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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine mehrpolige elektromagnetische Motoranordnung.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
weit verbreitete Verwendung von Elektromotoren in vielen Kundenanwendungen
führt zu dem
Wunsch nach einer effizienteren und kostengünstigen Fertigung und Herstellung
derselben. Mehrpolige Motoren verschiedener Arten sind in dem Fachgebiet
gut bekannt. Ein solcher bestehender Motor der zuvor erwähnten allgemeinen
Art ist in den 1A und 1B abgebildet.
Unter Bezugnahme auf diese Fig. ist solch ein Motor typischerweise
aus einer komplexen maschinell bearbeiteten Statoranordnung hergestellt,
was genaue, kostspielige und arbeitsintensive Arbeitsschritte erfordert.
Des Weiteren wird solch eine maschinell bearbeitete Statoranordnung üblicherweise
maschinengewickelt und in ein Gehäuse eingebaut, ist jedoch nicht
ohne weiteres oder einfach zu entfernen oder auszutauschen.
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Die
maschinell bearbeitete Statoranordnung würde typischerweise auch Schaltverbindungen
verwenden, die üblicherweise
manuell mit Anschlüssen für eine externe
Verbindung verbunden oder an diese gelötet werden. Die Fertigstellung
von gelöteten
oder manuell verbundenen Anschlüssen
ist üblicherweise zeitintensiv
und ihre Reparatur ist schwierig. In jüngster Vergangenheit wurde
das Löten
einer genauen Prüfung
im Hinblick auf seine Einflüsse
auf Umwelt und Gesundheit unterzogen. Der Rotor solch eines vorhandenen
Motors wird üblicherweise
unter Verwendung von zwei oder mehreren Lagern an jedem Ende der
Welle montiert, die derart ausgebildet sind, dass sie sowohl eine
radiale als auch eine axiale Verschiebung einschränken.
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Die
JP 07 274 443 offenbart
eine bekannte Motoranordnung.
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Es
ist offensichtlich, dass es im Stand der Technik viele Einschränkungen
hinsichtlich Design, Konstruktion und Anordnung gibt. Der Stand
der Technik ist nicht darauf ausgerichtet, einen kostengünstigen
Motor bereitzustellen, noch ist er für eine Massenfertigung geeignet.
Die oben angeführten Nachteile
des Standes der Technik werden durch den Aufbau und das Verfahren,
die hierin beschrieben sind, überwunden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine mehrpolige Motoranordnung gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
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Die
Erfindung sieht einen kostengünstigeren Motor
vor, der ohne weiteres für
eine Massenproduktion geeignet ist. In einer Ausführungsform
umfasst die Motoranordnung ein Gehäuse, eine Statoranordnung,
eine Rotoranordnung und eine Abdeckungsanordnung. Die Statoranordnung,
die aus austauschbaren Statorelektromagneten besteht, ist in dem
kostengünstigen
Gehäuse
eingebaut. Die Rotoranordnung umfasst eine Vielzahl von Erfassungsmagneten und
Motormagneten, die an einer Rotorwelle integriert sind. Die Abdeckungsanordnung
ist an einem Ende des Gehäuses befestigt
und umfasst einen magnetischen Sensor, eine Leitungsrahmen-Zwischenverbindungsanordnung
und einen außen
liegenden elektrischen Verbinder. Der magnetische Sensor ist geeignet,
um das Vorbeilaufen von Erfassungsmagneten, die sich an der Rotorwelle
befinden, zu detektieren, und sorgt für die Bestimmung der Position
der Rotorwelle. Die Leitungsrahmen-Zwischenverbindungsanordnung
sorgt für
eine elektrische Verbindung zwischen dem außen liegenden Verbinder, und den
Erfassungsmagneten und den Motormagneten. Dies beseitigt eine Leiterplatte
und eine Handverdrahtung. Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden
für den
Fachmann nach dem Lesen und Verstehen der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung der Ausführungsformen
offensichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Elemente
in den verschiedenen Fig. dieselbe Bezugsziffer aufweisen, zeigt:
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1A eine
Querschnittsansicht eines mehrpoligen Motors mit einer Konstruktion
nach dem Stand der Technik;
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1B eine
antriebsseitige Seitenansicht des mehrpoligen Motors von 1A;
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2 eine
Aufrissansicht, teilweise im Querschnitt, des mehrpoligen Motors
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
Draufsicht, teilweise im Querschnitt, des mehrpoligen Motors von 2;
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4 eine
perspektivische Darstellung der Statorwicklung der vorliegenden
Erfindung; und
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5 eine
perspektivische Darstellung der Abdeckungsanordnung der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Arten von Motoren und
anderen rotierenden Vorrichtungen wie z. B. Motoren, die in einem
Fahrzeugsteuersystem eingesetzt werden, verwendet werden. Eine Ausführungsform
der Erfindung ist hierin beispielhaft beschrieben, wie sie auf einen
mehrpoligen Motor, der in einem Luftregelventil verwendet wird,
angewendet werden kann. Auch wenn diese Ausführungsform der Erfindung gezeigt
und beschrieben ist, wird für
einen Fachmann einzusehen sein, dass die Erfindung nicht nur auf
Luftregelventile beschränkt
ist, sondern auf mehrpolige Motoren und deren Anwendung im Allgemeinen
angewendet werden kann.
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die 1A und 1B ist
ein mehrpoliger Motor 12 gezeigt, der eine komplexe maschinell
bearbeitete Statoranordnung 13 umfasst, deren Fertigung
genaue, kostspielige und arbeitsintensive Arbeitsschritte erfordert.
Er umfasst auch eine Welle 18, ein Wellenlager 16 und
ein Rotoreisen und Magnete 14. Die maschinell bearbeitete
Statoranordnung 13 wird im Allgemeinen maschinengewickelt
und in ein Gehäuse 15 installiert,
ist jedoch nicht ohne weiteres oder einfach zu entfernen oder auszutauschen.
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Die 2 und 3 zeigen
eine Ausführungsform
der Erfindung, die durch die Anwendung auf einen mehrpoligen Motor 30 veranschaulicht
ist. Der Motor 30 umfasst ein Gehäuse 40, eine Statoranordnung 60,
eine Rotoranordnung 80 und eine Abdeckungsanordnung 100.
Das Gehäuse 40,
wie abgebildet, ist konstruiert, um die Fertigung zu vereinfachen
und die Montage zu erleichtern. Dies wurde bewerkstelligt, indem
bestimmte Komponenten zur Einfachheit der Fertigung und Montage
neu konstruiert wurden. Zum Beispiel kann das Gehäuse 40 aus
einem geformten Kunststoff oder einem Aluminiumgussteil hergestellt
werden. Ferner kann das Gehäuse 40 die
betätigte
Vorrichtung wie z. B. ein Luftregelventil 46 enthalten.
Darüber
hinaus ist das Gehäuse 40 auf
eine Weise ausgebildet, die zulässt,
dass die Statorelektromagneten 62 modular und austauschbar
in dem Gehäuse 40 angeordnet
sind. Solch ein Verfahren spart beträchtlichen Aufwand und Zeit
bei der Herstellung. Das Gehäuse 40 umfasst
eine Vielzahl von Hohlräumen,
die derart geformt und dimensioniert sind, dass sie die Vielzahl
von Statorelektromagneten 62 aufnehmen. Das Gehäuse 40 umfasst auch
einen Hohlraum, um ein Wellenlager 82 unterzubringen.
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In
dieser Ausführungsform
kombiniert das Gehäuse 40 die
Ummantelung für
den Motor und das Luftregelventil 46 in einer einzigen
Struktur. Das Gehäuse 40 an
dem Motorabschnitt ist hautsächlich
kubisch. Die vier Seiten sind im Wesentlichen quadratisch, die Unterseite
ist die betätigte
Vorrichtung 46 und die Oberseite ist offen und koppelt
an die Abdeckungsanordnung 100 an und passt mit dieser
zusammen (5). Der obere Abschnitt des
Gehäuses 40 umfasst
eine ausgeschnittene, stufenförmige
Lippe 42 in der Wanddicke um den Umfang herum, um das Zusammenpassen
und Abdichten mit der Abdeckungsanordnung 100 (5)
zu erleichtern. Die Abdeckungsanordnung 100 umfasst eine ähnliche
aber entgegengesetzte passende Lippe 118 auf ihren Seiten.
Das Gehäuse 40 umfasst Öffnungen
für das
Wellenlager 82 und ein zweites Lager 84. Das Gehäuse 40 umfasst
auch vier Stangen 44, die nebeneinander angeordnet sind
und zylindrisch geformt sind. Diese Säulen 44 sind so positioniert,
dass Ausrichtungsstangen 116 (5) an der
Abdeckungsanordnung 100 bei der Montage in die jeweiligen
passenden Stangen 44 in dem Gehäuse 40 eintreten und
mit diesen in Eingriff treten, wodurch eine korrekte Ausrichtung
der Abdeckungsanordnung 100 mit dem Gehäuse 40 gewährleistet
ist. Ferner kann jede der vier Stangen 44 in dem Gehäuse 40 eine
Befestigungseinrichtung (z. B. mit einem Gewinde versehen) aufnehmen,
um die Abdeckungsanordnung 100 an dem Gehäuse 40 zu
sichern.
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Unter
neuerlicher Bezugnahme auf die 2 und 3 weist
die Statoranordnung 60 einen modularen Aufbau auf und ist
aus einer Vielzahl von austauschbaren Statorelektromagneten 62 mit
zylindrischer Form zusammengesetzt, die jeweils durch einen austauschbaren,
zylindrischen, ferromagnetischen Kern 64 gekennzeichnet
sind, um den herum eine austauschbare, zylindrische, gespulte Statorwicklung 66 angeordnet
ist. Die in 4 gezeigte Statorwicklung 66 ist
ringförmig
mit ungefähr
der gleichen Länge
wie die des Kerns 64, sodass die Anordnung einem Zylinder
gleicht, wenn der Kern 64 in den freien Mittelabschnitt
der ringförmigen
Statorwicklung 66 eingesetzt ist. In dieser Ausührungsform
werden vier solche Statorelektromagneten 62 verwendet,
um eine Statoranordnung 60 zusammenzusetzen. Die Statorelektromagneten 62 sind
in dem Gehäuse 40 angeordnet
und in einer speziellen Orientierung angeordnet, die das Eingreifen
und Ankoppeln des Verbindungsabschnitts 68 mit/an die Schneidklemmen 102 der
Abdeckungsanordnung 100 erleichtern. Diese Orientierung
ist so, dass der flache Abschnitt der Oberseiten eines jeden zylindrisch
geformten Statorelektromagneten 62 und Verbindungsabschnitts 68 um
eine Achse gedreht ist, die parallel zu der Drehachse der Rotoranordnung 80 ist.
Der Verbindungsabschnitt 68 ist daher jeder Ecke des Gehäuses 40 am
nächsten.
Der Verbindungsabschnitt 68 umfasst zwei Drähte, die
jeweils elektrisch mit einem Ende der Statorwicklung 66 verbunden
sind.
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Die
Rotoranordnung 80 ist aus einer Rotorwelle 86,
einem Rotoreisen 65, einer Vielzahl von Motormagneten 88,
einer Vielzahl von Erfassungsmagneten 90 und einem Wellenlager 82 zusammengesetzt.
Die Rotorwelle 86 ist zylindrisch geformt und aus einem
Material hergestellt, das geeignet ist, um die Motormagneten, Erfassungsmagneten
und andere Vorrichtungen zu befestigen. Sie ist mit einer ausreichenden
Festigkeit ausgebildet, um die Rotationskräfte des Motors 30 auf
die betätigte
Vorrichtung zu übertragen
und eine Last von der betätigten
Vorrichtung, d. h. dem Luftsteuerventil, zu tragen. Eine Längsachse
der Rotorwelle 86 ist konzentrisch mit der Längsachse
der Statoranordnung.
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Das
Wellenlager 82 hält
eine radiale Einschränkung
aufrecht und sorgt für
eine axiale Einschränkung
der Rotorwelle 86. Das Wellenlager 82 und das
zweite Lager 84 können
ein Gleit-, Kugel- oder Rollenlager umfassen. Das Wellenlager 82 ist mit
seinem inneren Ring ungefähr
mittig starr an der Rotorwelle 86 und mit seinem äußeren Ring
an dem Gehäuse 40 befestigt.
Die Rotation der Rotoranordnung 80 ist durch das zweite
Lager 84, das nahe dem Ende der Rotorwelle 86 in
der Nähe
der betätigten Vorrichtung 46 montiert
ist, weiter erleichtert und radial eingeschränkt. Ein Fachmann wird einsehen, dass
eine solche Konfiguration für
die notwendigen mechanischen Einschränkungen für die Rotorwelle 86 sorgt,
während
sie auch die rotatorische Freiheit bereitstellt und gleichzeitig
eine geradlinige Bewegung einschränkt. Des Weiteren ist einzusehen,
dass solch eine Konfiguration für
eine größere radiale
Einschränkung
der Rotorwelle 86 in der Nähe der betätigten Vorrichtung 46 sorgt
und dadurch eine strengere Steuerung von Toleranzen an der Grenzfläche der betätigten Vorrichtung 46 mit
dem Gehäuse 40 zulässt.
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Das
Rotoreisen 65 ist eine flache Scheibe, die funktionell
mit der Rotorwelle 86 nahe einem Ende befestigt ist. Die
Ebene des Rotoreisens 65 ist rechtwinklig zu und konzentrisch
mit der Längsachse der
Rotorwelle 86. An dem Rotoreisen 65 ist eine Vielzahl
von Motormagneten 88 angebracht. Die Motormagneten 88 sind
ebenfalls konzentrisch mit der Rotorwelle 86 und auf solch
eine Weise positioniert, dass die Flusslinien parallel zu der Drehachse
der Rotorwelle 86 ausstrahlen. Die Motormagneten 88 sind
angeordnet, um ein maximales Drehmoment pro Motordurchmesser bereitzustellen,
indem eine Verteilung genutzt wird, die zulässt, dass die Motormagneten 88 den
maximalen möglichen
Durchmesser innerhalb einer gegebenen Größe des Gehäuses 40 einnimmt.
Das heißt,
der Außendurchmesser
der Motormagneten 88 entspricht beinahe dem Innendurchmesser
des Gehäuses 40.
Diese Konfiguration lässt zu,
dass die Erfindung ausgeführt
werden kann, um Drehmomentniveaus zu erzeugen, die über jenen
liegen, welche durch herkömmlich
ausgebildete, ähnlich
dimensionierte Motoren, bei denen die Motormagneten typischerweise
an einem Radius angeordnet sind, der kleiner als der des Stators
ist, erzeugt werden.
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Es
ist eine auch Vielzahl von Erfassungsmagneten 90 vorhanden,
die vorgesehen sind, um die Rotation der Rotoranordnung 80 und
somit des Motors 30 zu detektieren. Dieser Aufsatz erleichtert
die spätere
Montage und spart somit Fertigungsaufwand. Die mit dem magnetischen
Sensor 104 (5) kombinierten Erfassungsmagneten 90 stellen
eine Positionserfassungsfähigkeit
bereit. Die Erfassungsmagneten 90 sind in Umfangsrichtung
um einen distalen Abschnitt eines ersten Endes der Rotorwelle 86 herum
positioniert und daran integriert. Die Erfassungsmagneten 90 sind
axial mit einem Flussträger 112 und
einem magnetischen Sensor 104 (5) der Abdeckungsanordnung 100 (5)
ausgerichtet. Das sich ändernde
magnetische Feld wird von dem magnetischen Sensor 104 detektiert,
der in Ansprechen auf das Vorbeilaufen eines jeden Erfassungsmagneten 90 eine
Spannung und daher die Position der Rotoranordnung 80 ausgibt.
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5 zeigt
die Abdeckungsanordnung 100, die aus einer Abdeckung 106,
auf der ein außen
liegender elektrischer Verbinder 108 befestigt ist, dem Flussträger 112,
dem magnetischen Sensor 104 und einer Leitungsrahmen-Zwischenverbindungsanordnung 110 zusammengesetzt
ist.
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In
dieser Ausführungsform
weist die Abdeckung 106 primär eine rechteckige Form mit
vier Seiten und einer Basis auf. Der außen liegende elektrische Verbinder 108 steht
durch eine der Seiten vor. Die Abdeckung 106 umfasst auch
eine Basis, auf der der magnetische Sensor 104 und die
Leitungsrahmen-Zwischenverbindungsanordnung 110 befestigt sind.
Des Weiteren umfasst die Abdeckung 106 vier Ausrichtungsstangen 116,
die in der Nähe
jeder Ecke der Abdeckung 106 angeordnet, zylindrisch geformt und
so positioniert sind, dass die Stangen bei der Montage in passende
Stangen 44 in dem Gehäuse 40 eintreten
und mit diesen in Eingriff treten. Die Seiten der Abdeckung 106 umfassen
eine ausgeschnittene, stufenförmige
passende Lippe 118 (2) in der
Wanddicke um den Umfang herum, um das Zusammenpassen und Abdichten
mit dem Gehäuse 40 (2 und 3)
zu erleichtern. Die Abdeckung 106 ist auch derart ausgebildet,
dass sie auf eine Weise mit dem Gehäuse 40 zusammenpasst
und an diesem befestigt wird, die zulässt, dass die Schneidklemmen 102 über dem
Verbindungsabschnitt 68 der Statorwicklung 66 kraftvoll
und sicher zusammengedrückt werden.
Dies sorgt für
eine elektrische Verbindungsfähigkeit
mit jeder Statoranordnung 60.
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Der
außen
liegende elektrische Verbinder 108 dieser Ausführungsform
ist beinahe rechteckig mit halbkreisförmigen Seiten auf den kürzeren Seiten.
Ein Fachmann wird verstehen, dass der Verbinder viele Formen und
Konfigurationen annehmen kann, die mit einer spezifischen Konstruktion
geeignet sind, oder um einen speziellen Verbinder unterzubringen.
In dieser Ausführungsform
liegen die längeren
Seiten in einer Ebene parallel zu der Basis der Abdeckung 106.
Der außen
liegende elektrische Verbinder 108 ist mit dem magnetischen
Sensor 104 und den Schneidklemmen 102 über die
Leitungsrahmenanordnung 110 verbunden. Die Leitungsrahmenanordnung 110 ist
mit den Schneidklemmen 102 und dem magnetischen Sensor 104 integriert,
wodurch separate Verbindungen, manuelle Verbindungen und ein Schaltungsträgermaterial
eliminiert sind.
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Der
Flussträger 112 weist
eine ungefähr
ringförmige
Form auf und ähnelt
zwei halbmondförmigen Hälften, die
zusammen angeordnet sind, um ein Gelenk zu bilden. Er weist einen
zylindrischen Mittelabschnitt auf, der dimensioniert ist, um ein
Ende der Rotorwelle 86 mit den integrierten Erfassungsmagneten 90 aufzunehmen.
Der Flussträger 112 ist
so auf der Abdeckung 106 positioniert, dass der zylindrische Mittelabschnitt
bei der Montage konzentrisch mit der Rotorwelle 86 ist.
Die Rotorwelle 86 kann in das Gelenk eintreten und mit
diesem in Eingriff treten, wenn die Abdeckungsanordnung an dem Gehäuse 40 befestigt
wird, wodurch die integrierten Erfassungsmagneten 90 an
der Rotorwelle knapp neben dem magnetischen Sensor 104 angeordnet
werden. Der Flussträger 112 sieht
eine Öffnung 114 an
den zusammenpassenden Punkten der zwei Hälften vor, in denen der magnetische
Sensor 104 positioniert ist.
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Die
Schneidklemmen 102 sind orthogonal zu der Basis der Abdeckung 106 positioniert
und auf der Abdeckung 106 auf eine Weise positioniert,
dass sie mit dem Verbindungsabschnitt 68 der Statorwicklung 66 einer
jeden Statoranordnung 60 ausgerichtet sind. Die Schneidklemmen 102 sind
verzweigte Klemmen, die als Teil der Leitungsrahmenanordnung 110 gebildet
sind. Sie sind derart ausgebildet, dass sie den Draht an dem Verbindungsabschnitt 68 der
Statorwicklung 66 einer jeden Statoranordnung 60 aufnehmen,
halten und einen elektrischen Kontakt damit herstellen, wenn die
Abdeckungsanordnung 100 auf dem Gehäuse 40 montiert wird.
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Die
Erfindung kann auch mehrpolige Motoren umfassen, bei denen die Längsachse
der Rotorwelle 86 parallel zu, aber exzentrisch mit dem
Gehäuse 40 ist.
In diesem Beispiel werden entsprechende Anpassungen an der Abdeckungsanordnung 100, der
Rotoranordnung 80 und der Statoranordnung 60 vorgenommen,
um der Exzentrizität
Rechnung zu tragen, während
das Wesentliche der Vorrichtung und Anordnung erhalten bleibt.
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Es
wird einzusehen sein, dass ein Fachmann innerhalb des Umfangs der
Ansprüche
Abwandlungen an der hierin gezeigten Ausführungsform vornehmen kann.
Die Erfindung wurde unter spezieller Bezugnahme auf die bevorzugten
Ausführungsformen
und Abwandlungen daran beschrieben. Beim Lesen und Verstehen der
Beschreibung können
anderen Personen Abwandlungen und Änderungen einfallen. Alle derartigen
Abwandlungen und Änderungen
sollen umfasst sein, sofern sie innerhalb des Umfangs der Ansprüche liegen.