende Haltestege (14) aufweist, die auf der Außen­ seite radial vorspringende Rastnasen (16) tragen, die im mon­ tierten Zustand in eine im Tragelement vorgesehene Nut (17) un­ ter Vorspannung eingreifen und die an ihren, vom Stirnring ab­ gekehrten Fußenden in Umfangsrichtung herausragende Fixiervor­ sprünge (18) aufweisen und daß die Permanentmagnete an einer Stirnseite (20) den Fixiervorsprüngen entsprechende Ausnehmun­ gen aufweisen, die derart ausgebildet sind, daß diese Stirnflä­ chen der Permanentmagnete und die der Haltestege etwa in der­ selben Radialebene liegen.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Tragelement (1) senkrecht auf seiner Innenfläche angeordnet und dem Stirnring (15) zuge­ kehrt eine rotationssymmetrische Anlagefläche (2) aufweist und daß eine Wellscheibe (22) vorgesehen ist, die zwischen dieser Anlagefläche und dem Stirnring unter Verspannung in axialer Richtung eingelegt ist.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Rastnasen (16) am Fußende der Haltestege (14) angeordnet sind, und in entspre­ chendem axialem Abstand von der Anlagefläche (2) die radial um­ laufende Nut (17) in der Innenfläche des Tragelementes (1) vor­ gesehen ist.

4. Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fixiervorsprünge (18) am Fußende der Haltestege (14) beidseits symmetrisch angeordnet und in Form von Kreisringabschnitten ausgebildet sind.

5. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß in die Stirn­ fläche der Fußenden der Haltestege (14) eine Vertiefung (21) eingelassen ist, die als Angriffspunkt für ein Werkzeug dient, um die Rastnasen (16) entgegen der radial nach außen gerichte­ ten Vorspannung der Haltestege (14) aus der Nut (17) heben zu können.

6. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens ein Detektorelement (11) des Rotorpositionsdetektors (10) par­ allel zur Stirnfläche (20) der Permanentmagnete (9) unmittelbar benachbart, lediglich in angemessenem Toleranzabstand angeord­ net ist.

7. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Halteste­ ge (14) der Fixiereinrichtung (13) am Fußende auf der den Rast­ nasen (16) abgekehrten Innenseite jeweils eine radial umlaufen­ de Ausnehmung (23) aufweisen und daß der Rotorpositionsdetektor mindestens ein Detektorelement (11) aufweist, das auf einer feststehenden, in radialer Richtung sich erstreckenden und in­ nerhalb dieser Ausnehmungen (23) angeordneten Leiterplatte senkrecht und damit achsenparallel, den Permanentmagneten (9) unmittelbar benachbart angeordnet ist.