DE4140245A1 - Buerstenloser gleichstrommotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem wenigstens teilweise aus magnetischem Material bestehenden Rotor sowie einem Stator mit einem Wicklungen aufweisenden Blechpaket. Ein bürstenloser Gleichstrommotor hat gegenüber einem Gleichstrommotor mit einem mechanischen Kommutator den Vorteil, daß der durch letzteren bedingte Verschleiß entfällt und der maximale Strom und damit die maximale Anfangsbeschleunigung nicht im Interesse einer langen Lebensdauer begrenzt werden muß. Andererseits zeichnen sich Gleichstrommotoren durch einen relativ hohen Wirkungsgrad und das Fehlen von Resonanzerscheinungen aus.

Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor stehen die Spulen fest, jedoch müssen sie von elektronischen Schaltern umgeschaltet werden. Deshalb werden von der Drehung des Rotors Signale abgeleitet, mit denen die Schalter angesteuert werden. Als Drehmelder kommen Lichtschranken, Hall-Sonden oder die induzierten Windungsspannungen in Frage.

Solche bürstenlosen Gleichstrommotoren können mit Schrittmotoren konkurrieren, wenn man sie wirtschaftlich herstellen kann. Dann können sie auch als Stellmotoren Verwendung finden. Es eröffnet sich ihnen somit ein reiches Anwendungsfeld, insbesondere im Bereich der Datenverarbeitung, bspw. beim Papiertransport oder bei anderen Antrieben von Datengeräten, Druckern und dgl..

Ein bürstenloser Gleichstrommotor der eingangs genannten Art ist bspw. durch die DE-OS 32 23 897 bekannt geworden.

Es liegt die Aufgabe vor, einen gattungsgemäßen bürstenlosen Gleichstrommotor so auszubilden, daß er auf einfache und preiswerte Art hergestellt werden kann, wobei enge Toleranzen ohne großen Aufwand eingehalten werden können und er sich für eine Massenfertigung eignet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der bürstenlose Gleichstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet ist, daß sein Rotor aus einem insbesondere dünnwandigen, nichtmagnetischen Rohr besteht, in dessen Innerem ein zylindrischer Permanentmagnet gehalten ist. Durch die Unterbringung des Permanentmagneten im Inneren eines Rohres benötigt der Magnet keine zentrische Bohrung und infolgedessen ist er einfacher und preiswerter herzustellen. Außerdem ist der Magnet im Inneren eines Rohres gut geschützt, was bei einem von einer Welle durchsetzten Magneten nicht der Fall ist. Vor allen Dingen sogenannte "Supermagnete" aus NdFeB sind korossionsempfindlich und benötigen infolgedessen einen speziellen Korossionsschutz. Letzteren erreicht man problemlos bei einem im Rohr untergebrachten Permanentmagneten. Auch die Montage bereitet keine Schwierigkeiten, weil sich sowohl der Magnet als auch das Rohr mit engen Toleranzen fertigen läßt. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik, wo der Magnet aus wenigstens zwei schalenförmigen Magnethälften besteht, kann der Magnet des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors einstückig gefertigt werden, was seine Herstellung sehr preiswert macht.

Insgesamt läßt sich dieser Rotor im Bedarfsfalle sehr klein bauen, wodurch er dann äußerst trägheitsarm ist und eine kurze mechanische Zeitkonstante aufweist, die ihn für die genannten Anwendungsgebiete besonders geeignet macht. Man erreicht dadurch eine hohe Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Wirtschaftlichkeit. Dieser Motor kann deshalb auch als Lüftermotor verwendet werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Permanentmagnet über eine Schicht aus Klebstoff oder dgl. mit der Rohrinnenwand drehfest verbunden ist. Er muß so eingeklebt werden, daß er das Drehmoment sicher auf das Rohr übertragen kann, welches die Antriebswelle bildet oder mit dieser Verbunden sein kann. Für die Mantelfläche des Magneten kommt in erster Linie ein Kreiszylinder in Frage.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß wenigstens eines der über den Permanentmagneten axial vorstehenden Rohrenden unmittelbar einen Lagerzapfen des Rotors bildet. Unter den "Rohrenden" werden in diesem Falle die Teile des Rohres verstanden, welche den Permanentmagneten in axialer Richtung überragen, wobei im Normalfalle das die Antriebswelle bildende oder damit verbundene "Rohrende" länger ist als das andere.

Das Rohr an der Abtriebsseite bildet in besonders bevorzugter Weise einen Lagerzapfen, der in einem statorseitigen Lager gelagert ist, wobei das statorseitige Lager vorzugsweise ein Wälzlager ist. Wälzlager haben zwar in der Regel einen größeren Außendurchmesser als Gleitlager, jedoch zeichnen sie sich durch einen besonders kleinen Reibungswiderstand aus.

Eine andere Variante der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 5. Da es sich bei diesem Rotor um ein Rohr mit innenliegendem Permanentmagneten handelt, kann man in wenigstens eines der Rohrenden ein Lager drehfest einsetzen, das im Falle eines Gleitlagers einen drehfesten Lagerzapfen mit einem kleineren Durchmesser als das Rohr läuft. Hierbei muß vor allen Dingen auf zentrische Zuordnung des Lagerzapfens zur geometrischen Rohrachse geachtet werden. Die notwendige Genauigkeit erhält man in sehr zweckmäßiger Weise dadurch, daß der Lagerzapfen aus einer Nadelrolle besteht, die im Lagerschild eingepreßt ist. Die von Nadellagern bekannte Nadelrolle zeichnet sich durch hohe Maßgenauigkeit, besten Rundlauf und hohe Belastbarkeit aus. Insgesamt entsteht eine im Durchmesser besonders kleine Lagerstelle und hieraus resultiert ein geringes Reibmoment.

Die Konstruktion ist dann besonders einfach und preiswert, wenn ein Rohrende in Weiterbildung der Erfindung zugleich die Abtriebswelle bildet, d. h. mit diesem Rohrende nicht extra ein Bauteil verbunden werden muß, welches dann die eigentliche Abtriebswelle darstellt. Wenn man das Rohrende als Abtriebswelle ausbildet, d. h. aus dem Motorgehäuse weit genug herausführt, so ist dies auch im Hinblick auf den Rundlauf sehr von Vorteil.

Wenn der Magnet ins Rohrinnere eingeklebt werden soll, so kann man die Toleranzen nicht zu eng wählen, weil sonst Probleme bei der korrekten Ausbildung der Klebeschicht auftreten können. Andererseits sind aber große Toleranzen von Nachteil, weil sie zu einer exzentrischen Lage des Magneten im Rohr führen können. Die Montage und die Rundlaufgenauigkeit wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform dadurch vereinfacht bzw. gewährleistet, daß das Rohr zumindest innen und wenigstens im Bereich des Magneten einen polygonalen Querschnitt aufweist, insbesondere einen Zwölfkantquerschnitt. In diesem Falle kann man den Außendurchmesser des Magneten etwa in der Größenordnung eines einbeschriebenen Kreises an die Mehrkantinnenflächen wählen. Ggf. kann man den Magnetdurchmesser noch geringfügig größer wählen und das Rohr im Magnetbereich federelastisch aufweiten. Dadurch werden dann Exzentrizitäten und Unwuchten praktisch vollkommen ausgeschlossen. Trotzdem ist aufgrund der inneren Ecken ein einwandfreies Einkleben möglich.

Der Stator besteht in weiterer Ausgestaltung der Erfindung aus einem lamellierten Blechpaket, das mit vorgefertigten Spulenkörpern ausgestattet ist. Gerade letztere tragen zur Verringerung der Herstellungskosten enorm bei. Sie können ohne weiteres auf Automaten vollautomatisch hergestellt werden. Andererseits erfordert aber ein solcher Stator eine ganz spezielle Konstruktion, um das rasche und problemlose Befestigen der Spulenkörper zu ermöglichen.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen dieses bürstenlosen Gleichstrommotors ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Die Zeichnung zeigt diese Ausführungsbeispiele. Hierbei stellen dar:

Fig. 1 in schematisierter Form einen Längsschnitt durch den Rotor und seine beiden Lagerstellen am Motorgehäuse;

Fig. 2 eine explosionsartige Darstellung des Motors ebenfalls in radialer Richtung geschnitten;

Fig. 3 den Rotor in radialer Richtung geschnitten bei einer abgewandelten Querschnittsform des Rohres;

Fig. 4 in explosionsartiger Darstellung die Teilstücke eines Statorblechs;

Fig. 4a die zusammengefügten Teilstücke der Fig. 4;

Fig. 5 eine geringfügig abgewandelte Darstellung der Fig. 4a;

Fig. 6 eine weitere Variante eines Statorblechs.

Wesentliche Elemente des Rotors 1 sind das dünnwandige Rohr 2 und der darin eingesetzte Permanentmagnet 3. Er kann zwei oder mehr Pole aufweisen. Im Falle des Ausführungsbeispiels sind ein Nordpol N und ein Südpol S vorgesehen. Der Permanentmagnet 3 benötigt kein zentrisches Loch, vielmehr kann er massiv ausgebildet sein. Die Kontur des Rohres kann innen kreiszylindrisch, oder gemäß Fig. 3 polygonal sein. In beiden Fällen ist es zweckmäßig, wenn man einen Magneten mit kreiszylindrischem Außenmantel wählt. Auf jeden Fall ist der Permanentmagnet 3 über eine Klebeschicht 4 mit dem dünnwandigen Rohr 2 verbunden, so daß beide eine stabile Dreheinheit bilden, die sich auch beim Betrieb des Motors nicht auflöst. Das dünnwandige Rohr 2 besteht aus nichtmagnetischem Material. Der Rohrquerschnitt ist zweckmäßigerweise über die gesamte Länge gleich. Beim bevorzugten Anwendungsgebiet ist der Rohrdurchmesser relativ klein. Er kann in der Größenordnung von zwei bis zehn Millimeter liegen, wobei ein typischer Durchmesser sechs Millimeter ist. Insbesondere, wenn man die beiden Rohrenden verschließt, ist der Permanentmagnet im Rohr geschützt untergebracht. Dies ist vor allen Dingen dann von Vorteil, wenn der Magnet aus hochwertigem aber korrosionsempfindlichen Material hergestellt, also ein sogenannter "Supermagnet" ist.

An der Darstellung der Fig. 1 ist bspw. veranschaulicht, daß der Rotor 1 sowohl mit einer Innenlagerung als auch mit einer Außenlagerung versehen sein kann. Dies heißt nun keinesfalls, daß der Rotor gemäß Fig. 1 gelagert werden muß, vielmehr sind auch zwei Innenlager oder zwei Außenlager möglich. Bei einer Außenlagerung kommen sowohl ein Wälzlager 5 als auch eine Gleitlagerung bekannter Bauart in Frage. Bei dem Innenlager gemäß dem linken Rotorende wird man aus Platzgründen in der Regel ein Gleitlager vorsehen. Zu diesem Zwecke wird in das betreffende Rohrende ein Lager 6 zentrisch eingesetzt, das im Falle einer Gleitlagerbuchse auf dem in das Rohrende hineinragenden Lagerzapfen 7 läuft. Der Lagerzapfen 7 wird zweckmäßigerweise unmittelbar in das Lagerschild 9 eingepreßt. Zwischen dem Lager 6 und dem Rohr 2 kann eine elastische Zwischenschicht 10 eingefügt werden, die die Toleranzen zwischen der Zapfenachse und der Rohrwelle (den Fluchtungsfehler) ausgleicht.

Bei Außenlagerung wird das Wälzlager 5 in einer Lageraufnahme 12 des anderen Lagerschilds 13 gehalten, wobei es sich um einen rohrartigen Ansatz handeln kann. Gemäß Fig. 2 kann zwischen den Außenring des Wälzlagers 5 und die Lageraufnahme 12 ein elastischer Zwischenring 14, insbesondere ein O-Ring eingefügt werden, den man vorzugsweise in der Lageraufnahme in bekannter Weise axial sichert. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist das rechte Ende des Rotors 1 über das Lagerschild 13 nach außen geführt, wobei das vorstehende Ende unmittelbar die Motor- Abtriebswelle 15 bildet. Man kann sie mit dem anzutreibenden Bauteil unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines geeigneten Zwischenstücks indirekt verbinden.

Der Stator 16 (Fig. 2) besteht in bekannter Weise aus einem Blechpaket 17 mit Wicklungen 18. Das Blechpaket selbst ist aus Lamellen 19 aufgebaut, die ihrerseits aus Lamellenteilstücken 20 bestehen. Sinnvollerweise sind die Lamellenteilstücke einer Lamelle gleich ausgebildet, was sich aus den Fig. 4 und 5 ohne weiteres ergibt. Der Stator kann auf diese Weise aus drei, vier oder mehr Teilstücken zusammengesetzt werden, mit dementsprechend drei, vier oder mehr Wicklungen. Im Falle dieser Ausführungsbeispiele sind vier Wicklungen 18 vorhanden. Es handelt sich dabei in bekannter Weise um vorgefertigte Spulenkörper. Sie können dadurch besonders leicht montiert werden, daß man sie auf einen bei der fertigen Lamelle nach innen ragenden Dorn des betreffenden Lamellenteilstücks bzw. ein Paket aus solchen Dornen aufschiebt. Wenn, wie bei den Ausführungsbeispielen vorgesehen, die Lamellenteilstücke 20 im wesentlichen die Gestalt eines T aufweisen, so bilden die T-Längsstege 21 des Lamellen- Teilstückpakets zusammen den Dorn für den zugeordneten Spulenkörper. Die Außenkontur der Lamelle 19 ist vorzugsweise kreisrund wie in Fig. 4 und Fig. 5 oder eckig wie in Fig. 6. Die äußere Begrenzung des Lamellen-Teilstücks ist infolgedessen ein Kreisbogen oder Teil eines regelmäßigen Poligons mit abgerundeten Ecken. Die beiden Enden des T-Querstegs 22 bilden Verbindungselemente 23 und 24, die so geformt sind, daß sich jeweils ein Verbindungselement 23 mit dem zugeordneten Verbindungselement 24 des benachbarten Lamellen-Teilstücks durch radiales Zusammenfügen in Pfeilrichtung 25 herstellen läßt. Das Verbindungselement 23 kann im wesentlichen als C-förmig bezeichnet werden. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 befindet sich unten am Verbindungselement 24 eine nutartige Aufnahme 25 für den unteren C-Schenkel 26 des benachbarten Verbindungselements 23. Die in Fig. 5 gezeigte Variante weicht hiervon geringfügig ab. Bei geeigneter Ausbildung der Verbindungselemente 23 und 24 kann man die Lamellen-Teilstückpakete auch in axialer Richtung zusammenfügen.

Bei den Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß die Längsmittelachse des T-Längsstegs 21 nicht gegen den geometrischen Mittelpunkt 27 der Lamelle 19 gerichtet ist, sondern in sehr vorteilhafter Weise seitlich parallel versetzt daran vorbeiläuft.

Dadurch läßt sich der Innenraum 28 der Lamelle 19 hinsichtlich der Wicklungen 18 besser ausnutzen, oder, anders ausgedrückt, es entstehen wesentlich geringere Hohlräume im Inneren des Stators 16.

Die miteinander verbundenen Enden oder Elemente 23 und 24 bilden bei den Ausführungsbeispielen zusammen eine Bohrung 29, in welche man nach der Paketbildung ein stiftartiges Sicherungselement 30 einschieben kann. Es kann sich dabei gemäß Fig. 2 um Kerbstifte oder dgl. Maschinenelemente handeln, welche den Kanal oder die Bohrung 29 des Blechpakets 17 durchsetzen. Die beidseits überstehenden Enden greifen vorteilhafterweise in Bohrungen 31 bzw. 32 des Lagerschilds 31 bzw. 32 ein und halten dadurch diese drei wesentlichen Teile des Motors axial sicher zusammen. Zugleich übernehmen die stiftartigen Sicherungselemente 29 auch die Lagesicherung benachbarter Lamellenteilstücke bzw. der daraus gebildeten Pakete.

Wenn man an den Lamellenteilstücken wenigstens eine Bohrung 34 anbringt (Fig. 6), so kann dafür auf die Bohrung 29 an den Verbindungsstellen verzichtet werden. Andererseits kann die Bohrung 34 nicht nur beim Zusammenbau des Motors ausgenutzt werden sondern bereits vorher, z. B. wenn die Lamellenteilstücke 20 nicht im Paket, sondern einzeln gestanzt werden und anschließend zu einem Paket zusammengefügt werden müssen. Mit Hilfe der Bohrung 34 können sie auf ein Dorn aufgefädelt werden, wodurch man keine aufwendige Vorrichtung für die Paketbildung und Montage des Stators benötigt.

Gemäß Fig. 2 kann in einem der beiden Lagerschilde eine Leiterplatte 33 untergebracht werden, welche die üblichen elektronischen Bauelemente und vorzugsweise auch zwei Hall-Geber trägt.

Der vorstehend beschriebene Motor zeichnet sich durch eine besonders geringe Baugröße aus. Er ist einfach und preiswert herzustellen und sein Rotor besitzt eine besonders geringe Masse. Die Lagerschilde können aus Aluminium- oder Zinkguß gefertigt werden.

Claims (16)

1. Bürstenloser Gleichstrommotor mit einem wenigstens teilweise aus magnetischem Material bestehenden Rotor (1) sowie einem Stator (16) mit einem Wicklungen (18) aufweisenden Blechpaket (17), dadurch gekennzeichnet,daß der Rotor (1) aus einem insbesondere dünnwandigen, nichtmagnetischen Rohr (2) besteht, in dessen Innerem ein zylindrischer Permanentmagnet (3) gehalten ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (3) über eine Schicht (4) aus Klebstoff oder dgl. mit der Rohrinnenwand drehfest verbunden ist.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der über den Permanentmagneten (3) axial vorstehenden Rohrenden unmittelbar einen Lagerzapfen des Rotors (1) bildet.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) an der Abtriebsseite einen Lagerzapfen bildet, der in einem statorseitigen Lager gelagert ist, wobei das statorseitige Lager vorzugsweise ein Wälzlager (5) ist.

5. Motor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem der über den Permanentmagneten (3) axial vorstehenden Rohrenden ein Lager (6) des Rotors (1) gehalten ist.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (6) unter Zwischenschaltung einer Büchse oder dgl. rohrförmigen Zwischenschicht (10) elastisch im zugeordneten Rohrende gehalten ist.

7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerzapfen (7) aus einer Nadelrolle besteht, die im Lagerschild (9) eingepreßt ist.

8. Motor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, daß ein Rohrende zugleich die Abtriebswelle (15) bildet.

9. Motor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, daß das Rohr (2) zumindest innen und wenigstens im Bereich des Magneten (3) einen polygonalen Querschnitt aufweist, insbesondere einen Zwölfkantquerschnitt.

10. Motor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (16) aus einem lamellierten Blechpaket (17) besteht, das mit vorgefertigten Spulenkörpern ausgestattet ist.

11. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lamelle (19) des Stators (16) aus vorzugsweise gleichen Lamellen-Teilstücken (20) besteht, wobei die Lamellen- Teilstückpakete formschlüssig (23, 24) miteinander verbunden und mittels stiftartiger Sicherungselemente (30) zusammengehalten sind, und daß jedes Lamellen- Teilstückpaket eine im wesentlichen T-förmige Gestalt aufweist, wobei der T-Längssteg (21) eine vorgefertigte Wicklung (18) trägt.

12. Motor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Wicklungen bzw. der Spulenkörper (18) gegenüber jeweils einer gedachten Radialebene seitlich parallel versetzt verlaufen.

13. Motor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Pakete aus den Lamellenteilstücken (20) in radialer Richtung zusammengesteckt sind.

14. Motor nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte und miteinander verbundene Enden der Lamellen-Teilstückpakete jeweils einen Einsteckkanal, insbesondere eine Bohrung (19) für ein Sicherungselement (30) bilden.

15. Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der vorzugsweise als Spannstifte oder dgl. ausgebildeten Sicherungselemente (30) in jeweils eine Bohrung (31, 32) ihres zugeordneten Lagerschilds (9, 13) eingepreßt sind.

16. Motor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Lagerschilde (9, 13) eine Leiterplatte (33) mit zwei Hall-Gebern aufnimmt.