DE3736033C2 - Kollektorloser Gleichstrommotor mit scheibenförmigem Rotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor der im Patentanspruch 1 angegebenen Art.

Kollektorlose Gleichstrommotoren mit scheibenförmigen Rotoren, vielfach auch unter der Bezeichnung Scheibenläufer bekannt, werden häufig für Anwendungsfälle benötigt, in denen unter anderem eine genaue Drehzahlregelung unverzichtbar ist. Um für die dazu benötigte Regelschaltung von der Rotordrehung abgeleitete, die jeweilige Ist-Geschwindigkeit repräsentieren­ de Signale zu gewinnen, sind solche Motoren häufig mit einer sogenannten Tacho-Einrichtung versehen, die eine mit dem Stator des Motors verbundene, meist mäanderförmig ausge­ bildete Tachowindung und einen im äußeren Randbereich des Rotors angeordneten, mit diesem rotierenden Permanent­ magnetring aufweist. Die Tachowindung befindet sich dabei auf einer Leiterplatte auf einem die ebenfalls auf der Leiterplatte befestigten Statorspulen umgebenden konzentrischen Ring, wobei die Leiterplatte ihrerseits auf einem Rückschluß­ eisen angeordnet ist. Da es zur Erlangung eines sauberen und starken Tachosignals notwendig ist, den Luftspalt zwischen dem das Signal erzeugenden Magnetring und der Tachowindung klein zu halten, zwischen der Ebene des Rotormagneten und der Leitplatte aber die Statorspulen angeordnet sind, muß der äußere Magnetring eine um die Spulendicke größere axiale Bau­ höhe aufweisen als der Rotormagnet. Es ist deshalb notwendig, für die Erzeugung des Tachosignals einen separaten Magnetring zusätzlich zum Rotormagneten zu montieren. Die Herstellung ei­ nes solchen zusätzlichen Magnetkörpers sowie dessen Montage stellen aber einen nicht unerheblichen Kostenfaktor dar.

Aus der DE 35 26 166 A1 ist ein bürstenloser Motor mit gedruckten Spiral-Leiter- Muster aufweisenden Spulenblättern für ebenen Luftspalt bekannt, deren Anzahl der Anzahl der Magnetpole des Rotormagneten entspricht, der statorseitig ebene weichmagnetische Rückschlußscheiben hat. Diese Entgegenhaltung weist ferner eine Frequenzgeber-Spule, die mit Mäandertachowindungen versehen ist, auf, in welche wegen der großen Polteilung des Rotormagneten, und weil im Bereich dieser Frequenzgeber-Spule ein relativ großer (nämlich nur der Motor-)Luftspalt vorhanden ist, keine effiziente Tacho-Spannung induziert werden kann. Auf die ebene Träger­ platte (Jochplatte 24) wird eine Statorspuleneinheit (23) geklebt.

Die GB 2,158,654 A zeigt einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit ebenem Luftspalt und scheibenförmigem permanentmagnetischen Rotor, der eine topfartig ausgebildete Trägerplatte aufweist, die nicht als magnetischer Rückschluß wirkt, je­ doch die Statorspulen trägt, und wobei dessen Rotor am Außenrand eine Magnetisie­ rung kleiner Polteilung aufweist, welche in eine radial sich erstreckende Wicklung eines Klauenpolgenerators hineinwirkt.

Diese vorbekannten Motoren sind einer wirtschaftlichen Serienfertigung nicht zu­ gänglich und/oder in ihrer Funktion beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellkosten eines Motors eingangs genannter Art zu verringern, ohne dabei die Qualität des Motors zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß die Anzahl der Einzelteile reduziert und darüberhinaus die Montage vereinfacht wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, in der das Rückschlußeisen des Motors als Trägerplatte für die Tacho­ windung und die Statorspulen verwendet wird, wird darüber­ hinaus die an sich geringe Bauhöhe des Scheibenläufermotors noch um mindestens die Dicke der bei Motoren des Standes der Technik verwendeten Leiterplatte verringert, eine Auswirkung, die für viele Anwendungsfälle in flachen Geräten wünschens­ wert ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, gemäß der die Trägerplatte für die Tachowindung und die Statorspulen von einem Kunststoff-Formteil gebildet wird, wird durch ein­ stückige Gestaltung der Trägerplatte mit einem Lagertragteil zur Aufnahme der Motorlager und durch Einbettung des Rückschluß­ eisens bzw. Ausgestaltung einer Aufnahme für das Rückschluß­ eisen eine weitere deutliche Verbilligung der Motorkonstruk­ tion erreicht.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß sich die Tachowindung über einen Winkelbereich < 360° auf der Trägerplatte erstreckt und der verbleibende Bereich für Leiterbahnen einer zugehörigen Schaltungsanordnung frei bleibt. Dadurch wird es ermöglicht, die Trägerplatte so zu ge­ stalten, daß der verbleibende Bereich in der Befestigungs­ ebene der Statorspulen liegt und die von einem außerhalb der Statorspulen liegenden, als Leiterplatte verwendbaren Teil der Trägerplatte nach innen geführten Leiterbahnen in einer Ebene verbleiben können. Diese Maßnahme hat eine weitere Verbilligung der Motorkonstruktion aufgrund einer Vereinfachung in der Her­ stellung zur Folge.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand mehrerer Figuren beschriebenen Aus­ führungsbeispielen der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen bekannten Gleichstrommotor,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors mit ebenem Luftspalt entlang der Linie II-II in Fig. 3,

Fig. 3 eine Ansicht eines Stators eines Gleichstrommotors gemäß der Erfindung,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung mit zylindrischem Luftspalt,

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Stator eines dritten Aus­ führungsbeispiels,

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Stator eines vierten Aus­ führungsbeispiels entlang der Linie VI-VI in Fig. 7 und

Fig. 7 eine Ansicht des in Fig. 6 im Schnitt dargestellten Stators.

In Fig. 1 ist ein bekannter kollektorloser Gleichstrommotor 1 dargestellt. Auf einem Rückschlußeisen 2 sind Statorspulen 3 und ein Lagertragteil 4, das einteilig mit einem Befestigungs­ flansch 16 verbunden ist, beispielsweise mit Schrauben 5 be­ festigt. Das Rückschlußeisen 2 enthält spulenseitig aufgebracht: eine Leiterplatte 25 mit Leiterbahnen, eine Ansteuerelektronik und eine Tachowindung 6 (Fig. 3), die mäanderförmig ausgebildet ist. Der Rotor besteht aus einer Welle 7, einer Riemenscheibe 8, einer Rückschlußscheibe 9, einem scheibenförmigen Rotormagneten 10 und einem Magnetring 11. Die Riemenscheibe 8 ist drehfest mit der Welle 7 verbunden. Auf der Rückschlußscheibe 9 ist der Rotormagnet 10 konzentrisch und am äußeren Rand der Magnetring 11 befestigt. Die Riemenscheibe 8 und die Rückschlußscheibe 9 sind ebenfalls drehfest zusammengefügt. Die Welle 7 läuft in Lagern 12, 13, die im Lagertragteil 4 eingesetzt sind. Ein Sicherungsring 14 und eine Feder 15 verspannen die Lagerung in axialer Richtung, wodurch das axiale Lagerspiel beseitigt wird.

Fig. 2 zeigt einen kollektorlosen Gleichstrommotor 20, der zum Teil dem Motor 1 in Fig. 1 entspricht. Der Rotormagnet 10 ist hier einteilig ausgebildet. Ein strichpunktierter Randbereich 21 weist stirnseitig eine Magnetisierung sehr kleiner Polteilung zur Erzeugung eines Tachosignals in der diesem Randbereich ge­ genüberliegenden Tachowindung 6. Um ein stärkeres Signal zu er­ halten, ist das Rückschlußeisen 2 mit einem Topfrand 22 ver­ sehen, der soweit in Richtung des Randbereiches 21 herunterge­ zogen ist, daß nur ein kleiner für die störungsfreie Drehung des Rotors erforderlicher ebener Luftspalt 17 übrigbleibt. Die Höhe des im Tiefziehverfahren gefertigten Topfrandes 22 ent­ spricht der Höhe der Statorspulen 3. Vorzugsweise ist die Höhe des Topfrandes 22 geringfügig größer als die der Statorspulen 3, womit der ebene Luftspalt 17 kleiner wird (etwa 0,2 mm) und dadurch ein stärkeres Signal entsteht. Auf die spulenseitige Fläche des Rückschlußeisens 2 einschließlich des Topfrandes 22 wird zunächst ein Dielektrikum, dann die Leiterbahnen und an­ schließend nochmals ein Dielektrikum aufgebracht, wobei die Lötpunkte frei bleiben, oder es kann auf die spulenseitige Fläche des Rückschlußeisens 2 eine dünne Leiterplatte, die Leiterbahnen 6, 19 enthält, geklebt und im aufgeklebten Zustand mitsamt Rück­ schlußeisen 2 tiefgezogen werden. Die Statorspulen 3 können dann in Chip-Form oder in bekannter Weise aufgelötet werden. Die Chip- Bauteile für die Ansteuerelektronik werden auf dem Niveau der Mäanderwicklung 6 angelötet. Das Rückschlußeisen 2 weist kon­ zentrisch zur Tachowindung 6 einen Durchzug mit axial in Rich­ tung Rotormagnet verlaufendem zylindrischen Kragen 23 auf, in den ein Doppellager 24 eingeklebt ist. Die durch den Rotormagne­ ten verursachte axial nach oben (bezogen auf die Darstellung in Fig. 2) gerichtete Kraft wird durch eine Anschlagfläche 26, an der die Kuppe 28 der Welle 7 anliegt, aufgenommen. Zur Fixie­ rung der Statorspulen 3 sind spulenseitig am Rückschlußeisen 2 Nocken 27 angeprägt.

Fig. 3 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 von unten ge­ sehen. Der Rotor wurde weggelassen, um die Anordnung der Tacho­ windung 6, der Statorspulen 3 und der Ansteuerelektronik sowie der Leiterbahnen zu zeigen.

In Fig. 4 ist ein kollektorloser Gleichstrommotor 30 darge­ stellt, der im wesentlichen dem Motor 20 gemäß Fig. 2 gleicht. Das Rückschlußeisen ist hier als im wesentlichen zylindrischer Topf 32 ausgebildet. Die Tachowindung 6 ist auf der inneren Mantelfläche des zylindrischen Teiles 33 des Topfes 32 ange­ ordnet und liegt, durch einen möglichst kleinen zylindrischen Luftspalt 18 getrennt, dem zylindrischen Außenbereich des Rand­ bereichs 21, der eine Magnetisierung kleiner Polteilung auf­ weist, gegenüber. Der zylindrische Teil 33 dient zudem noch als Schutzhaube für den rotierenden Teil des Motors 30.

Fig. 5 zeigt den Stator eines weiteren Ausführungsbeispiels ge­ mäß der Erfindung. Eine aus Kunststoff gespritzte Trägerplatte 41 enthält eine sogenannte 3D-Kunststoffleiterplatte 42 mit integrierten Leiterbahnen 6, 19, 37, die sich auf verschie­ denen Ebenen befinden, ein Lagertragteil 44, einen Befesti­ gungsflansch 46 und das Rückschlußeisen 2, das als Eisen­ scheibe 45 ausgebildet ist. Die Leitungsführung der Leiter­ bahnen 6, 19, 37 von einer Ebene 34 zur anderen entspricht derjenigen in Fig. 6 und 7. Die Abschirmebene 45 wird in eine vorgegebene Form eingelegt und umspritzt. Vorzugsweise werden zudem noch Vertiefungen für die Leiterbahnen und für die Tachowindung 6 auf der Unterseite (Spulenseite) der Leiter­ platte 42 mit eingebracht. Die Tachowindung 6 liegt einem Ro­ tormagneten 10 gegenüber, wie er in Fig. 2 dargestellt und be­ schrieben ist.

In das Lagertragteil 44 können Kugellager 12, 13 für die Lagerung der Rotorwelle 7 eingebracht sein. Das Lagertrag­ teil 44 kann aber auch an einem Ende mit einem integrierten Gleitlager (beispielsweise aus Sintermaterial) und am anderen Ende mit einem Kugellager ausgerüstet sein. Es ist auch ein einteiliges Gleitlagerteil (ähnlich Doppellager 24), das in die Form eingelegt und mit umspritzt ist, einsetzbar. Fluchtend zu Durchgangslöchern 47 im Befestigungsflansch 46 sind in der Eisenscheibe 45 Gewindedurchgänge 48 vorgesehen, um eine sichere Befestigung des Motors zu gewährleisten. Zwischen den Spulen 3 und der Eisenscheibe 45 ist eine dünne Isolierschicht vorge­ sehen. Die Eisenscheibe 45 ist in die Spritzform eingelegt und umspritzt wie es links der Mittellinie 43 in Fig. 5 gezeigt ist, während rechts der Mittellinie 43 die Eisenscheibe 45 nach dem Spritzen der Trägerplatte 41 eingelegt und an angespritzten Bolzen 49 warmverstaucht ist. Nocken 50 zur Fixierung (ent­ sprechen den Nocken 27) der Statorspulen 3 sind an der Träger­ platte mit angespritzt. Bei der gezeigten Ausführungsform der Spulen 3 sind je vier Nocken 50 zur Fixierung vorgesehen. Für anders geformte Spulen ist die Anordnung und die Anzahl ent­ sprechend zu variieren.

In Fig. 6 und 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt. Das Rückschlußeisen 2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel umfangsmäßig nur in einen Teilbereich des gegenüberliegenden Randbereichs 21 des Rotors auf eine zweite Ebene 34 heruntergezogen. Dieser Teilbereich ist kleiner als 360°, vorzugsweise 250°. Nur die Tachowindung 6 befindet sich auf der Ebene 34. Zwei Zuleitungen 37 verlaufen auf einer Übergangsschräge 38 zur ersten Ebene 35, auf der alle übrigen Leiterbahnen, die Ansteuerelektronik und die Statorspulen 3 aufgebracht sind. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht be­ züglich der Beispiele gemäß Fig. 2 bis 4 eine weitere Kostenre­ duzierung durch das einfachere Werkzeug und das einfachere Herstellungsverfahren, bei dem nur die zwei Zuleitungen 37 von einer zur anderen Ebene führen. Im Falle der Fig. 2 bis 4 müssen außer den Zuleitungen 37 noch alle übrigen Leiter­ bahnen 19 von der Ebene 34 zur Ebene 35 geführt werden.

Die zu den in den Fig. 5 bis 7 gezeigten Statoren zuge­ hörigen Rotoren entsprechen dem in Fig. 2 dargestellten.

Claims (12)

1.

• a) Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem einen scheibenförmigen Per­ mannentmagneten aufweisenden Rotor und auf einer Trägerplatte angeord­ neten Statorspulen, welche Trägerplatte das Rückschlußeisen bildet,
• b) wobei der scheibenförmige Rotormagnet (10) in seinem Randbereich (21) mit einer Magnetisierung sehr kleiner Polteilung versehen und
• c) die Trägerplatte topfartig derart ausgestaltet ist, daß sowohl die Stator­ spulen (3), als auch eine Tachowindung (6) auf der dem Rotor zugewandten Seite der Trägerplatte angeordnet sind,
• d) so daß der mit der Tachowindung (6) versehene Bereich der Träger­ platte in unmittelbarer Nähe des Randbereiches (21) des scheibenförmigen Rotormagneten (10) mit einem nur für die Drehbewegung des Rotors erforder­ lichen Abstand angeordnet ist,
• e) wobei die Tachowindung (6) mäanderförmig ausgebildet ist,
• f) wobei das Rückschlußeisen (2) auf der dem Permanentmagneten (10) des Rotors zugewandten Seite mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist, auf der die Tachowindung (6) unmittelbar aufgebracht ist.

2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1), wobei die mäanderförmige Tachowindung (6) auf die statorspulenseitige Flä­ che des Rückschlußeisens (2) als dünne Leiterplatte, die Leiterbahnen (6, 19, 32) enthält, geklebt ist.

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Trägerplatte einstückig mit einem Lagertragteil (44) zur Aufnahme von Lagern für die Rotorwelle ausgestaltet ist.

4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der die Magnetisierung sehr kleiner Polteilung aufweisende Randbe­ reich (21) des Permanentmagneten (10, Fig. 2) axial magnetisiert und die als Tiefziehteil ausgebildete Trägerplatte als zylindrischer Topf mit einem Topf­ rand (22) ausgebildet ist, wobei der Randbereich (21) des Permanentmagne­ ten (10) und der Topfrand (22) einen ebenen Luftspalt (17) bilden und die Ta­ chowindung (6) auf der dem Permanentmagneten (10) zugewandten Seite des Topfrandes (22) aufgebracht ist.

5. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der die Magnetisierung sehr kleiner Polteilung aufweisende Randbe­ reich (21) des Permanentmagneten (10, Fig. 4) radial magnetisiert und die als Tiefziehteil ausgebildete Trägerplatte als zylindrischer Topf ausgebildet ist, wobei die Innenmantelfläche des zylindrischen Teils (33) des Topfes und die Außenmantelfläche des Permanentmagneten (10) einen zylindrischen Luftspalt (18) bilden und die Tachowindung (6) auf der Innenmantelfläche des zylindrischen Teils (33) des Topfes aufgebracht ist.

6. Kollektorloser Gleichstrommtor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Tachowindung (6) über einen Winkelbereich < 360° auf der Trägerplatte erstreckt und im verbleibenden Winkelbereich Leiterbahnen (19) einer Motor-Ansteuerschaltung bzw. die Zuleitungen zu den innerhalb der Ta­ chowindung (6) befindlichen Statorspulen (3) angeordnet sind.

7. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerplatte im Zentrum der Tachowindung (6) einen Durchbruch aufweist, in dem ein in Buchsenform ausgestaltetes Doppellager (24) verdreh- und verschiebefest eingesetzt ist.

8. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Trägerplatte an der dem Permanentmagneten (10) des Rotors zugewandten Seite Nocken (27) zur Lagefixierung der Statorspulen (3) in der Kontur der jeweiligen Spule (3) entsprechender Konfiguration angeordnet sind.

9. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Trägerplatte von einem Kunststoff-Formteil (41) gebildet wird, das zur Aufnahme des Rückschlußeisens (45) ausgestaltet und einstückig mit ei­ nem Lagertragteil (44) zur Aufnahme von Lagern für die Rotorwelle gestaltet ist.

10. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 9, wobei das Kunststoff- Formteil (41) mit einer Vertiefung zur Aufnahme des Rückschlußeisens (45) versehen ist, wobei durch entsprechende Öffnungen des Rückschlußeisens (45) hindurchgreifende, am Kunststoff-Formteil angeformte Bolzen (49) zur Befestigung des Rückschlußeisens (45) durch Warmstauchen vorgesehen sind.

11. Verfahren zur Herstellung eines kollektorlosen Gleichstrommotors nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei auf die spulenseitige Fläche des Rückschlußeisens (2) einschließlich des Topfrandes (22) zunächst ein Dielektrikum, dann die Leiterbahnen und anschließend nochmals ein Dielektrikum so aufgebracht werden, daß die Löt­ punkte freibleiben.

12. Verfahren zur Herstellung eines kollektorlosen Gleichstrommotors nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei auf die spulenseitige Fläche des Rückschlußeisens (2) eine dünne Lei­ terplatte, die Leiterbahnen (6, 19) enthält, geklebt und im aufgeklebten Zu­ stand mitsamt Rückschlußeisen (2) tiefgezogen werden kann.