CH697114A5

CH697114A5 - Elektromotor, insbesondere Glockenankermotor.

Info

Publication number: CH697114A5
Application number: CH01439/05A
Authority: CH
Inventors: Ulrich Kehr; Reiner Bessey
Original assignee: Fritz Faulhaber Gmbh & Co Kg D
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2008-04-30
Also published as: JP2006149193A; CA2527379A1; GB2420453A; US20060108886A1; GB0518768D0

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen Glockenankermotor, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Es sind Elektromotoren in Form von Glockenankermotoren bekannt, die einen Rotor aufweisen, der nicht auf einen Eisenkern gewickelt ist, sondern aus einer frei tragenden Kupferspule besteht. Eine Eigenheit dieser Bauweise eines Elektromotors ist, dass er nahezu kein Rastmoment hat. Für viele Anwendungen ist dies ein Vorteil, da die Regeleigenschaften eines solchen Motors insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich hervorragend sind. Ausserdem hat ein solcher Motor eine geringe Induktivität, was die bei der Kommutierung entstehenden Spannungsspitzen niedrig hält. Im stromlosen Zustand lässt sich der Rotor mit geringem Drehmoment durchdrehen, d.h. er besitzt nahezu kein Haltemoment.

Für viele Stellantriebe, die nicht mit einem selbsthemmenden Getriebe kombiniert sind, ist dies nachteilig, da häufig gewünscht wird, dass der Stellantrieb auch im stromlosen Zustand seine Position halten kann.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemässen Elektromotor so auszubilden, dass ein Antrieb auch im stromlosen Zustand seine Position halten kann.

[0004] Diese Aufgabe wird beim gattungsgemässen Elektromotor erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

[0005] Beim erfindungsgemässen Elektromotor liegt das Bremselement wenigstens teilweise im Magnetfeld des Permanentmagneten. Dadurch wird in konstruktiv sehr einfacher Weise im stromlosen Zustand ein Haltemoment erzeugt.

Der Elektromotor kann darum hervorragend für solche Antriebe, vorzugsweise Stellantriebe, eingesetzt werden, die nicht mit einem selbsthemmenden Getriebe kombiniert sind. Durch das Haltemoment wird der Rotor in einer positionierten Lage gehalten.

[0006] Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

[0007] Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen
<tb>Fig. 1<sep>im Axialschnitt einen erfindungsgemässen Elektromotor in Glockenankerform,

<tb>Fig. 2<sep>einen Axialschnitt durch das Magnetsystem des erfindungsgemässen Elektromotors gemäss Fig. 1,

<tb>Fig. 3<sep>einen Radialschnitt durch das Magnetsystem des erfindungsgemässen Elektromotors,

<tb>Fig. 4<sep>einen Axialschnitt durch einen Rotor des erfindungsgemässen Elektromotors,

<tb>Fig. 5 bis Fig. 7<sep>jeweils in Draufsicht verschiedene Ausführungsformen von Bremsscheiben des erfindungsgemässen Elektromotors,

<tb>Fig. 8 <sep>im Axialschnitt einen erfindungsgemässen Elektromotor als bürstenlosen Motor,

<tb>Fig. 9<sep>im Axialschnitt einen erfindungsgemässen, als Scheibenläufermotor ausgebildeten Elektromotor,

<tb>Fig. 10<sep>im Axialschnitt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Elektromotors in Glockenankerform,

<tb>Fig. 11 und 12<sep>jeweils in perspektivischer Darstellung zwei Ausführungsformen von Bremselementen des erfindungsgemässen Elektromotors,

<tb>Fig. 13<sep>Einzelelemente zur Herstellung eines Bremselementes.

[0008] Der Elektromotor gemäss den Fig. 1 bis 7 ist als Glockenankermotor üblicher Bauart ausgebildet und hat ein Gehäuse 1, in dessen Boden 2 eine Rotorwelle 3 drehbar gelagert ist. Innerhalb des Gehäuses 1 ist die Rotorwelle 3 durch ein weiteres Lager 4 drehbar gelagert. Auf dem innerhalb des Gehäuses 1 befindlichen Ende der Rotorwelle 3 sitzt ein aus elektrisch isolierendem Material bestehender Rotorkörper 5 mit einem zentralen axialen Vorsprung 6, auf dem sich Kollektorlamellen 7 in Form von Kupfer- oder Edelmetallamellen befinden. An den Kollektorlamellen 7 liegen in bekannter Weise Bürsten 8 an, die in einem aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Gehäusedeckel 9 gehalten sind.

Er wird in das vom Gehäuseboden 2 abgewandte Ende des Gehäuses 1 eingesetzt und fest mit ihm verbunden.

[0009] An der Innenwand des Gehäusemantels 10 ist eine Spule 11 angeordnet, die sich über den grössten Teil der Länge des Gehäusemantels 10 erstreckt und an ihrem vom Gehäuseboden 2 abgewandten Ende am Rotorkörper 5 befestigt ist.

[0010] Die Spule 11 umgibt unter Bildung eines Ringspaltes 12 einen ringförmigen Permanentmagneten 13, der Teil eines Magnetsystems 14 ist. Der Permanentmagnet 13 ist kürzer als die ihn umgebende Spule 11, die ihn an beiden Enden überragt.

Anstelle des einen Ringmagneten 13 können auch mehrere aneinanderliegende Ringmagnete vorgesehen sein.

[0011] Die Rotorwelle 3 wird mit Radialspiel von einer Ringwand 15 umgeben, die einstückig mit dem Gehäuseboden 2 ausgebildet ist und die an dem innerhalb des Gehäuses 1 liegenden Ende das Lager 4 für die Rotorwelle 3 trägt. Der Permanentmagnet 13 ist auf der Ringwand 15 befestigt.

[0012] Im Bereich zwischen dem ringförmigen Permanentmagneten 13 und dem Rotorkörper 5 sitzt drehfest auf der Rotorwelle 3 ein Bremselement 16, das aus ferromagnetischem Material besteht. Es ist als flache Scheibe ausgebildet, die unterschiedlichste Umrissformen haben kann, wie anhand der Fig. 5 bis 7 noch erläutert werden wird.

[0013] Fig. 2 zeigt den magnetischen Feldverlauf im Magnetsystem 14 des Elektromotors. Zwischen dem Magneten 13 und dem Gehäuse 1 bildet sich ein Magnetfeld 17 aus.

Die Magnetfeldlinien 18, die an der dem Bremselement 16 zugewandten Stirnseite des Permanentmagneten 13 austreten (Fig. 2), wirken mit dem Bremselement 16 zusammen, das in diesen Bereich der Magnetfeldlinien 18 ragt.

[0014] Wie sich aus Fig. 3 ergibt, ist der Gehäusemantel 10 zylindrisch ausgebildet. Der Permanentmagnet 13 ist so angeordnet, dass sein Nordpol in der einen Ringhälfte und sein Südpol in der anderen Ringhälfte liegt (Fig. 3). Dementsprechend verlaufen die Magnetfeldlinien 17 vom Nordpol radial zum Gehäusemantel 7 und von dort radial zurück zum Südpol des Permanentmagneten 13.

[0015] Fig. 4 zeigt die Rotorwelle 3, auf der das Bremselement 16 sitzt, das bis nahe an die zylindrische Spule 11 reicht, die die Rotorwelle 3 mit Abstand umgibt.

[0016] Das Bremselement 16 ist vorteilhaft scheibenförmig ausgebildet, so dass es nur wenig Einbauraum in Anspruch nimmt.

Selbstverständlich kann das Bremselement 16 auch eine von einer Scheibenform abweichende Formgestaltung haben. Das Bremselement 16 sitzt so auf der Rotorwelle 3, dass es im Magnetfeld 18 des statorseitigen Permanentmagneten 13 liegt.

[0017] Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 5 ist das Bremselement 16 zweiflügelig ausgebildet. Es hat zwei einander gegenüberliegende Flügel 19, 20, die von einem auf der Rotorwelle 3 sitzenden Mittelteil 21 radial abstehen. Die Flügel 19, 20 verbreitern sich vom Mittelteil 21 aus in Richtung auf ihre freien Enden. Beide Flügel 19, 20 sind vorteilhaft gleich ausgebildet. Aufgrund der zweiflügeligen Gestaltung des Bremselementes 16 ergeben sich beim Drehen der Rotorwelle 3 beim dargestellten zweipoligen Magneten 13 zwei Raststellungen pro Rotorwellenumdrehung.

Die Rotorwelle 3 kann somit im stromlosen Zustand des Elektromotors in zwei definierten Stellungen sicher gehalten werden.

[0018] Das Bremselement 16 gemäss Fig. 6 hat vier vom kreisförmigen Mittelteil 21 abstehende Flügel 19, 20. Sie sind in Winkelabständen von 90 deg. am Umfang des Mittelteiles 21 angeordnet und erstrecken sich radial nach aussen. Die Flügel 19, 20 verbreitern sich in Richtung auf ihre freien Enden stetig. Die Flügel 19, 20 sind wiederum so ausgebildet, dass sie bei eingebautem Bremselement 16 in den Bereich des Magnetfeldes 18 des statorseitigen Permanentmagneten 13 ragen. Die Flügel 19, 20 sind wiederum vorteilhaft gleich ausgebildet und liegen in einer gemeinsamen Ebene. Aufgrund der vier Flügel 19, 20 ergeben sich bei dem zweipoligen Permanentmagneten 13 pro Rotorumdrehung vier Raststellungen.

Die Rotorwelle 3 kann somit bei ausgeschaltetem Elektromotor in vier Positionen genau gehalten werden.

[0019] Das Bremselement 16 gemäss Fig. 7 ist als Ringscheibe ausgebildet, die eine zentrale Öffnung 22 zum Aufstecken auf die Rotorwelle 3 aufweist. Der Aussendurchmesser des Bremselementes 16 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Spule 11. Das Haltemoment wird bei dieser Ausführungsform durch die Ummagnetisierungsverluste erzeugt.

[0020] Die Ringscheibe 16 kann aber auch aus hartmagnetischem, magnetisiertem Material bestehen. In diesem Fall wird das Haltemoment wie bei der vorigen Ausführungsform durch Rastung erzeugt.

[0021] Die dargestellten Ausführungsformen des Bremselementes 16 sind lediglich Beispiele.

Das Bremselement 16 kann als gefächerte Scheibe ausgebildet sein, die nicht nur zwei oder vier, sondern auch nur einen, drei oder mehr als vier Flügel aufweisen kann, so dass die Rotorwelle 3 in entsprechenden Positionen gehalten werden kann, wenn der Elektromotor stromlos ist.

[0022] Das Bremselement 16 wird vorteilhaft aus einem magnetisch halbharten Material mit hoher Remanenzinduktion und niedriger Koerzitivfeldstärke hergestellt.

Die Remanenzinduktion kann beispielsweise im Bereich zwischen etwa 0,5 und etwa 1,5 T und die Koerzitivfeldstärke beispielsweise im Bereich von etwa 2 bis etwa 66 kA/m liegen.

[0023] Das Bremselement 16 kann auch aus einem magnetisch harten, magnetisierten Material bestehen.

[0024] Das Bremselement 16 kann schliesslich auch aus einem magnetisch weichen Werkstoff, vorzugsweise Trafoblech, bestehen.

[0025] Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ist das Bremselement 16 ein auf einer Rotorwicklung angebrachter Ring, der vorteilhaft in seiner Abwicklung mindestens einen Zahn erhält. Je nach Zahl der Zähne dieses Ringes ergeben sich bei einer Rotorumdrehung entsprechende Haltepositionen bei stromlosem Elektromagneten.

[0026] Der Elektromotor ist anhand eines Glockenankermotors beschrieben worden.

Das Bremselement 16 kann aber auch bei anderen Arten von Elektromotoren, so bei bürstenlosen Elektromotoren und Scheibenläufermotoren, eingesetzt werden.

[0027] Fig. 8 zeigt im Axialschnitt und in vereinfachter Darstellung einen bürstenlosen Elektromotor mit der Rotorwelle 3, die das Gehäuse 1 axial durchsetzt und im Gehäuseboden 2 sowie im Gehäusedeckel 9 mit jeweils einem Lager 4 drehbar gelagert ist. An der Innenwand des Gehäusemantels 10 ist die Spule 11 befestigt, die sich zwischen dem Gehäuseboden 2 und dem Gehäusedeckel 9 erstreckt. Die Spule 11 umgibt mit Abstand den Permanentmagneten 13, der drehfest auf der Rotorwelle 3 sitzt.

[0028] An der Innenseite des Gehäusedeckels 9 sitzt das die Rotorwelle 3 umgebende Bremselement 16, das als flache Scheibe ausgebildet ist und eine Ausbildung entsprechend den Fig. 5 bis 7 haben kann.

Das Bremselement 16 wirkt mit dem axial wirkenden Magnetfeld 18 (Fig. 2) des Permanentmagneten 13 in der beschriebenen Weise zusammen. Mit dem Bremselement 16 ist es möglich, die Rotorwelle 3 bei ausgeschaltetem Elektromotor in definierten Positionen zu halten.

[0029] Das Bremselement 16 kann auch so ausgebildet sein, wie anhand von Fig. 10 noch beschrieben werden wird, dass es mit dem diametral wirkenden Magnetfeld 17 (Fig. 2 und 3) zusammenwirkt.

[0030] Der Elektromotor gemäss Fig. 9 ist als Scheibenläufermotor ausgebildet und hat die Rotorwelle 3, die das Gehäuse 1 axial durchsetzt. Im Gehäuseboden 2 und im Gehäusedeckel 9 ist die Rotorwelle 3 mit jeweils einem Lager 4 drehbar abgestützt. Auf der Innenseite des Gehäusebodens 2 sitzt der Permanentmagnet 13, der als Ringscheibe ausgebildet ist und die Rotorwelle 3 mit Abstand umgibt.

Dem Permanentmagneten 13 liegt mit axialem Abstand die Spule 11 gegenüber, die scheibenförmig ausgebildet und drehfest mit der Rotorwelle 3 verbunden ist. Auf der vom Permanentmagneten 3 abgewandten Seite der Spule 11 befindet sich das Bremselement 16, das ebenfalls drehfest mit der Rotorwelle 3 verbunden ist. Die Spule 11 und das Bremselement 16 sitzen auf dem Kollektor 7, der auf der Rotorwelle 3 vorgesehen ist.

[0031] Mit dem Bremselement 16, das entsprechend den Fig. 5 bis 7 ausgebildet sein kann, kann in der beschriebenen Weise bei stromlosem Elektromotor die Rotorwelle 3 je nach Ausbildung des Bremselementes 16 in entsprechenden Positionen genau gehalten werden.

[0032] Der Elektromotor gemäss Fig. 10 unterscheidet sich vom Elektromotor gemäss Fig. 1 lediglich durch die Ausbildung des Bremselementes 16.

Es ist nicht als Scheibe, sondern als Ring ausgebildet, der an der Innenwand der Spule 11 anliegt. Das Bremselement 16 ist am Isolierkörper 5 befestigt und ragt in eine stirnseitige Vertiefung 23 des Permanentmagneten 13.

[0033] Das ringförmige Bremselement 16 liegt im diametral wirkenden Magnetfeld 17 (Fig. 2 und 3) des Permanentmagneten 13. Auf die beschriebene Weise kann die Rotorwelle 3 bei ausgeschaltetem Elektromotor in einer jeweiligen Position genau gehalten werden.

[0034] Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform eines ringförmigen Bremselementes 16. Es hat einen kreisförmigen Ringkörper 24, von dem axial Zungen 25 abstehen. Sie sind über den Umfang des Ringkörpers 24 gleichmässig verteilt angeordnet. Im Ausführungsbeispiel hat das Bremselement 16 vier solcher Zungen 25, die jeweils einen Winkelabstand von 90 deg. voneinander haben.

Die Rotorwelle 3 kann somit in definierten Positionen bei ausgeschaltetem Elektromotor gehalten werden.

[0035] Vom Ringkörper 24 können auch weniger als vier oder mehr als vier Zungen 25 abstehen, so dass die Rotorwelle 3 in den entsprechenden Positionen gehalten werden kann.

[0036] Das Bremselement 16 gemäss Fig. 11 wird vorteilhaft aus einem magnetisch halbharten Material oder auch aus einem magnetisch weichen Material hergestellt.

[0037] Das Bremselement 16 gemäss Fig. 12 ist als Ring ausgebildet, der aus einem magnetisch harten, magnetisierten Material besteht. Das Haltemoment wird bei einem solchen ringförmigen Bremselement 16 durch Rastung erzeugt.

Besteht das Bremselement 16 hingegen aus nicht magnetisch hartem, magnetisiertem Material, dann wird das Haltemoment durch Ummagnetisierungsverluste erzeugt.

[0038] Fig. 13 schliesslich zeigt die Möglichkeit, das Bremselement 16 aus diskreten Teilen 16a, 16b herzustellen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Bremselementteile 16a, 16b aus zwei vorteilhaft gleich grossen Scheiben, die um einen gedachten Mittelpunkt 26 angeordnet sind. Die beiden Teile 16a, 16b können beispielsweise anstelle des scheibenförmigen Bremselementes 16 gemäss Fig. 1 an der Unterseite des Isolierkörpers 5 befestigt, beispielsweise angeklebt, sein. Der Mittelpunkt 26 ist in diesem Falle die Drehachse der Rotorwelle 3.

[0039] Auch bei den Ausführungsformen gemäss den Fig. 8 und 9 kann das scheibenförmige Bremselement 16 durch die diskreten Bremselementteile 16a, 16b ersetzt sein.

Beim Elektromotor nach Fig. 8 werden diese Bremselementteile 16a, 16b am Gehäuseboden 9 (Rückschlussteil) und beim Elektromotor gemäss Fig. 9 auf der scheibenförmigen Spule 11 so befestigt, dass der gedachte Mittelpunkt 26 die Achse der Rotorwelle 3 bildet.

Claims

1. Elektromotor, insbesondere Glockenankermotor, mit einem Rotor und einem Magnetsystem, das wenigstens einen Permanentmagneten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor mindestens ein aus ferromagnetischem Material bestehendes Bremselement (16) aufweist, das wenigstens teilweise im Magnetfeld (18) des Permanentmagneten (13) liegt.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (16) mit dem Rotor (3) drehfest verbunden ist.

3. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (16) gehäusefest angeordnet ist.

4. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld (18) zwischen dem Permanentmagneten (13) und einer Wandung (10) eines Gehäuses (1) des Elektromotors ausgebildet ist.

5. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (13) ringförmig ausgebildet ist und eine Rotorwelle (3) mit Abstand umgibt.

6. Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (13) auf einer Zylinderwand (15) befestigt ist, die die Rotorwelle (3) umgibt.

7. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (3) in der Zylinderwand (15) durch mindestens ein Lager (4) drehbar abgestützt ist.

8. Elektromotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (16) ausserhalb der Zylinderwand (15) drehfest auf der Rotorwelle (3) sitzt.

9. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (13) unter Bildung eines Luftspaltes (12) von wenigstens einer Spule (11) umgeben ist.

10. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (13) wenigstens einer Spule (11) gegenüberliegt.

11. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (16) scheibenförmig ausgebildet ist.

12. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (16) als gefächerte Scheibe ausgebildet ist.

13. Elektromotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gefächerte Scheibe (16) wenigstens einen Flügel (19, 20) aufweist.

14. Elektromotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (19, 20) einen Winkelabstand von 180 deg. voneinander haben.

15. Elektromotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (19, 20) einen Winkelabstand von 90 deg. voneinander haben.

16. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (16) als Ring ausgebildet ist.

17. Elektromotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (16) wenigstens eine axial von einem Ringkörper (24) abstehende Zunge (25) aufweist.

18. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (16) aus Trafoblech gefertigt ist.

19. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (16) aus einem Material mit einer Remanenzinduktion zwischen 0.5 und 1.5 T besteht.

20. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (16) aus einem Material mit einer Koerzitivfeldstärke zwischen 2 und 66 kA/m besteht.

21. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (16) ein auf einer Rotorwicklung sitzender Ring ist.

22. Elektromotor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring in seiner Abwicklung wenigstens einen Zahn aufweist.

23. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (16) aus mehreren Teilen (16a, 16b) besteht.