DE3434965A1

DE3434965A1 - Gekapselter kleinstmotor

Info

Publication number: DE3434965A1
Application number: DE19843434965
Authority: DE
Inventors: Fritz 7746 Hornberg Schmider
Original assignee: Papst Motoren & Co Kg 7742 St Georgen GmbH; Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1983-09-22
Filing date: 1984-09-22
Publication date: 1985-04-04
Also published as: US4755699A

Description

Papst-Motoren GmbH & Co K6~V ~ - :" :: " . -„.J5C-.316 7742 St. Geor-gen/Schwarzw.-" ' : - ; : 21V09.1984

Gekapselter Kleinstmotor

Die Erfindung betrifft einen gekapselten Kleinstmotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für Handdiktiergeräte.

Bisher wurden in diesen Geräten Kleinstmotoren mit Bürsten verwendet, welche wegen der extremen, absolut erforderlichen Kompaktheit durch die mechanische Kommutierung eine reduzierte Lebensdauer aufweisen. An die Hochlaufzeit des Antriebs bei solchen Geräten werden strenge Forderungen gestellt, das bedeutet, daß ein relativ leistungsstarker Motor mit möglichst kleiner Trägheit zur Anwendung kommen muß.

Es ist bekannt, kollektorlose Gleichstrommotoren einzusetzen, wo eine erhöhte Lebensdauer gebraucht wird. Diese Motoren, insbesondere als Antrieb in signalverarbeitenden Geräten, wurden meistens als Außenläufermotoren ausgeführt, deren relativ hohe Trägheit die Forderung nach einer möglichst kurzen Hochlaufzeit nicht erfüllen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen axial und radial sehr kompakten Antriebsmotor für sehr kleine Diktiergeräte zu schaffen, der nicht nur eine wesentlich erhöhte Lebensdauer bei genügend kurzer Hochlaufzeit, sondern vor allem eine wirtschaftlich vorteilhafte Fertigung ermöglicht und das in Diktiergeräten nötige kleine Streufeld aufweist.

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Die Lösung der Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausfühxungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Motor in vergrößerter Darstellung,

Fig. 2 einen Stator, teilweise geschnitten, von unten gesehen,

Fig. 3 einen auf einer Leiterplatte montierten Stator im Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch ein Tragteil entlang der Linie IV-IV in Fig. 5,

Fig. 5 das Tragteil für die Polschuhe in Seitenansicht, Fig. 6 einen Polschuh in Draufsicht, Fig. 7 einen Polschuh in Vorderansicht,

Fig. 8 einen Halbschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Motors gemäß der Erfindung und

Fig. 9 ein vereinfachtes Schaltbild für die Kommutierung der Ströme in einem erfindungsgemäßen Motor.

Gleiche oder gleichwirkende Teile werden nachfolgend mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben.

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In Fig. 1 ist ein kollektorloser Innenläuferkleinstmotor dargestellt, der einen außenliegenden Stator 7 mit radial nach innen zum Luftspalt 8, der vorzugsweise zylindrisch ausgebildet ist, gerichteten 3-T-Ankern 15 aufweist, die als ausgeprägte Pole bewickelt sind, innerhalb welcher ein zweipoliger, permanentmagnetischer, zylindrischer Rotor rotiert. Der Rotor 10 besteht aus einem zylindrischen Bariumferritmagneten, der unmittelbar auf einer Welle 11 befestigt ist. Die Welle 11 ist in Lagern 2, 5 in stirnseitigen Gehäuseschildern eines Gehäuses 6 gelagert. Der Rotor 10 steuert vor allem an einem axialen Ende über seine radiale Außenkante 12 drei Hallgeneratoren 13, welche Kommutierungssignale zur Steuerung der Erregung der drei Statorspulen 14 liefern.

Eine Weiterbildung sieht vor, die ausgeprägten Polköpfe dadurch zu realisieren, daß separate Polschuhbleche 9 (Fig. 6 und 7), welche axial den Statorwicklungskern 16 weit überragen, vorgesehen sind und welche in Umfangsrichtung kammartig geschlitzte Endteile 17 an beiden Polenden haben. Der am Luftspalt 8 gegenüberliegende Innenrotor 10 überragt axial mit den Außenkanten seines Zylinders diese magnetischen Polbleche 9 noch ein Stück weit, wo seine Außenkante 12 möglichst axial nahe an die Hallgeneratoren 13 heranreichen soll, sondern auch auf der gegenüberliegenden Seite am anderen axialen Ende 18. Die drei Polbleche 9 sind kammartig mit Schlitzen 19 versehen, die parallel zur Drehrichtung in radialen Ebenen, d. h. senkrecht zur Rotationsachse verlaufen .

Diese drei Polbleche 9 sind gemäß Fig. 4 und 5 über ein Kunststofftragteil 20, das auch wie ein 3T-förmiger Stern ausgebildet ist, gehaltert. Der Kunststoff umgreift formschlüssig die drei Bleche 9 und bildet am Luftspalt. 8 eine

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geschlossene, feste Wand, die den Luftspalt 8 begrenzt. In diese Wand sind jedoch auf gleicher Höhe am Luftspalt 8 die Polbleche 9 eingelassen, d. h. ihre Eisenfläche ist direkt am Luftspalt 8.

Das Außengehäuse 6, vorzugsweise ein zylindrischer tiefgezogener Topf, mit einem offenen Ende nimmt den Stator 7 unter leichtem Spiel auf. Damit gelangen auch die Außenflächen 30 der Polbleche 9 mit Schiebesitz in den Bereich der nach innen ragenden Statorpole 15 des Statorkerns 16. Am Boden des Außengehäuses 6 liegt der Kunststofftragteil 20 für die Polbleche 9 auf. An einer ebenen Anschlagfläche 29 desselben liegt andererseits das Statorblechpaket 16, das gemäß Fig. 2 besonders gestaltet ist, auf. Dieses wiederum liegt gemäß Fig. 1 und 3 über drei Nietbolzen 21, die einen zylindrischen Fortsatz 22 haben, und über einen weiteren Nietkopf jeweils eine Leiterplatte 23 tragen, auf demselben auf. Nach Einsetzen des Kunststofftragteils 20 und des Stators 7 werden mittels einer Sicke 24 im Außengehäuse 6, die radial an der Statorblechpaketkante 25, die zur offenen Seite des Außengehäuses 6 hin liegt, diese beiden Teile (20 und 7) befestigt. Im Boden des Außengehäuses 6 ist das Radiallager 2 befestigt, vorteilhafterweise als Sintergleitlager ausgebildet, durch das die Welle ragt und daß in einer Vertiefung des Gehäusebodens oder auf einem dort aufgesetzten kappenartigen Teil 26 innen ein Anlauflager 3 angeordnet ist, um mit möglichst geringer Reibung den Rotor 10 axial zu lagern. Innerhalb dieser Kappe 26 oder Vertiefung ist ein ringförmiges Fettdepot 4 vorgesehen, das dieses Anlauflager und ein unteres Gleitlager 2, welches im eingebauten Zustand unzugänglich ist, speist. Die drei Statorspulen 14 werden

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über drei Hallgeneratoren 13 angesteuert. Die drei Statorspulen 14 werden mittels Vollbrücke betrieben, weil das eine größere Leistungsausbeute, ein größeres Leistungsgewicht gibt. Aus diesem Grunde sind die drei Hallgeneratoren 13 nicht ohne weiteres durch ein Hall-IC zu ersetzen, weil auf der Beschaltung der Leiterplatte 23 alle vier Anschlüsse des Hallgenerators 13 herausgeführt werden müssen, und daß der Vollbrückenbetrieb mit den drei Anschlüssen des Hall-ICs jeweils allein nicht möglich wäre. Selbstverständlich gibt es aber äquivalente Lösungen, möglicherweise mittels Magnetdioden oder ähnlichen Elementen, oder eine andere Art, die Vollbrückenschaltung zu realisieren.

Diese drei Hallgeneratoren 13 sind in einem magnetischen Kreis eingebaut, der insgesamt einen möglichst kleinen magnetischen Widerstand aufweisen soll. Da die eine, zum Flansch hingerichtete Kante 12 in der Nähe der Hallgeneratoren 13 angeordnet ist und der permanentmagnetische Rotor 10 sich auf die weichmagnetische Welle 11 direkt erstreckt, welche im oberen Flanschlager 5 (aus Sintereisen) wiederum in einem ferromagnetiscl Abschlußdeckel 27, der als Stanzbiegeteil ausgebildet ist, eingesetzt ist, kann der Fluß über diese quasi hinter den Hallgeneratoren 13 fließen. Die Hallgeneratoren 13 sollten zu diesem Zweck mit einer ferrogmagnetischen Halterungskonstruktion umgeben werden. Der relativ große Abstand zwischen der Leiterplatte 23 und dem Abschlußdeckel 27 kann dadurch noch drastisch reduziert werden, daß in diesem Abschlußdeckel 27 im Bereich der Hallgeneratoren 13 Sicken 28 eingedrückt werden. Diese Sicken 28 können noch zur Fixierung oder Distanzierung der Leiterplatte 23 verwendet werden, also zu einem zweiten Zweck dienen.

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Ein möglichst kleiner magnetischer Widerstand im magnetischen Kreis des Signalgebers bedeutet ein gutes und auch mit wenig Elektronik auswertbares Signal. Durch Quetschverbindung ist der weichmagnetische Abschlußdeckel 27 eingefaßt, der auch eine Abschirmung des magnetischen Streuflusses bewirkt.

Eine weitere Erhöhung des Leistungsgewichtes ist dadurch zu erreichen, daß der permanentmagnetische Rotor 10 als Magnetrohr 32 (strichpunktiert in Fig. 1 dargestellt) ausgeführt und dieses Magnetrohr 32 durch eine weichmagnetische Scheibe 31 (gestrichelt) an der Welle 11 befestigt wird. Für diese Ausführung wird vorzugsweise Magnetmaterial aus seltenen Erden verwendet.

Fig. 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines kollektorlosen Gleichstrommotors, dessen Innenrotor aus einem glockenartigen Magnettragteil 37 und einem auf. seiner zylindrischen Außenseite befestigten hohlzylindrischen, radial magnetisierten, permanentmagnetischen Rotormagneten 36 aus einer CoSm-Legierung besteht. Das Tragteil 37 besteht aus weichmagnetischem Material und ist mit seiner Bodenfläche drehfest mit der Welle 11 verbunden. Für solche extrem kleinen Motoren (sogenannte Mikromotoren für Tasch.endiktiergeräte) ist es sehr vorteilhaft, den Rotormagneten aus einem Seltenen-Erde-Magnetmaterial herzustellen, vor allem wenn man bei der großen Kompaktheit und kleinen absoluten Größe-und das bedeutet: sehr kleines Magnetvolumen - noch eine gewisse Leistung benötigt.

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Der Rotormagnet 36 steuert an einem axialen Ende 39 drei äquidistant verteilt vorgesehene Hall-Sensoren 13, welche Kommutierungssignale zur Steuerung des Stromflusses in den ' Abschnitten einer Ringwicklung 35 liefern. Diese Ringwicklung 35 ist durchgehend, d. h. kontinuierlich mit gleicher Leiterdichte, gewickelt und an drei Stellen angezapft, wobei die durch die Anzapfung entstehenden beiden freien Drahtenden 41 jeweils mit der Leiterplatte 23 verlötet sind. Wenn eine Anzapfung aufgetrennt wird und zwei freie Drahtenden vorhanden sind, wird je ein Drahtende an jeder der drei Anzapfungen zum Sternpunkt zusammengefaßt, und der Motor wird als Sternschaltung vorteilhaft mittels Vollbrücke betrieben. Wird die Anzapfung nicht aufgetrennt und ist nur eine Zuleitung dort, bedeutet das eine Dreieckschaltung des Motors mit Halbbrücken-Betrieb.

Die Ringwicklung 35 liegt zwischen dem statorseitigen Rückschlußblechpaket 16 und der zylindrischen Außenfläche des Rotormagneten 36.

Das Rückschlußblechpaket 16 ist im Außengehäuse 6 angeordnet, Dieses Gehäuse weist noch einen lagerrohrartigen Fortsatz 38 auf, der die Lager, 2, 5 für die Welle 11 aufnimmt.

Das Gehäuse 6 mit dem axial nach innen gerichteten Fortsatz 38 wird vorteilhafterweise im Spritzverfahren aus Kunststoff hergestellt. Das Tragteil 37 übergreift den lagerrohrartigen Fortsatz 38 wie eine Glocke.

Das Statorblechpaket 16 ist mit seiner Innenfläche mit der Ringwicklung 38 beispielsweise mittels einer Klebewulst und mit seiner Außenfläche fest mit dem Gehäuse 6 verbunden. Diese Verbindung wird durch Klebung oder auch durch Umspritzen erreicht.

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Die Leiterplatte 23, die im Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 gleichzeitig noch die Funktion eines Abschlußdeckels hat, enthält neben den Schaltungsbauteilen, wie z. B. den Hall-Sensoren 13, noch das Anlauflager 3, das die Welle 11 axial abstützt. Die Anordnung der Leiterplatte 23 abseitig zur Abtriebsseite der Welle 11 vermindert den Streufluß auf den Hallgenerator 13 vom anzutreibenden Gerät her.

In der Darstellung der Fig. 8 kann der Kobalt-Samarium-Magnet 36 axial noch auf die Linie 45 verkürzt werden, ohne daß der Motor merklich schwächer wird. Denn im axialen Endbereich der Stirnfläche 43 ist die eisenlose Ringwicklung elektromotorisch kaum wirksam. Der Motor könnte andererseits dadurch verstärkt werden, daß man die Stirnfläche 44 durch Verlängerung des Statorblechstapels nach oben bis mindestens in axiale Position der Stirnfläche 42 hochlegt (oder sogar darüber hinaus). Das würde die Rotorträgheit nicht erhöhen, und die Hochlaufzeit könnte reduziert werden. Wenn man die

Stirnfläche 44 gleich oder höher als die Stirnfläche 42 legt, sollte entsprechend obigem die Stirnfläche 43 noch über der Stirnfläche 44 liegen, so daß der axiale Endbereich der Wicklung 35 sozusagen in der Luft liegt. Die axiale Baulänge des Motors nimmt dann natürlich zu.

Die Platte 23 ist als Printplatte unmittelbar ausgebildet. Parallel zu ihr außerhalb des Motors würde eine weichmagnetische Wand (ζ. B. Blech) das Signal des Hallgenerators verstärken. Die Platte 27 kann auch selbst ferromagnetisch mit Ausnehmungen zur Aufnahme der Elemente (z. B. 13) versehen sein und eine Print-circuit-Auflage haben für den Anschluß der Elemente (z. B. 13).

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Fig. 9 zeigt eine 3-Phasen-Vollbrückenschaltung zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Motors. Jeder der drei Hallgeneratoren 901, 902, 903 liefert ein Ausgangssignal in einen der drei Differenzverstärker 911, 912, 913. Dabei wird das negative Signal invertiert und so das Rotorpositionssignal aufbereitet, welches in einen Logikbaustein 920 geführt wird, bei dem noch ein Regelverstärkungseinfluß durch einen Pfeil 925 angedeutet ist. Im Logikbaustein 920 wird das Schaltsignal zur Bestromung der in Stern geschalteten Statorwicklungen 941, 942, 943 nach entsprechender Verstärkung in den Elementen 931, 932, 933 ausgegeben. Der Wicklungssternpunkt ist 950. Ein über jeweilige RC-Glieder gebildeter Sternpunkt 960 ermöglicht weitere Steuerungsmöglichkeiten.

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Claims

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Ansprüche

Gekapselter Kleinstmotor mit Innenläufer mit einem zylindrischen Luftspalt, als kollektorloser Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor ausgebildet, wobei auf der einen axialen Stirnseite des Gehäuses eine Axiallagerung und auf der anderen Seite eine herausragende Welle vorgesehen ist und statorseitig radial außerhalb der Wicklung ein geblechtes Paket für den Rückschluß angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor eine dreiphasige Statorwicklung und einen zweipoligen Rotor aufweist und im Bereich einer Stirnseite mindestens ein Rotorstellungssensor (13) vorgesehen ist, der im axialen Streuflußbereich des rotierenden Permanentmagneten (32, 36) liegt.
2. Kleinstmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dieser Motor (1) einen Außenstator (7) mit nach Art eines 3T-Ankers ausgebildeten, radial nach innen gerichteten ausgeprägten drei Statorpolen (15) aufweist.
3. Kleinstmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine statorseitige, durchgehend eisenlose Ringwicklung (35) im Luftspalt zwischen dem geblechten Paket (16) und der zylindrischen Außenfläche des rotierenden permanentmagnetischen Rotors (36, 37) vorgesehen ist, wobei diese an drei äquidistanten Umfangsstellen zum Leitungsanschluß Zuleitungen aufweist.

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4. Kleinstmotor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Kommutierung der Statorspulen (14) als Vollbrückenschaltung ausgelegt ist.
5. Kleinstmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens ein, vorzugsweise drei magnetfeldempfindliche Rotorstellungssensoren (13) im Bereich einer der Rotor-Umfangskanten vorgesehen sind.
6. Kleinstmotor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, 5, dadurch gekennzeichnet _r daß die weichmagnetische Gehäusestirnwand (27) im Bereich der magnetisch wirksamen Rotorstellungssensoren (13) durch axiale, sickenartige Vertiefungen (28) zur Flußleitung an die Sensoren angenähert ist oder die Sensoren in Ausnehmungen dieser Wand hineinragen.
7. Kleinstmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die ausgeprägten Statorpole (15) durch mit Schiebesitz eingesetzte Polschuhbleche (9) ausgebildet sind, deren axiale Ausdehnung beiderseits über den Statorkern (16) hinausgeht.
8. Kleinstmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhbleche (9) in einem sternförmigen Kunststofftragteil (20) gehaltert sind.
9. Kleinstmotor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Polbleche (9) mit parallelen Schlitzen (19) nach Art eines Kammes versehen sind, die parallel zur Drehrichtung in radialen Ebenen verlaufen.
10. Kleinstmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der permanentmagnetische Rotor (10) als Magnetrohr (32) ausgebildet ist, das an der Stirnseite, an welcher der Sensor liegt, über eine weichmagnetische Scheibe (31) unmittelbar mit einer Welle (11) verbunden ist«
11. Kleinstmotor nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Rotor (10) aus einem zylindrischen Permanentmagneten besteht, der unmittelbar auf der Welle (1.1) befestigt ist, wobei die Welle (11) in Lagern (2, 5) läuft, die in stirnseitigen Schildern des Gehäuses (6) angeordnet sind.
12. Kleinstmotor nach Anspruch 2, 3, 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Rotormagnet (36) auf einem weichmagnetischen Magnettragteil (37) befestigt und letzteres mit der Welle (11) drehfest verbunden ist.
13. Kleinstmotor nach Anspruch 1, 5, 6, dadurch gekennzeichnet , daß ein axiales Anlauflager (3) für die Welle (11) direkt auf einer Leiterplatte (23) befestigt ist.

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14. Kleinstmotor nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet , daß das Außengehäuse (6) einen axial hohlzylindrischen Fortsatz (38) enthält, in dem die Lager (2, 5) angeordnet sind.
15. Kleinstmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Fortsatz (38) in das Motorinnere ragt und das glockenartige Magnettragteil (37) diesen umgibt.
16. Kleinstmotor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Rotorstellungssensoren (13) abseitig vom Abtrieb der Welle (11), d. h. auf der Seite des Anlauflagers (3), vorgesehen sind.
17. Kleinstmotor nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ζ e i c h ne t , daß die Ringwicklung (35) am geblechten Paket (16) befestigt ist.
18. Kleinstmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , daß das geblechte Paket (16) im Gehäuse (6) festgemacht ist.
19. Kleinstmotor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (6) als Spritzteil ausgebildet ist, wobei das geblechte Paket (16) umspritzt ist.