Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Mikromotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die bekannten elektrischen Mikromotoren mit Dauermagneten haben den Nachteil, dass sie für spezielle Anwendungen immer noch zu gross sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Mikromotor mit besonders kleinen Abmessungen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Mikromotor mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine stirnseitige Ansicht eines erfindungsgemässen Mikromotors,
Fig. 2 eine Querschnittdarstellung eines solchen Motors nach der Linie A-A in Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Einzelteile dieses Motors,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des montierten Motors,
Fig. 5 ein vergrössertes Detail des in Fig. 3 mit x bezeichneten Bereiches,
Fig. 6 eine stirnseitige Ansicht eines Spulenkörpers für einen solchen Motor,
Fig. 7 eine Querschnittdarstellung dieses Spulenkörpers nach der Linie A min -A min in Fig. 6,
Fig. 8 eine Querschnittdarstellung dieses Spulenkörpers nach der Linie C-C in Fig. 6,
Fig. 9 eine Draufsicht auf diesen Spulenkörper,
Fig.
10 eine Querschnittdarstellung dieses Spulenkörpers nach der Linie B-B in Fig. 7,
Fig. 11 eine Querschnittdarstellung dieses Spulenkörpers nach der Linie D-D in Fig. 7,
Fig. 12 ein vergrössertes Detail des in Fig. 11 mit x min bezeichneten Bereiches,
Fig. 13 und 14 perspektivische Ansichten des Spulenkörpers,
Fig. 15 und 16 Querschnittdarstellungen von zwei weiteren Ausführungen des erfindungsgemässen Motors,
Fig. 17 eine Querschnittdarstellung eines Dauermagnets für den Rotor dieses Motors, und
Fig. 18 eine stirnseitige Ansicht dieses Dauermagnets.
Der Mikromotor nach den Fig. 1 bis 4 umfasst einen zylindrischen bzw. rohrförmigen polschuhlosen Stator 1 aus einem weichmagnetischen Material, welcher zugleich als tubuläres Gehäuse des Mikromotors dient, und einen Rotor 2, der im Wesentlichen aus einer Welle 21 und vorzugsweise zwei zylindrischen Dauermagneten 22, 23 besteht, die eine axiale Bohrung aufweisen, durch die die Welle 21 geführt ist. Die an der Welle 21 geklebt, geschweisst, vorzugsweise lasergeschweisst, oder mit anderen Mitteln befestigten Dauermagnete 22, 23 sind diametral magnetisiert. Die Welle 21 weist zwei nebeneinander angeordnete Bereiche 24, 25 auf, die ebenfalls zylinderförmig, jedoch vorzugsweise mit einem grösseren Durchmesser als die Welle 21 ausgebildet sind.
Der Bereich 25 dient als Sitz für ein Lager, z.B. ein Kugellager 26, und der Bereich 24 bildet eine ringförmige Schulter zur Abstützung des Kugellagers 26. In Fig. 3 ist auch ein mit einem Kugellager versehener Rotor 3 dargestellt.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass der Mikromotor drei aussenseitig an einem Spulenkörper oder Wicklungsträger 4 angeordnete Spulen 41 aufweist, deren Drahtenden mit je einem Kontaktstift 5 verbindbar sind. In Fig. 3 ist auch ein mit drei Kontaktstiftpaaren bestückter Spulenkörper 6 dargestellt, der mit Bohrungen für die Befestigung der Kontaktstifte 5 versehen ist. Dieser Bereich des Spulenkörpers ist ausgebildet, um ein Lager 7 für das andere Ende der Welle 2 aufzunehmen. Im Beispiel nach Fig. 3 ist das Lager 26 als Kugellager und das Lager 7 als Gleitlager dargestellt, wobei aber auch beide ein Kugellager oder ein Gleitlager sein könnten.
Aus Fig. 2 geht deutlich hervor, dass für die Länge L und den Durchmesser D des Gehäuses ungefähr die Beziehung L = 3D gilt, und dass die Gesamtlänge des Motors L + L1 + L2 ist, wobei L1 die Länge des aus dem Gehäuse 1 herausragenden Teils der Kontaktstifte 5 und L2 die Länge des herausragenden Teils der Welle 21 ist. Das Verhältnis zwischen Länge L und Durchmesser D kann jedoch zwischen 1:1 und 1:6 sein. Die mechanische Leistung des Mo tors hängt von dieser Länge ab und wird über die Anzahl Magnete angepasst.
Fig. 5 zeigt, wie ein Drahtende 8 einer Spule oder Wicklung 41 (Fig. 3) an einem Kontaktstift 5 elektrisch verbunden, beispielsweise geschweisst oder gelötet, ist.
Der Spulenkörper nach den Fig. 7 bis 14 ist zylindrisch oder rohrförmig ausgestaltet und weist drei längliche Rippen 91, 92, 93 der Breite b (Fig. 10) auf. Die Länge dieser Rippen ist kleiner als die innere Länge der Spulen. Die Rippen 91, 92, 93 sind aussenseitig peripherisch in Winkeln von 120 DEG (Fig. 10) am Spulenkörper angeordnet. Ein Endbereich 94 des Spulenkörpers ist flanschförmig ausgebildet und mit für die Kontaktstifte 5 vorgesehenen Bohrungen versehen. Eine solche Bohrung 95 ist in den Fig. 8 und 12 dargestellt.
Diese Bohrungen 95 (Fig. 8) kommunizieren jeweils mit einer sich am Rande des flanschförmigen Endbereichs 94 befindenden Ausnehmung 96. Solche Ausnehmungen 96 bilden einen Zugang zu den Kontaktstellen zwischen einem Ende 8 eines Wicklungsdrahtes und einem Kontaktstift 5 und erlauben somit die Herstellung einer Kontaktverbindung von aussen.
Die Tolerierung des Innendurchmessers des Gehäuses 1 und des Aussendurchmessers des flanschförmigen Endbereichs 94 des Spulenkörpers 4 ist vorgesehen, um eine Presspassung an dem einen Ende des Gehäuses zu bilden. Im Beispiel nach Fig. 2 bilden die Aussenseite des Kugellagers 26 und die Bohrung des Gehäuses 1 ebenfalls eine Presspassung. Nach der Montage ist somit der Spulenkörper vorzugsweise ohne zusätzliche Verbindungselemente, wie Schrauben, die gegebenenfalls auch vorhanden sein könnten, fest mit dem Gehäuse 1 verbunden.
Die Spule oder Wicklung 41 besteht aus einer Anzahl N Wicklungen, beispielsweise 30 </= N </= 400, von einem isolierten Draht mit einem Durchmesser d, beispielsweise 10 mu m </= d </= 400 mu m und vor- zugsweise d </= 300 mu m. Die Wicklung 41, die im Querschnitt kreisbogenartig vorzugsweise in einem Winkel kleiner als 120 DEG geformt ist, besteht durch die Lackadhäsion für sich und weist einen länglichen Innenschlitz 42 (Fig. 3) auf, in den die Rippen 91, 92 und 93 passen, um die Halterung der Wicklungen am Spulenkörper bei der Montage zu erleichtern. Im montierten Zustand befinden sich somit die drei Wicklungen peripherisch zwischen dem Spulenkörper 4 und der glatten Innenwand des Gehäuses 1, das somit keine Polschuhe aufweist.
Die Welle 21 mit den Dauermagneten kann im Innern des Spulenkörpers 4 rotieren, der vorzugsweise sehr dünnwandig ausgebildet ist, um den Luftspalt zwischen dem Rotor 2 und der Wicklung 41 möglichst klein zu halten.
Die Ausführungen nach den Fig. 15 und 16 umfassen eine zusätzliche Hülse 11, in die das Kugellager 26 aufgenommen wird. Diese Hülse 11 weist eine ringförmige Schulter auf, die eine Presspassung mit der Innenbohrung des Gehäuses bildet. Diese Hülse kann auch durch eine spezielle Ausführung des Aussenrings eines Kugellagers ersetzt werden. Die Ausführung nach Fig. 15 weist an der linken Seite ein Gleitlager 7 auf, während die Ausführung nach Fig. 16 mit einem zweiten Kugellager, beispielsweise mit 7 Kugeln, versehen ist.
Aus Fig. 18 ist ersichtlich, das die Länge Lm der Dauermagnete 22, 23 grösser als sein Durchmesser dm ist. Vorzugsweise gilt die Beziehung 1 </= Lm/dm </= 4. Diese Magnete weisen eine Innenbohrung auf, die an beiden Enden konisch oder abgerundet erweitert ist. Die Länge der konischen Erweiterung ist t1 bzw. t2.
Ein Mikrokugellager 26 mit 17 Kugeln wurde von der Firma RMB hergestellt. Solche speziellen Mikrokugellager der Firma RMB weisen einen Aussendurchmesser von beispielsweise 1 mm bis 6 mm auf.
Das Gehäuse besteht beispielsweise aus einer handelsüblichen Fe-Ni-Legierung, und die Dauermagnete sind beispielsweise aus einer intermetallischen Verbindung, zum Beispiel Magnesium-Wismut, Platin-Kobalt, Verbindungen mit seltenen Erden oder aus einer Nd-Verbindung, beispielsweise Nd-Fe-Bo.
Die Spulen oder Wicklungen werden vorzugsweise mit drei um 120 DEG phasenverschobenen zumindest angenähert Rechteck-Impuls-Signalen von beispielsweise 1 bis 12 Volt gespeist, um einen Synchron-Mikromotor zu ergeben.
Der Mikromotor kann jedoch in an sich bekannter Weise als kollektorloser Gleichstrommotor mit Kommutierungsschaltungen arbeiten, die beispielsweise in einem separaten Modul im Bereich nahe den Kontaktstiften 5 untergebracht sein können.
Der Mikromotor kann auch mit nur zwei diametral angeordneten Spulen und Rippen 91 oder sonst mit mehr als drei gleichmässig am Umfang des Stators verteilten Spulen mit oder ohne Spulenkörper arbeiten.
Die Rippen 91, 92, 93 sind vorzugsweise einstückig mit dem Kunststoff-Wicklungsträger 4 ausgebildet. Sie können jedoch auch als getrennte Teile aus einem weichmagnetischen Material bestehen, die auf dem Wicklungsträger 4 geklebt werden.
Der Luftspalt zwischen Magnet und Gehäuse beträgt beispielsweise 0,4 mm bis 1,2 mm, vorzugsweise jedoch 0,6 mm bis 0,8 mm.
Der Luftspalt zwischen Magnet und Spulen beträgt vorzugsweise 0,05 mm bis 0,3 mm.
The present invention relates to an electric micromotor according to the preamble of claim 1.
The known electric micromotors with permanent magnets have the disadvantage that they are still too large for special applications.
It is therefore an object of the present invention to provide an electric micromotor with particularly small dimensions.
This object is achieved by an electric micromotor with the features specified in the characterizing part of patent claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
The invention is explained in more detail below, for example with reference to a drawing. Show it:
1 is an end view of a micromotor according to the invention,
2 is a cross-sectional view of such a motor along the line A-A in Fig. 1,
3 is an exploded perspective view of the individual parts of this engine,
4 is a perspective view of the assembled motor,
5 shows an enlarged detail of the area designated by x in FIG. 3,
6 shows an end view of a coil former for such a motor,
7 shows a cross-sectional representation of this coil former along the line A min -A min in FIG. 6,
8 is a cross-sectional view of this bobbin along the line C-C in Fig. 6,
9 is a plan view of this bobbin,
FIG.
10 is a cross-sectional view of this bobbin along the line B-B in FIG. 7,
11 is a cross-sectional view of this bobbin along the line D-D in Fig. 7,
12 is an enlarged detail of the area designated by x min in FIG. 11,
13 and 14 are perspective views of the bobbin,
15 and 16 cross-sectional representations of two further embodiments of the motor according to the invention,
Fig. 17 is a cross sectional view of a permanent magnet for the rotor of this motor, and
Fig. 18 is an end view of this permanent magnet.
The micromotor according to FIGS. 1 to 4 comprises a cylindrical or tubular stator 1 without a pole shoe made of a soft magnetic material, which also serves as the tubular housing of the micromotor, and a rotor 2, which essentially consists of a shaft 21 and preferably two cylindrical permanent magnets 22 , 23, which have an axial bore through which the shaft 21 is guided. The permanent magnets 22, 23 glued, welded, preferably laser-welded, or fastened by other means are diametrically magnetized. The shaft 21 has two regions 24, 25 arranged next to one another, which are likewise cylindrical, but preferably have a larger diameter than the shaft 21.
The area 25 serves as a seat for a warehouse, e.g. a ball bearing 26, and the area 24 forms an annular shoulder for supporting the ball bearing 26. In FIG. 3, a rotor 3 provided with a ball bearing is also shown.
From FIG. 3 it can be seen that the micromotor has three coils 41 arranged on the outside on a bobbin or winding support 4, the wire ends of which can be connected to a contact pin 5. FIG. 3 also shows a coil former 6 which is equipped with three pairs of contact pins and which is provided with bores for fastening the contact pins 5. This area of the coil body is designed to receive a bearing 7 for the other end of the shaft 2. In the example according to FIG. 3, the bearing 26 is shown as a ball bearing and the bearing 7 as a sliding bearing, but both could also be a ball bearing or a sliding bearing.
2 clearly shows that the relationship L = 3D applies approximately to the length L and the diameter D of the housing, and that the total length of the motor is L + L1 + L2, where L1 is the length of the protruding from the housing 1 Part of the contact pins 5 and L2 is the length of the protruding part of the shaft 21. The ratio between length L and diameter D can, however, be between 1: 1 and 1: 6. The mechanical power of the motor depends on this length and is adjusted via the number of magnets.
FIG. 5 shows how a wire end 8 of a coil or winding 41 (FIG. 3) is electrically connected to a contact pin 5, for example welded or soldered.
7 to 14 is cylindrical or tubular and has three elongated ribs 91, 92, 93 of width b (FIG. 10). The length of these ribs is less than the inner length of the coils. The ribs 91, 92, 93 are arranged peripherally on the outside of the coil body at angles of 120 ° (FIG. 10). An end region 94 of the coil body is flange-shaped and provided with bores provided for the contact pins 5. Such a bore 95 is shown in FIGS. 8 and 12.
These bores 95 (FIG. 8) each communicate with a recess 96 located at the edge of the flange-shaped end region 94. Such recesses 96 provide access to the contact points between one end 8 of a winding wire and a contact pin 5 and thus allow a contact connection to be made Outside.
The tolerance of the inner diameter of the housing 1 and the outer diameter of the flange-shaped end region 94 of the coil body 4 is provided in order to form an interference fit at one end of the housing. 2, the outside of the ball bearing 26 and the bore of the housing 1 also form an interference fit. After assembly, the coil former is thus preferably connected to the housing 1 without additional connecting elements, such as screws, which may also be present.
The coil or winding 41 consists of a number N windings, for example 30 </ = N </ = 400, of an insulated wire with a diameter d, for example 10 μm </ = d </ = 400 μm and preferably d </ = 300 μm. The winding 41, which is shaped like a circular arc in cross section, preferably at an angle of less than 120 °, exists for itself due to the paint adhesion and has an elongated inner slot 42 (FIG. 3) into which the ribs 91, 92 and 93 fit to facilitate the mounting of the windings on the bobbin during assembly. In the assembled state, the three windings are thus located peripherally between the coil former 4 and the smooth inner wall of the housing 1, which thus has no pole shoes.
The shaft 21 with the permanent magnets can rotate in the interior of the coil body 4, which is preferably of very thin-walled design, in order to keep the air gap between the rotor 2 and the winding 41 as small as possible.
15 and 16 comprise an additional sleeve 11, in which the ball bearing 26 is received. This sleeve 11 has an annular shoulder which forms an interference fit with the inner bore of the housing. This sleeve can also be replaced by a special version of the outer ring of a ball bearing. 15 has a slide bearing 7 on the left side, while the embodiment according to FIG. 16 is provided with a second ball bearing, for example with 7 balls.
18 that the length Lm of the permanent magnets 22, 23 is greater than its diameter dm. The relationship 1 </ = Lm / dm </ = 4 preferably applies. These magnets have an inner bore which is flared or rounded at both ends. The length of the conical extension is t1 or t2.
A micro ball bearing 26 with 17 balls was manufactured by the company RMB. Such special microball bearings from RMB have an outside diameter of, for example, 1 mm to 6 mm.
The housing consists, for example, of a commercially available Fe-Ni alloy, and the permanent magnets are, for example, made of an intermetallic compound, for example magnesium bismuth, platinum-cobalt, compounds with rare earths, or of an Nd compound, for example Nd-Fe-Bo ,
The coils or windings are preferably fed with three at least approximately square-wave pulse signals of, for example, 1 to 12 volts, which are phase-shifted by 120 °, in order to produce a synchronous micromotor.
However, the micromotor can operate in a manner known per se as a collectorless DC motor with commutation circuits, which can be accommodated, for example, in a separate module in the area near the contact pins 5.
The micromotor can also work with only two diametrically arranged coils and ribs 91 or else with more than three coils evenly distributed over the circumference of the stator, with or without a bobbin.
The ribs 91, 92, 93 are preferably formed in one piece with the plastic winding carrier 4. However, they can also consist of separate parts made of a soft magnetic material that are glued to the winding carrier 4.
The air gap between the magnet and the housing is, for example, 0.4 mm to 1.2 mm, but preferably 0.6 mm to 0.8 mm.
The air gap between the magnet and the coils is preferably 0.05 mm to 0.3 mm.