DE112006002546B4

DE112006002546B4 - Elektromotor mit asymmetrischen Polen

Info

Publication number: DE112006002546B4
Application number: DE112006002546.5T
Authority: DE
Inventors: Robert J. Telep; Robert D. Keefover
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: DE112006002546T5; US8084913B2; KR101228013B1; US20070080599A1; CN101278465B; WO2007044155A1; JP2009512408A; KR20080051141A; CN101278465A

Abstract

Elektromotor (100), umfassend: einen Stator (102) mit mindestens zwei magnetischen Statorpolen (110, 112); einen drehbar in dem Stator (102) angeordneten Rotor (104), wobei der Rotor (104) mindestens zwei magnetische Rotorpole (106) aufweist; einen Luftspalt (114) zwischen den jeweils mindestens zwei Rotorpolen (106) und den mindestens zwei Statorpolen (110, 112); wobei die den mindestens zwei Rotorpolen (106) gegenüberliegende Fläche von jedem der mindestens zwei Statorpole (110, 112) jeweils eine andere ist; wobei der Abstand des Luftspalts (114) zwischen jedem der jeweils zwei Statorpole (110, 112) und den mindestens zwei Rotorpolen (106) verschieden ist; und eine Spule (118), umgebend einen Statorpol oder einen Rotorpol ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus den mindestens zwei Statorpolen (110, 112) oder den mindestens zwei Rotorpolen (106).

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft bürstenlose Gleichstrommotoren mit modifizierten Statorpolen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektromotoren werden in zahlreichen Anwendungen verwendet, einschließlich unter anderem Anwendungen, bei denen die gewünschte Aktion darin besteht, Komponenten als Reaktion auf ein Befehlssignal zu positionieren. Die Einrichtungen für diese Anwendungen werden als elektrische Aktuatoren klassifiziert, die eine gewisse Form von mechanischem Vorteil wie etwa eine Untersetzung enthalten können, um das Motormoment zu vervielfachen. Außerdem wird oftmals eine Rückholfeder verwendet, um den Aktuator in eine Ausgangsposition zu positionieren, wenn kein Strom angelegt ist. Diese Aktuatoren verwenden in der Regel einen Gleichstrommotor mit Permanentmagneten entweder an dem sich drehenden oder an dem stationären Glied, um ein Magnetfeld bereitzustellen, auf das die stromführenden Wicklungen des Motors reagieren können, um ein Nutzmoment und eine Nutzbewegung zu erzeugen.
Motoren besitzen mehrere Charakteristiken, die ihren Betrieb beeinflussen. Eine erste Charakteristik ist die Menge an Leitermaterial (üblicherweise Kupfer), das physisch für eine gegebene Motorgröße verwendet werden kann. Ein Motor wird in der Regel mehrere Gebiete von Leitermaterialien aufweisen, die um einen Stator gewickelt sind. Im allgemeinen sinkt mit zunehmender Wicklungsmasse der elektrische Erwärmungsverlust, und der Motor kann ein größeres Moment abgeben. Der zweite Faktor beim Definieren des Motorbetriebs ist das unbestromte oder Rastmoment. Dies ist die Menge an Moment, die erforderlich ist, um den Motor ohne Strom zu drehen. Dieses Moment wird durch die Wechselwirkung zwischen der Magnetkraft der individuellen Magnetpole des Rotors mit den Magnetpolen des Stators als Funktion der Winkelposition verursacht. Ein niedriges Rastmoment wird das zum Drehen des Motors erforderliche elektromagnetische Motormoment auf ein Minimum reduzieren. Bei Anwendung in der Praxis könnte dies das Reduzieren eines Rückholfedermoments gestatten, was das Nutzmoment erhöhen und die Motorerwärmung minimieren würde.
1 ist eine Querschnittsdraufsicht auf einen Motor 10 wie im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der WO 2003/009453 A1 . Der Motor 10 besitzt einen Stator 12, der den Abschnitt des Motors 10 enthält, der betätigt wird. Innerhalb des Stators 12 befindet sich ein beweglicher Rotor 14, der sich innerhalb des Stators 12 dreht. Der Rotor 14 weist entlang seinem Außenumfang beabstandete Pole 16 auf. Der Stator 12 fungiert dahingehend, mit den Polen 16 an dem Rotor 14 zu interagieren. Wie in 1 gezeigt, gibt es drei Spulenmittelpole 20 mit abwechselnden Außenwicklungspolen 22. Ein Luftspalt 26 befindet sich zwischen jedem Spulenmittelpol 20 und den Polen 16 des Rotors 14 und jedem Außenwicklungspol 22 und den Polen 16 des Rotors 14. Die Spulenmittelpole 20 sind konfiguriert, einen Spulenkörper 21 aufzunehmen mit einer um den Spulenkörper 21 gewickelten elektromagnetischen Spule 23. Der Spulenkörper 21 ist konfiguriert, über jeden Spulenmittelpol 20 zu gleiten und diesen zu umgeben. Jeder Außenwicklungspol besitzt einen Zahn 24, der dahingehend fungiert, die von den Spulmittelpolen 20 erzeugten Magnetkräfte auszugleichen. Das Problem bei diesem Design besteht darin, daß der Zahn 24 die Breite des Spulenkörpers 21 und der elektromagnetischen Spule 23, die um die Spulenmittelpole 20 platziert werden können, blockiert. Es ist deshalb wünschenswert, ein Motordesign zu haben, das die Verwendung eines breiteren Spulenkörpers 21 und Spule 23 gestattet.
Ein Mehrphasenmotor, insbesondere zum Antrieb eines Zeigers einer Anzeige, ist in DE 698 11 205 T2 beschrieben. Der Dreiphasenwechselstrommotor weist eine Anzahl von neun aktiven Zähnen auf sowie eine W-Form des Statorkreises.
Ein elektrischer Schrittmotor ist in DE 34 20 034 A1 beschrieben. Der Schrittmotor weist einen drehbar gelagerten Rotor auf, der mit permanentmagnetischen Polen abwechselnder Polarität ausgebildet ist, die mit gleichmäßigem, gegenseitigem Abstand verteilt am Mantel des Rotors angeordnet sind. Der Stator besteht aus einer mit Stromimpulsen ansteuerbaren Spule, einem Kern und zwei Polstücken, wobei die freien Enden der Polstücke zu den Polen des Rotors gerichtet sind. Zusätzlich ist ein mit einem gegenüber einem Polstück in Umfangsrichtung des Rotors versetzt angeordneter Hilfspol vorhanden. Der Hilfspol besteht aus einem mit einer Hilfspolspule umschlossenen Eisenkern und einem zum Rotor gerichteten Polschuh und ist mit Stromimpulsen ansteuerbar, die in ihrem Takt den Stromimpulsen der Spule des Stators entsprechen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die obige Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromotor gemäß einem der unabhängigen Patentansprüche 1, 4 und 8.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor, der einen Stator mit einem drehbar in dem Stator positionierten magnetisierten Rotor aufweist. Der Stator und der Rotor weisen jeweils mindestens zwei Magnetpole auf. Mindestens einer der Statorpole besitzt eine andere Breite und Fläche gegenüber den Polen des Rotors als die anderen Statorpole. Ein Luftspalt ist zwischen jedem der mindestens zwei Statorpole und mindestens zwei Rotorpole positioniert. Der Abstand des Luftspalts zwischen jedem Statorpol und jedem Rotorpol ist verschieden. Eine Spule ist auf einen Spulenkörper gewickelt, der um mindestens einen der Statorpole plaziert ist. Die gegenüberliegende Fläche der Statorpole abzuändern, gestattet das Plazieren eines breiteren Spulkörpers und einer breiteren Spule um den Statorpol herum.
Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehend bereitgestellten ausführlichen Beschreibung. Es versteht sich, daß die ausführliche Beschreibung und spezifischen Bespiele, wenngleich sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Veranschaulichungszwecken gedacht sind und nicht den Schutzbereich der Erfindung beschränken sollen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein eingehenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine Querschnittsdraufsicht auf einen elektromagnetischen Motor nach dem Stand der Technik;
2 eine Querschnittsdraufsicht auf einen elektromagnetischen Motor gemäß der Erfindung;
3 eine Vergrößerung des Spulenmittelpols und von Außenwicklungspolen des Stators gemäß der Erfindung wie in 2 gezeigt und
4 eine Seitendraufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und soll auf keinerlei Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Einsatz beschränken.
2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Motor 100 gezeigt ist. Der Motor 100 besitzt ein Motorgehäuse 101, das einen Motorstator 102 und einen drehbaren magnetisierten Rotor 104 enthält. Der magnetisierte Rotor 104 besitzt fünf Polpaare 106, die um die Außenoberfläche des magnetisierten Rotors 104 herum konfiguriert sind. Die Polpaare 106 sind auf abwechselnde Weise angeordnet, so daß sich ein Nordpol neben einem Südpol befindet. Es liegt jedoch innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, weniger oder eine größere Anzahl von Polpaaren und/oder eine andere Konfiguration der Nord- und Südpole zu haben. Außerdem ist es auch möglich, daß die Größe der Oberflächen jedes Pols unterschiedlich ist. Beispielsweise ist es möglich, daß der Südpol breiter ist als der Nordpol oder umgekehrt.
Der Stator 102 ist konfiguriert, mit den Polpaaren 106 des magnetisierten Rotors 104 zu interagieren, wenn sich der Rotor 104 dreht. Wie in 2 gezeigt, besitzt der Stator 102 drei Spulenmittelpole 110 mit sechs Außenwicklungspolen 112. Die Außenwicklungspole 112 und die Spulenmittelpole 110 sind auf abwechselnde Weise angeordnet. Die Spulenmittelpole 110 sind äquidistant um den Umfang des magnetisierten Rotors 104 herum angeordnet. Die Polpaare 106 sind direkt neben oder bei den Spulenmittelpolen 110 und den Außenwicklungspolen 112 positioniert. Zwischen den Polpaaren 106 des magnetisierten Rotors 104 und jedem individuellen Spulenmittelpol 110 und jedem individuellen Außenwicklungspol 112 befindet sich ein Luftspalt 114.
Einen Spulenkörper 116 mit einer um den Spulenkörper 116 herumgewickelten elektromagnetischen Spule 118 ist um jeden Spulenmittelpol 110 herumplaziert. Diese besondere Ausführungsform der Erfindung besitzt keinen Zahn 24 (in 1 gezeigt); deshalb kann die um den Spulenkörper 116 herumgewickelte elektromagnetische Spule 118 breiter sein, da zum Plazieren des Spulenkörpers 116 und der elektromagnetischen Spule 118 um den Spulenmittelpol 110 herum mehr Spielraum existiert.
Das Unterbringen einer breiteren elektromagnetischen Spule 118 wird ermöglicht durch Abändern der Konfiguration des Stators 102. 3 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht des Spulenmittelpols 110 und eines Außenwicklungspols 112. Es gibt einen Unterschied zwischen der Breite des Spulenmittelpols 110 und des Außenwicklungspols 112, was das Integrieren einer breiteren elektromagnetischen Spule gestattet, doch verstimmt der Unterschied bei der Breite zwischen den beiden Polen die Magnetkräfte der Außenwicklungspole 112 und des Spulenmittelpols 110.
Die verstimmten Magnetkräfte können gesteuert werden, indem der Luftspalt 114 an dem Spulenmittelpol 110 und der Luftspalt 114 an dem Außenwicklungspol 112 justiert wird. Bei dem Beispiel wie in 3 gezeigt, besitzt der Außenwicklungspol 112 eine geringere Breite als der Spulenmittelpol 110, weshalb der Luftspalt 114 zwischen den jeweiligen einzelnen Polen verschieden ist. Dies ändert auch die Magnetkräfte, und wenn es ordnungsgemäß geschieht, gleicht es auch die Magnetkraft für jeden jeweiligen Spulenmittelpol 110 und Außenwicklungspol 112 aus.
Eine weitere Konfiguration für das Steuern des Rastmoments des Rotors 104 wird bewerkstelligt durch Justieren der Oberfläche oder Anordnung der Polpaare 106. Somit ist es auch möglich, daß jeder individuelle Pol eine andere Oberfläche aufweist. Beispielsweise kann der Nordpol eine größere Oberfläche als der Südpol aufweisen, um das Rastmoment zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung liefert den Vorteil, daß die von dem Motorstator eingenommene Raummenge auf ein Minimum reduziert wird. Das Verwenden einer größeren elektromagnetischen Spule 118 erhöhte zusätzlich das Motormoment und/oder minimiert die Erwärmung und den Verschleiß des Motors, die bzw. der sich während des Motorbetriebs ergeben.
Unter Bezugnahme auf 4 wird eine alternative Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Ein Motor 200 ist so dargestellt, daß er einen Stator 202 mit einem drehbar innerhalb des Stators 202 angeordneten Rotor 204 aufweist. Der Rotor 204 besitzt an dem Rotor 204 drehbar angeordnete Magnetpolpaare 206. Der Stator 202 besitzt einen Spulenmittelpol 210 und einen Außenwicklungspol 212. Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Ausführungsform, eine kleinere oder größere Anzahl von Stator- oder Rotorpolen zu haben, als in 4 gezeigt ist. Ein Luftspalt 214 ist zwischen den Polpaaren 206 des Rotors 204 und den Polen 210, 212 des Stators 202 positioniert.
Die vorliegende Ausführungsform differiert von anderen Ausführungsformen dadurch, daß die Breite der Spulenmittelpole 210 und Außenwicklungspole 212 nicht breiter ist, sondern daß sie vielmehr von unterschiedlicher Höhe sind, so daß der Spulenmittelpol 210 höher ist als der Außenwicklungspol 212. Somit ist die Gesamthöhe des Statorpols 210 länger im Gegensatz zu breiter wie in den vorherigen Ausführungsformen dargestellt. Dies gestattet, die gleiche gegenüberliegende Fläche zwischen den Statorpolen 210, 212 und den Polen 206 des Rotors 204 zu erzielen, wie sie bei der vorausgegangenen Ausführungsform zu finden wäre. Die vorliegende Ausführungsform liefert jedoch den Vorteil, daß der Statorpol 210 länger wird im Gegensatz zu dicker, und dennoch gestattet, daß eine größere elektromagnetische Spule 218 um den Spulenmittelpol 210 gewickelt wird.
Die Beschreibung der Erfindung war für einen Motor mit einer gewickelten Spule auf dem Stator; es liegt jedoch auch innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, daß sie für einen Motor mit einer auf dem Rotor angeordneten Spule gilt. Solche Motoren verwenden ein Verfahren zum Anlegen eines elektrischen Antriebs an die rotormontierte Spule. Ein derartiges Verfahren wäre die Verwendung von Bürsten und eines Kommutators.

Claims

Elektromotor (100), umfassend: einen Stator (102) mit mindestens zwei magnetischen Statorpolen (110, 112); einen drehbar in dem Stator (102) angeordneten Rotor (104), wobei der Rotor (104) mindestens zwei magnetische Rotorpole (106) aufweist; einen Luftspalt (114) zwischen den jeweils mindestens zwei Rotorpolen (106) und den mindestens zwei Statorpolen (110, 112); wobei die den mindestens zwei Rotorpolen (106) gegenüberliegende Fläche von jedem der mindestens zwei Statorpole (110, 112) jeweils eine andere ist; wobei der Abstand des Luftspalts (114) zwischen jedem der jeweils zwei Statorpole (110, 112) und den mindestens zwei Rotorpolen (106) verschieden ist; und eine Spule (118), umgebend einen Statorpol oder einen Rotorpol ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus den mindestens zwei Statorpolen (110, 112) oder den mindestens zwei Rotorpolen (106).
Elektromotor (100) nach Anspruch 1, wobei die Breite der Spule (118) von der Breite des Statorpols (110, 112), den die Spule (118) umgibt, abhängt.
Elektromotor (100) nach Anspruch 1, wobei die jeweils mindestens zwei Rotorpole (106) mindestens einen Nordpol und mindestens einen Südpol aufweisen, wobei eine Rotoroberfläche des mindestens einen Nordpols von der Rotoroberfläche des mindestens einen Südpols verschieden ist.
Elektromotor (100; 200), umfassend: ein Gehäuse (101); einen in dem Gehäuse (101) drehbar angeordneten magnetisierten Rotor (104; 204), wobei der Rotor (104; 204) mindestens ein Paar gegenüberliegender Pole (106; 206) aufweist; einen in dem Gehäuse (101) ausgebildeten Stator (102; 202) mit mindestens einem Spulenmittelpol (110; 210) und mindestens zwei Außenwicklungspolen (112; 212); eine auf einen Spulenkörper (116) aufgewickelte Spule (118; 218), wobei die Spule (118; 218) und der Spulenkörper (116) die mindestens eine Spulenmitte umgeben; und einen Luftspalt (114; 214) zwischen jedem Spulenmittelpol (110; 210) und dem magnetisierten Rotor (104; 204) und jedem Außenwicklungspol (112; 212) und dem magnetisierten Rotor (104; 204), wobei die Größe des Luftspalts (114; 214) von der Differenz der Fläche zwischen Spulenmittelpol (110; 210) und einem Außenwicklungspol (112; 212) abhängt.
Elektromotor (100; 200) nach Anspruch 4, wobei die Breite jedes mindestens einen Spulenmittelpols (110) größer ist als die Breite von einem der jeweils mindestens zwei Außenwicklungspolen (112).
Elektromotor (100; 200) nach Anspruch 4, wobei alle Polpaare (106; 206) einen Nordpol und einen Südpol aufweisen, wobei eine Rotoroberfläche des Nordpols von der Rotoroberfläche des Südpols verschieden ist.
Elektromotor (100; 200) nach Anspruch 4, wobei die Größe des Luftspalts (114; 214) von der Fläche des mindestens einen Spulenmittelpols (110; 210) und der Fläche der mindestens zwei Außenwicklungspole (112; 212) abhängt.
Elektromotor (100; 200), umfassend: einen Motorstator (102; 202); einen in dem Motorstator (102; 202) drehbar angeordneten magnetisierten Rotor (104; 204), wobei der Rotor (104; 204) mindestens ein Paar gegenüberliegender Pole (106; 206) aufweist; und der Motorstator (102; 202) drei Spulenmittelpole (110; 210) und sechs Außenwicklungspole (112; 212) umfasst, wobei die Spulenmittelpole (110; 210) um den Umfang des Rotors (104; 204) herum positioniert sind und der Abstand zwischen jedem Spulenmittelpol (110; 210) um den Umfang des Rotors (104; 204) herum gleich ist, während jeweils zwei der Außenwicklungspole (112; 212) in dem Motorstator (102; 202) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spulenmittelpolen (110; 210) ausgebildet sind, wobei die Breite jedes Spulenmittelpols (110; 210) größer ist als die Breite von jedem der Außenwicklungspole (112; 212); und einen Luftspalt (114; 214) zwischen jedem Spulenmittelpol (110; 210) und dem magnetisierten Rotor (104; 204) und jedem Außenwicklungspol (112; 212) und dem magnetisiertem Rotor (104; 204).
Elektromotor (100; 200) nach Anspruch 8, wobei die Breite einer auf einen Spulenkörper (116) gewickelten Spule (118; 218) von der Breite des zugeordneten Außenwicklungspols (112; 212) abhängt.
Elektromotor (100; 200) nach Anspruch 8, wobei der magnetisierte Rotor (104; 204) um den Rotor (104; 204) auf abwechselnde Weise herum angeordnete fünf Polpaare (106; 206) aufweist.
Elektromotor (100; 200) nach Anspruch 10, wobei alle Polpaare (106; 206) einen Nordpol und einen Südpol mit gleichen Oberflächen aufweisen.
Elektromotor (100; 200) nach Anspruch 10, wobei alle Polpaare (106; 206) einen Nordpol und einen Südpol aufweisen, wobei eine Rotoroberfläche des Nordpols von der Rotoroberfläche des Südpols verschieden ist.