DE60014126T2

DE60014126T2 - Aussenläuferbürstenloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE60014126T2
Application number: DE60014126T
Authority: DE
Inventors: Henry Wemyss Bay RIDDOCH
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2020-10-05
Also published as: WO2001028074A2; WO2001028074A3; EP1219006B1; GB9923900D0; DE60014126D1; CN1254906C; GB2355598A; US6830440B1; CN1409888A; GB2355598B; GB2356978A; EP1219006A2; JP2003512004A; AU7544000A; GB0013358D0; GB2356978B; ATE277449T1

Description

Die Erfindung betrifft einen Lüfter, in dem ein bürstenloser Gleichstrommotor mit externem Rotor integriert ist.
Seit vielen Jahren werden bürstenlose Gleichstrommotoren mit externem Rotor gemäß einer konventionellen Topographie hergestellt. Ein Beispiel einer solchen konventionellen Anordnung eines bürstenlosen Gleichstrommotors ist in 1 dargestellt. Die grundlegende Voraussetzung dieser Anordnung ist, daß die Statorbaugruppe einen Stator-Grundkörper aufweist, in der eine Vertiefung vorgesehen ist. Die Treiber- und Steuerschaltung für den Motor ist in der Vertiefung an dem Stator-Grundkörper befestigt, wobei die Statorwicklungen über der Schaltung angeordnet sind, so daß die Schaltung in die Vertiefung zwischen den Statorwicklungen und dem Stator-Grundkörper eingefügt ist. Typischerweise sind die Statorwicklungen und die Schaltung fest an dem Stator-Grundkörper befestigt.
Trotz der mit dieser Anordnung verbundenen Nachteile gab es nur wenige oder keine Versuche, von der üblichen, oben beschriebenen Anordnung abzuweichen, seit dieser Motortyp vor 20 Jahren zum ersten Mal hergestellt wurde.
Es besteht eine Anzahl von Nachteilen, die mit der oben beschriebenen üblichen Anordnungsweise des Motors verknüpft sind. Diese Nachteile rühren alle von der üblichen Lage der gedruckten Leiterplatte her, die an einer Position zwischen dem Stator-Grundkörper und den Statorwicklungen vorgesehen ist. Beispielsweise ist es extrem schwer, die Schaltung oder Komponenten auf der gedruckten Leiterplatte zu reparieren, ohne die Statorwicklungen oder den Grundkörper zumindest teilweise zu beschädigen oder zu zerstören, da die Statorwicklungen fast immer fest mit dem Stator-Grundkörper verbunden sind. Es tritt oft der Fall auf daß es kostengünstiger ist, einen Motor wegzuwerfen, als zu versuchen, die mit dem Motor verknüpfte Schaltung zu reparieren oder instand zu halten.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Hitze, welche sowohl von dem Motor als auch von der auf der gedruckten Leiterplatte vorgesehene Schaltung erzeugt wird, schwer von dem Motor abzuführen ist.
Ein weiterer Nachteil liegt in der Schwierigkeit, die gedruckte Leiterplatte und die darauf angeordneten Komponenten gegenüber Eindringen von Staub oder Feuchtigkeit abzudichten.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Hitze, die von dem Motor und der Treiberschaltung auf der gedruckten Leiterplatte erzeugt wird, schwer abzuführen ist, wodurch in vielen Fällen die Ausgangsleistung des Motors begrenzt wird.
Die Druckschrift DE 41 22 529 offenbart einen Antriebsmotor mit einem Stator-Grundkörper, von der sich Kühlrippen erstrecken, die den Rotor umgeben. Die Druckschrift JP 10191595 offenbart einen Ventilator, in dem ein Motor angeordnet ist, welcher ein Metallgehäuse mit Kühllamellen aufweist, die von dem Stator-Grundkörper wegstehen und die um die Rotoranordnung mit Abstand angeordnet sind. Die Druckschrift US-A-4,682,065 offenbart ein gegossenes Kunststoffgehäuse für einen kleinen elektrischen Motor. Die Druckschrift US-A-4,818,907 offenbart einen bürstenlosen Motor.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit externem Rotor vorzusehen, der die obengenannten Nachteile nicht aufweist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Lüfter mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgesehen.
Vorzugsweise ist die Schaltung an der Grundplatte befestigt oder wird von dieser gehalten.
Geeigneterweise umfaßt die Grundplatte eine im wesentlichen kreisförmige Grundplatte, die eine im wesentlichen zylindrische Seitenwand hat, wobei die Seitenwand eine Vertiefung eingrenzt, in der die Schaltung angeordnet ist.
Vorzugsweise umfaßt der Stator-Grundkörper Mittel zum Halten der Statorwicklungen.
Geeigneterweise ist der Stator-Grundkörper aus Aluminium oder einem anderen Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit hergestellt.
Vorzugsweise ist die Schaltung in der Form einer gedruckten Leiterplatte ausgebildet, die eine Vielzahl von darauf angebrachten Komponenten umfaßt, wobei die Komponenten auf der gedruckten Leiterplatte auf einer oder auf beiden Oberflächen der gedruckten Leiterplatte positioniert sind.
Vorzugsweise können zumindest einige oder alle stark Wärme erzeugenden Komponenten über die gedruckte Leiterplatte hervorstehen und an dem Grundkörper P befestigt sein, wodurch die Wärme direkt in den Grundkörper geleitet wird. Alternativ können die Wärme erzeugenden Komponenten über einer Öffnung in der gedruckten Leiterplatte vorgesehen sein, wodurch sie an einen hervorstehenden Bereich auf den Grundkörper geklemmt werden können, um die Wärme in den Grundkörper zu leiten.
Geeigneterweise hat der Motor eine Deckplatte, wobei die Deckplatte einen Teil des Lüftergehäuses umfaßt, welches so konstruiert ist, daß sich der äußere Rand des Grundkörpers in dem Luftstrom des Lüfters befindet und so von dem Luftstrom gekühlt wird.
Im weiteren werden Ausführungsformen beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, um die Erfindung besser verständlich zu machen. Die Figuren zeigen im einzelnen:
1 ist ein Querschnitt durch einen üblichen bürstenlosen Gleichstrommotor;
2 ist ein Querschnitt durch einen ersten bürstenlosen Gleichstrommotor mit externem Rotor, der zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
3 ist eine Draufsicht auf den bürstenlosen Gleichstrommotor von 2;
4 ist ein Querschnitt durch einen zweiten bürstenlosen Gleichstrommotor mit externem Rotor, der geeignet ist, mit der vorliegenden Erfindung verwendet zu werden;
5 ist ein Querschnitt durch einen dritten bürstenlosen Gleichstrommotor mit externem Rotor, der zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist; und
6 ist eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Lüfter, der einen Kunststoffrahmen aufweist, in welchem ein bürstenloser Gleichstrommotor integriert ist.
In 1 ist eine übliche Anordnung bzw. Topographie eines bürstenlosen Gleichstrommotors 1 mit externem Rotor dargestellt. Der Motor 1 umfaßt eine Stator-Baugruppe und eine Rotor-Baugruppe. Die Stator-Baugruppe hat einen Stator-Grundkörper, der im wesentlichen einen kreisförmigen Grundkörper 2 umfaßt, welcher eine aufrechte zylindrische äußere Seitenwand 3 aufweist. Ferner steht eine mittige zylindrische Säule 4 aufrecht in der Mitte des kreisförmigen Grundkörpers 2 aufrecht und ist zu der zylindrischen Seitenwand 3 konzentrisch, um den kreisförmigen Raum zwischen der zylindrischen Seitenwand 3 und der Säule 4 einzugrenzen. Es ist üblich, daß die Ansteuerungs- und Steuerschaltung des Motors in diesem kreisförmigen Raum angeordnet ist, typischerweise auf einer kreisförmigen gedruckten Leiterplatte 5, wobei die Hauptoberfläche der gedruckten Leiterplatte 5 alle Komponenten 6 trägt, die zu dem Grundkörper 2 hin orientiert sind. Die gedruckte Leiterplatte 5 ist typischerweise fest mit einer Vielzahl von mehrpoligen Statorblechen verbunden und an diesen befestigt, wobei die Wicklungen um jeden Pol eine Stator-Wicklungsbaugruppe 7 bilden, die an dem Stator-Grundkörper und insbesondere an dem Äußeren der Säule 4 direkt überhalb des Grundkörpers befestigt ist, wobei die gedruckte Leiterplatte 5 zwischen der Stator-Wicklungsbaugruppe 7 und dem Grundkörper 2 angebracht ist. Die Stator-Wicklungsbaugruppe 7 ist mittels eines wärmehärtenden Harzes oder mittels eines anderen permanenten Klebemittels fest an der Säule 2 angebracht. Es ist zu bemerken, daß der kreisförmige Raum, in dem die gedruckte Leiterplatte 5 angebracht werden soll, zu der Stator-Wicklungsbaugruppe 7 hin geöffnet ist.
Die Rotorbaugruppe umfaßt einen Rotorbecher 8 mit einer Folge von Permanentmagnetpolen, die um dessen inneren Rand mit entgegengesetzten Polaritäten 9 angeordnet sind. Der Becher 8 greift drehbar in die Säule 4 mittels einer Welle 10 ein, die zwischen zwei Lagerpaaren 11 innerhalb der Säule 4 gehalten wird.
Die mit der oben beschriebenen üblichen Motoranordnung verknüpften Nachteile rühren von der üblichen Lage der gedruckten Leiterplatte her, die in einer Position zwischen dem Gehäusegrundkörper 2 und der Statorbaugruppen 7 vorgesehen ist, die typischerweise beide permanent miteinander verbunden sind. Es ist daher extrem schwierig, die Schaltung oder Komponenten auf der gedruckten Leiterplatte zu verändern oder zu reparieren, ohne die Stator-Wicklungsbaugruppe oder die Grundkörper zumindest teilweise zu beschädigen oder zu zerstören.
Andere Nachteile umfassen die Schwierigkeit, die gedruckte Leiterplatte und die darauf angeordneten Komponenten gegenüber eintretendem Staub und eintretender Feuchtigkeit abzudichten. Ferner besteht die Schwierigkeit, die von dem Motor und der Schaltung auf der gedruckten Leiterplatte erzeugten Wärme von dem Motor abzuleiten und die elektronischen Komponenten gegenüber der innerhalb der Stator-Wicklungsbaugruppe 7 erzeugt Wärme zu isolieren.
Um diese Probleme zu lösen, sieht ein zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeigneter Motor vor, die übliche Anordnung von bürstenlosen Gleichstrommotoren mit externem Rotor zu verlassen. Die 2 zeigt ein Beispiel eines Motors, der zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Gemäß den 2 und 3 und unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen, wie sie auch bei der üblichen, in 1 dargestellten Motorbaugruppe verwendet werden, ergibt sich, daß sich die Rotorbaugruppe nicht unterscheidet und die Stator-Wicklungsbaugruppe 7 in einer üblichen Weise an der Säule 4 befestigt ist. Jedoch unterscheidet sich der Motor, der zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist, von der in 1 dargestellten üblichen Motorbaugruppe, durch den Grundkörperabschnitt der Statorbaugruppe.
Der Stator-Grundkörper 20 des Motors, der zur Verwendung mit der Erfindung geeignet ist, bildet effektiv eine Umkehrung der in 1 dargestellten Anordnung. Der Stator-Grundkörper 20 umfaßt eine übliche Säule 4, die aufrecht zu einer kreisförmigen Grundplatte 21 angeordnet ist. Eine zylindrische Seitenwand 22 steht von der Grundplatte 21 in der zu der Säule 4 entgegengesetzten Richtung hervor, wodurch die Seitenwand 22 von der Stator-Wicklungsanordnung 7 weg und in der zu der Säule 4 entgegengesetzten Richtung hervorsteht. Daher ist zwischen der Stator-Wicklungsbaugruppe 7 und der Grundplatte keine Vertiefung vorgesehen, in der die gedruckte Leiterplatte 5 befestigt werden kann.
Im Gegensatz zu der üblichen Anordnung definiert die Seitenwand 22, die von der Stator-Wicklungsbaugruppe 7 wegsteht, einen Raum auf der Seite der Grundplatte 21, die der Stator-Wicklungsbaugruppe 7 gegenüberliegt, in welchem die mit dem Motor verbundene Schaltung befestigt werden kann. Daher öffnet sich die von der Seitenwand 22 und der Grundplatte 21 umgrenzte Vertiefung in eine von der Stator-Wicklungsanordnung 7 abgewandte Richtung.
Auf einer inneren Stufe, die um den freien Rand der Seitenwand 22 ausgebildet ist, sitzt eine Deckplatte 23 auf. Dadurch wird eine Einschließung 24 zwischen der Grundplatte 21 und der Deckplatte 23 definiert, die durch die Seitenwand 22 begrenzt ist. Vorzugsweise sind innerhalb der Seitenwand 22 weitere Vorsprünge 25 oder Trennwände (nicht dargestellt) ausgebildet, um jeweilige Mittel vorzusehen, mit denen die Deckplatte 23 an der Grundplatte 21 gesichert werden kann, und welche die Haupteinschließung 24 in zahlreiche Teileinschließungen innerhalb der durch die Seitenwand 21 definierten Grenze unterteilen.
In dem in 2 dargestellten Motor ist an der Grundplatte 21 eine gedruckte Leiterplatte 5 befestigt. Die Komponenten 6 auf der gedruckten Leiterplatte 5 sind auf der Oberfläche der gedruckten Leiterplatte 5 angeordnet, die der der Grundplatte 21 benachbarten Oberfläche gegenüberliegt. Daher sind die Komponenten 6 gut erreichbar, wenn die Deckplatte 23 entfernt wird. Somit können die Komponenten 6 und die Schaltung auf der gedruckten Leiterplatte 5 leicht repariert oder in Stand gehalten werden, ohne daß die Wicklungsbaugruppe 7 oder andere Teilen der Statorbaugruppe beschädigt werden müssen. Eine geeignete Verkabelung 7A verbindet die Wicklungsbaugruppe 7 durch die Grundplatte 21 hindurch mit der gedruckten Leiterplatte. Die Öffnung, durch welche die Verkabelung 7A durch die Grundplatte 21 geführt ist, wird mittels einer Gummidichtung oder ähnlichem abgedichtet.
Das Vorsehen der Einschließung 24, in welcher die gedruckte Leiterplatte für den Motor auf derjenigen Seite der Grundplatte 21 befestigt wird, welche den Statorwicklungen 7 gegenüberliegt, bietet weitere Vorteile. Die Einschließung 24 ist mittels eines O-Rings aus Gummi oder mittels anderer ähnlicher Abdichtungsanordnungen hermetisch abdichtbar, um so die Schaltung und die Komponenten innerhalb der Einschließung 24 vor eintretendem Staub oder eintretender Feuchtigkeit zu schützen. Ferner sind die Wärmeübertragungseigenschaften des Motors dadurch verbessert, daß die von dem Motor stammende Wärme leicht durch die Statorbaugruppe entlang der Grundplatte 21, die Seitenwand 22 herunter und von der Deckplatte 23 weg abgeführt werden kann. Mit der Deckplatte 23 können externe Wärmesenken oder ähnliches verbunden werden, um weitere Wärmeableitung zu vereinfachen.
Vorzugsweise ist der Stator-Grundkörper aus Aluminium oder einem anderen thermisch leitenden Material gefertigt.
Eine weitere Ausführung eines Motors, die zur Verwendung mit der Erfindung geeignet ist, würde die gleiche Motorkonstruktion unter Verwendung eines Grundkörpers aus Kunststoff oder aus nicht leitendem Material verwenden, wodurch die hermetische Abdichtung der elektronischen Komponenten gewährleistet wird.
Die 4 zeigt einen weiteren Motor, in dem eine oder mehrere Komponenten 6A der Schaltung über die gedruckte Leiterplatte 5 hervorstehen, um direkt mit der Grundplatte 21 verbunden zu werden, wodurch die Wärme direkt in die Grundplatte 21 geleitet wird. Diese Anordnung ist insbesondere für stark wärmeerzeugende Komponenten vorteilhaft.
Die 5 zeigt einen weiteren Motor, in dem die gedruckte Leiterplatte 5 mit einer Öffnung 26 versehen ist, durch die sich von der Grundplatte 21 ein Vorsprung 27 her erstreckt. Eine stark wärmeerzeugende Komponente ist über der Öffnung 26 auf der Seite der gedruckten Leiterplatte 5 angeordnet, die der Grundplatte 21 gegenüberliegt. Der Vorsprung 27 der Grundplatte 21 kontaktiert die Komponente 6A, um einen Wärmeleitungsweg direkt von der Komponente 6A zu der Grundplatte 21 vorzusehen.
Eine besondere Anwendung für Motoren ist der Bereich der Lüfter und Ventilationsausrüstungen, insbesondere Ventilatoren mit axialem Luftstrom. Lüfter mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor hoher Leistung weisen typischerweise einen Rahmen auf, der aus Aluminium hergestellt ist, da die Verwendung von kostengünstigeren Kunststoffmaterialien wegen der vom Motor erzeugten Wärme nicht möglich ist.
Wenn jedoch ein zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeigneter Motor verwendet wird, ist es möglich, einen Lüfter 30 herzustellen, der eine Hybridkonstruktion aufweist, welche einen Stator-Grundkörper 20 aus Aluminium vorsieht, die jedoch einen Plastikrahmen 31 aufweist, wie in der 6 dargestellt ist. Dies ist so vorgesehen, weil der von dem Lüfter 30 erzeugte Luftstrom Wärme von dem Motor 1 wegführt. Der von dem Lüfter 30 erzeugte Luftstrom führt über die Seitenwand 22 der Stator-Grundkörper 20, der Teile des Wärmeübertragungsweg umfaßt, die von dem Motor 1 weg gerichtet sind. Daher unterliegt der Rahmen 31 des Lüfters 30 einer geringeren Erwärmung als es bei einem Lüfter der Fall wäre, in dem ein üblicher bürstenloser Gleichstrommotor integriert ist. Vorzugsweise umfaßt die für den Stator-Grundkörper 20 vorgesehene Deckplatte 23 einen Teil des Lüftergehäuses 32, wodurch eine einfache Einrichtung vorgesehen ist, mit der das Lüftergehäuse mit dem Motor 1 mechanisch verbunden werden kann.
In der vorliegenden Beschreibung bedeutet „umfaßt" „einschließen oder bestehen aus" und „umfassend" „einschließend oder bestehend aus".

Claims

Lüfter (30) mit einem Rahmen (31), der aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist und in dem ein bürstenloser Gleichstrommotor (1) mit externem Rotor integriert ist, wobei der Motor umfaßt: einen Stator-Grundkörper (20) mit einer Grundplatte (21), wobei der Stator-Grundkörper (20) aus einem thermisch leitenden Material gefertigt ist; einer Wicklungs-Baugruppe (7), die an den Stator-Grundkörper (20) angebracht ist; und eine Schaltung (5, 6), die dem Motor (1) zugeordnet ist, wobei die Grundplatte (21) zwischen der Schaltung (5, 6) und der Wicklungs-Baugruppe (7) angeordnet ist und eine Seitenwand (22) aufweist, die von der Wicklungs-Baugruppe (7) absteht, wobei die Seitenwand (22) innerhalb des Luftstroms liegt, der während des Betriebs des Lüfters (30) von diesem erzeugt wird, und einen Teil eines Wärmeübertragungsweges umfaßt, um die Wärme von dem Motor abzuführen.
Lüfter nach Anspruch 1, wobei die Schaltung (5, 6) an der Grundplatte (21) befestigt ist oder von dieser gehalten wird.
Lüfter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wärmeerzeugenden Komponenten (6) der Schaltung (5, 6) mit der Grundplatte (21) verbunden sind.
Lüfter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Seitenwand (22) eine Vertiefung eingrenzt, in der die Schaltung (5, 6) angeordnet ist.
Lüfter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Grundplatte (21) mit einem Deckel (23) versehen ist, wobei die Schaltung (5, 6) zwischen der Grundplatte (21) und dem Deckel (23) angeordnet ist.
Lüfter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Schaltung (5, 6) in einer Einfassung (24) untergebracht ist.
Lüfter nach Anspruch 6, wobei die Einfassung (24) hermetisch abgedichtet ist.
Lüfter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator-Grundkörper (20) Mittel (4) zum Halten der Wicklungs-Baugruppe umfaßt.
Lüfter nach einer der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Schaltung (5, 6) in Form einer gedruckten Leiterplatte (5) vorgesehen ist, auf der eine Vielzahl von Komponenten (6) angebracht sind.
Lüfter nach Anspruch 9, wobei einige oder alle Komponenten (6) auf der gedruckten Leiterplatte (5) auf der Oberfläche der gedruckten Leiterplatte (5) angeordnet sind, welche derjenigen Oberfläche entgegengesetzt ist, die zu der Grundplatte (21) benachbart ist.
Lüfter nach Anspruch 9, wobei einige oder alle Komponenten (6) auf der Oberfläche der gedruckten Leiterplatte (5) angeordnet sind, die zu der Grundplatte (21) benachbart ist.
Lüfter nach Anspruch 9, wobei die Komponenten (6) auf beiden Oberflächen der Leiterplatte (5) angeordnet sind.
Lüfter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine stark wärmeerzeugende Komponente (6A) von der Kante der gedruckten Leiterplatte (5) hervorsteht und direkt an der Grundplatte (21) befestigt ist, wodurch Wärme von der Komponente (6A) an die Grundplatte (21) abgeleitet wird.
Lüfter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine stark wärmeerzeugende Komponente (6A) in der Nähe einer Öffnung (26) der gedruckten Leiterplatte (5) angeordnet ist, wobei ein von der Grundplatte (21) ausgehender Vorsprung (27) die Komponente (6A) durch die Öffnung (26) hindurch kontaktiert, um Wärme von der Komponente (6A) in die Grundplatte (21) zu leiten.
Lüfter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Wicklungs-Baugruppe (7) eine Anzahl von Multipol-Statorschichtblechen mit Wicklungen umfaßt.
Lüfter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Motor (1) eine Deckplatte aufweist und die Deckplatte (23) einen Teil des Lüftergehäuses (32) bildet.
Lüfter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Stator-Baugruppe (20) aus Aluminium gefertigt ist.