DE19651660B4

DE19651660B4 - Mikroelektromotor

Info

Publication number: DE19651660B4
Application number: DE19651660A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Wallner Herbert; Dipl.-Ing. Knittel Jochen; Dipl.-Ing. Beckord Ulrich
Original assignee: Dr Fritz Faulhaber GmbH and Co KG
Current assignee: Dr Fritz Faulhaber GmbH and Co KG
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: JPH10178764A; CH692832A5; US6107704A; GB9726276D0; DE19651660A1; GB2320980A; GB2320980B

Abstract

Mikroelektromotor mit einem eine axiale Länge aufweisenden Gehäuse (1), in dem eine Motorwelle (3) drehbar gelagert ist, die einen Rotor (12, 13) trägt, der mit einem Stator (10) zusammenwirkt, und mit einem innerhalb der axialen Länge des Gehäuses (1) befindlichen Einbauraum (21), der durch einen Gehäusedeckel (20) geschlossen und in dem ein Impulsgeber (27, 30, 34) aus einem gehäusefesten Sensor (30) vorgesehen ist, der an eine Auswerteelektronik (34) angeschlossen ist, wobei der Impulsgeber aus einem Geberring (27) besteht, der drehfest mit der Motorwelle (3) verbunden ist und in eine Ringnut (29) im Gehäusedeckel (20) eingreift, in dem ein Sensorträger (31) befestigt ist, der dem Geberring (27) zugewandt den Sensor (30) aufweist, der mit einer zugehörigen Auswerteelektronik (34) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroelektromotor mit einem eine axiale Länge aufweisenden Gehäuse, in dem eine Motorwelle drehbar gelagert ist, die einen Rotor trägt, der mit einem Stator zusammenwirkt, und mit einem innerhalb der axialen Länge des Gehäuses befindlichen Einbauraum, der durch einen Gehäusedeckel geschlossen und in dem ein Impulsgeber aus einem gehäusefesten Sensor vorgesehen ist, der an eine Auswerteelektronik angeschlossen ist.
Es ist bekannt, an solche Mikroelektromotoren stirnseitig magnetische Impulsgeber anzusetzen. Dadurch ergibt sich jedoch eine große axiale Länge. Häufig haben Impulsgeber auch größeren Durchmesser als die Mikroelektromotoren, so dass zusätzlich zu der vergrößerten Länge auch eine Vergrößerung des Durchmessers einer solchen Baueinheit auftritt. Sie benötigt darum einen entsprechend großen Einbauraum, der bei entsprechenden Anwendungen jedoch nicht immer zur Verfügung steht.
Die DE 295 15 381 U1 und die US 4 988 905 A zeigen einen solchen bekannten Mikrogleichstrommotor mit einem Gehäuse, in dem die Motorwelle mit dem Rotor drehbar gelagert ist. Ein Impulsgeber mit einer Codierscheibe und zwei Sensoren ist in einem eigenen Gehäuse angeordnet, das an das Motorgehäuse angesetzt ist.
Die DE 34 41 429 A zeigt einen bekannten Impulsgeber in Form eines Drehgebers mit einer Drehgeberwelle, auf der eine Codierscheibe liegt, die axial gegenüber mehreren Sensoren angeordnet ist. Ein solcher Drehgeber wird als komplette Einheit an einen Motor in bekannter Weise angesetzt.
Die US 5 545 985 A zeigt eine Ausbildung von magnetoresistiven Positionssensoren, die zum Beispiel bei Mikroelektromotoren verwendet werden können.
Die DE 34 34 695 A1 zeigt einen Kleinstmotor mit einem auf einer Motorwelle drehfest sitzenden Rotor, der von einem Ring umgeben ist, der aus drei Polschuhblechen besteht, die in einem Kunststofftragteil gehalten sind. Eine radiale Außenkante des Rotors wirkt mit drei Hallsensoren zusammen, die an einer Leiterplatte vorgesehen sind, die radial nach außen aus dem Gehäuse ragt. Die Hallsensoren liegen mit radialem und axialem Abstand dem Außenrand des Rotors gegenüber. Das Gehäuse wird von einem Abschlussdeckel geschlossen, der mit relativ großem Abstand der Leiterplatte gegenüberliegt. Ein derartiger Mikroelektromotor hat aufgrund dieser Ausbildung verhältnismäßig große Abmessungen, so dass ein entsprechend großer Einbauraum erforderlich ist.
In der DE 15 13 293 B ist ein Elektromotor beschrieben, der axial mit einem Lüfterrad versehen ist, und das Lüfterrad gleichzeitig als Impulsgeberrad verwendet wird, wobei auf dem Motorgehäuse mehrere Abtaster durch Öffnungen des Gehäuses das Lüfterrad abfühlen. Auch bei dieser Ausführungsform werden die axiale Länge des Motors durch das Lüfterrad und der Durchmesser des Motors durch die auf dem Gehäuse angebrachten Sensoren vergrößert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Mikroelektromotor so auszubilden, dass seine Abmessungen durch einen Impulsgeber nicht oder allenfalls nur wenig vergrößert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Mikroelektromotor mit einem eine axiale Länge aufweisenden Gehäuse, in dem eine Motorwelle drehbar gelagert ist, die einen Rotor trägt, der mit einem Stator zusammenwirkt, und mit einem innerhalb der axialen Länge des Gehäuses befindlichen Einbauraum, der durch einen Gehäusedeckel geschlossen und in dem ein Impulsgeber aus einem gehäusefesten Sensor vorgesehen ist, der an eine Auswerteelektronik angeschlossen ist, wobei der Impulsgeber aus einem Geberring besteht, der drehfest mit der Motorwelle verbunden ist und in eine Ringnut im Gehäusedeckel eingreift, in dem ein Sensorträger befestigt ist, der dem Geberring zugewandt den Sensor aufweist, der mit einer zugehörigen Auswerteelektronik verbunden ist.
Beim erfindungsgemäßen Mikroelektromotor ist der Impulsgeber innerhalb der axialen Länge des Gehäuses untergebracht. Dadurch weist der Mikroelektromotor trotz Impulsgeber keinen größeren Durchmesser und auch keine größere Länge auf als ein herkömmlicher Mikroelektromotor ohne Impulsgeber. So beträgt beispielsweise bei einem Ausführungsbeispiel der Gehäusedurchmesser nur etwa 15 mm und die Länge des Motors nur etwa 18 mm. Solche kleinen Motoren mit integriertem Impulsgeber können, da sie nur wenig Einbauraum benötigen, nahezu unbegrenzt für die unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Die Zeichnung zeigt im Axialschnitt einen erfindungsgemäßen Mikroelektromotor.
Der Motor ist ein Mikromotor, der sehr kleine Abmessungen hat. Der Motor hat im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von nur etwa 15 mm und eine Länge von nur etwa 18 mm. Er ist mit einem napfförmigen Gehäuse 1 versehen, durch dessen Boden 2 eine Motorwelle 3 ragt. Sie ist im Gehäuse 1 mit wenigstens einem Lager, im Ausführungsbeispiel mit zwei Lagern 4 und 5 drehbar gelagert. Das Lager 4 ist am freien Ende einer zylindrischen Ringwand 6 angeordnet, die koaxial zur Motorachse liegt und vom Boden 2 aus in das Gehäuse 1 ragt. Vorzugsweise ist die Ringwand 6 einstückig mit dem Gehäuse 1 ausgebildet. Zur Aufnahme des Lagers 4 ist die Ringwand 6 an der Innenwandung mit einer Ringnut 7 versehen, in die das Lager 4 eingreift. In Höhe des Gehäusebodens 2 ist die Ringwand 6 mit einer weiteren Ringnut 8 versehen, in welche das Lager 5 eingesetzt ist. Der Gehäuseboden 2 ist im Bereich der Ringwand 6 offen, so daß das Lager 5 und die Motorwelle 3 einfach eingesetzt werden können. Von der Unterseite des Bodens 2 steht eine Ringwand 9 ab, die den aus dem Gehäuse 1 ragenden Teil des Lagers 5 umgibt. Die Motorwelle 3 selbst ist in bekannter Weise im Gehäuse 1 axial gesichert.
Auf der Ringwand 6 ist mindestens ein Permanentmagnet 10 befestigt, dessen axiale Länge vorzugsweise gleich groß ist wie die axiale Länge der Ringwand 6. Der Permanentmagnet 10 umgibt die Motorwelle 3 und wird seinerseits unter Bildung eines Ringspaltes 11 von einer Spule 12 umgeben. Die Ringwand 6, auf welcher der ringförmige Permanentmagnet 10 befestigt ist, bildet einen Magnetträger, der aus Stahl oder Aluminium bestehen kann. Die Spule 12 hat geringen Abstand vom Gehäuseboden 2 und ragt axial über den Permanentmagneten 10. Das vom Gehäuseboden 2 abgewandte Ende der Spule 12 ist mit einem Kollektorteller 13 drehfest verbunden, der aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere Kunststoff, besteht. Der Kollektorteller 13 ist auf der Motorwelle 3 befestigt und hat einen zentralen, gegen die Ringwand 6 gerichteten Vorsprung 14, in den die Motorwelle 3 ragt. Am Rand ist der Kollektorteller 13 mit einer umlaufenden Zylinderwand 15 versehen, die auf gleicher Höhe wie der Permanentmagnet 10 liegt und gegen ihn gerichtet ist. Die Zylinderwand 15 umgibt den Vorsprung 14 mit Abstand und liegt mit Abstand dem Permanentmagneten 10 gegenüber.
In Höhe des Vorsprunges 14 ist der Kollektorteller 13 auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Vorsprung 16 versehen, der ebenso wie der Vorsprung 14 koaxial zur Motorwelle 3 angeordnet ist. Der Vorsprung 16 hat kleinere Breite bzw. kleineren Durchmesser als der Vorsprung 14. Auf dem Vorsprung 16 befinden sich Kollektorlamellen 17 in Form von Kupfer- oder Edelmetallamellen. An den Kollektorlamellen 17 liegt in bekannter Weise eine Bürste 18 an, die in einem Bürstenhalter 19 vorgesehen ist. Er ist in einen Gehäusedeckel 20 eingebaut, der in einen Einbauraum 21 des Gehäuses 1 eingesetzt ist. Der Einbauraum 21 ist am freien Ende des Gehäuses 1 vorgesehen. Die zylindrische Wand des Gehäuses 1 ist an ihrem vom Boden 2 abgewandten Ende innenseitig mit einer umlaufenden Vertiefung 22 versehen, in welche der Gehäusedeckel 20 mit einem umlaufenden Rand 23 eingreift. Infolge der Vertiefung 22 ist die zylindrische Wandung des Gehäuses 1 dünner als im daran anschließenden, bis zum Gehäuseboden 2 verlaufenden Bereich. Der Gehäusedeckel 20 besteht aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise aus Kunststoff, und liegt mit der Stirnseite 24 des umlaufenden Randes 23 des Gehäusedeckels 20 an einer radialen, umlaufenden Schulterfläche 25 der Vertiefung 22 an.
Der Gehäusedeckel 20 liegt mit einem radial nach außen gerichteten umlaufenden Flansch 26 auf der Stirnseite des Gehäuses 1 auf. Der Außendurchmesser des Flansches 26 entspricht dem Außendurchmesser der zylindrischen Wand des Gehäuses 1.
Auf dem Kollektorteller 13 ist ein Geberring 27 befestigt, vorzugsweise aufgeklebt, der wie der Kollektorteller 13 koaxial zur Motorwelle 3 angeordnet ist. Er weist auf seiner dem Gehäusedeckel 20 zugewandten Seite Zähne 28 auf, die über den Umfang des Geberringes 27 in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel sind über den Umfang des Geberringes 27 64 Zähne vorgesehen. Der Geberring 27 ragt in eine Ringnut 29, die an der dem Kollektorteller 13 zugewandten Unterseite des Gehäusedeckels 20 vorgesehen ist. Im Bereich dieser Ringnut 29 ist im Gehäusedeckel 20 ein magnetoresistiver Sensor 30 vorgesehen, der dem Geberring 27 mit geringem Abstand gegenüberliegt. Der Sensor 30 sitzt auf einem Träger 31, der im Gehäusedeckel 20 befestigt ist. Der Sensorträger 31 ist seinerseits auf einem Träger 32 befestigt, der unter einer Abdeckkappe 33 angeordnet ist. Sie ist auf dem Gehäusedeckel 20 in geeigneter Weise gehalten. Auf dem Träger 32 sitzt auf der dem Sensorträger 31 gegenüberliegenden Seite eine Auswerteelektronik 34, die als ASIC ausgebildet ist. Durch die Abdeckkappe 33 ragt ein Anschlußkabel 35, das die Auswerteelektronik 34 sowie die Bürste 18 mit Strom versorgt. Die Abdeckkappe 30 besteht wie der Gehäusedeckel 20 aus elektrisch nicht leitfähigem Material, vorzugsweise Kunststoff.
Im Betrieb des Motors dreht die Motorwelle 3 mit dem Kollektorteller 13 und der drehfest mit ihr verbundenen Spule 12, die unter Bildung des Ringspaltes 11 den Permanentmagneten 10 umgibt und ihrerseits unter Bildung eines Ringspaltes 36 von der Zylinderwand des Gehäuses 1 umgeben ist. Der auf dem Kollektorteller 13 vorgesehene Geberring 27 dreht mit, der als Magnetring ausgebildet ist. Der dem Geberring 27 mit geringem axialem Abstand gegenüberliegende magnetoresistive Sensor 30 weist zwei (nicht dargestellte) Sensorelemente auf, welcher die beim Drehen des Geberringes 27 auftretenden Magnetfeldschwankungen erfaßt und der Auswerteelektronik 34 zuführt. Sie wandelt diese Magnetfeldschwankungen in Ausgangssignale um, die an entsprechenden (nicht dargestellten) Ausgängen für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung stehen.
Der Geber- bzw. Magnetring 27 ist axial aufmagnetisiert. Der eine Pol, beispielsweise der Südpol, befindet sich auf der die Zahnspitzen aufweisenden Seite des Geberringes 27, während der andere Pol, beispielsweise der Nordpol, auf der dem Kollektorteller 13 zugewandten Seite vorgesehen ist. Aufgrund der über den Umfang des Geberringes 27 angeordneten Zähne 28 mit Zahnspitzen ergibt sich bei drehendem Geberring 27 am Sensor 30 eine Magnetfeldschwankung, die von den Sensorelementen des Sensors 30 in Spannungsschwankungen umgewandelt wird. Das eine Sensorelement des Sensors 30 erzeugt eine Sinuskurve, während das andere Sensorelement eine hierzu um 90° versetzte Kosinuskurve erzeugt. Die entsprechenden Spannungs-Drehwinkel-Kurven werden in der Auswerteelektronik 34 in Rechteckimpulse umgewandelt, die an den Ausgängen der Auswerteelektronik 34 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stehen. Hat der Geberring 27 64 Zähne 28, dann werden pro Umdrehung des Geberringes 27 vom Sensor 30 jeweils 64 Sinus- und Kosinusperioden erfaßt, die in der Auswerteelektronik 34 durch Vervielfacherschaltungen in eine entsprechende Zahl von Rechteckimpulsen umgewandelt werden. Beispielsweise können durch die Vervielfacherschaltungen die 64 Sinus- bzw. Kosinusperioden in zweimal 512 Rechteckimpulse umgewandelt werden. Damit kann eine sehr hohe Winkelauflösung bei einem solchen Mikromotor erreicht werden. Da die Erzeugung der Kurven durch Magnetfeldschwankungen und deren Umwandlung in Rechteckimpulse an sich bekannt sind, wird die entsprechende Schaltung nicht näher beschrieben.
Bei einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform hat der magnetische Geberring 27 keine Zähne, sondern ist über seinen Umfang mit wechselnder Polarität versehen. In diesem Falle erfassen die beiden Sensorelemente des magnetoresistiven Sensors 30 die aufgrund der wechselnden Polarität während der Drehung des Geberringes 27 auftretenden Magnetfeldänderungen, die in der Auswerteelektronik 34 in Rechteckimpulse umgearbeitet werden.
Beim beschriebenen Motor ist der Impulsgeber mit dem Geberring 27, dem magnetoresistiven Sensor 30 und der Auswerteelektronik 34 zumindest im wesentlichen innerhalb des Gehäuses 1 des Motors untergebracht. Darum muß der Motor weder in seiner axialen Länge noch in seinem Durchmesser vergrößert werden. Der am freien Ende des Gehäuses 1 vorgesehene Raum 21 wird als Einbauraum für den Impulsgeber genutzt. Im Gehäusedeckel 20 wird der magnetoresistive Sensor 30 untergebracht, so daß für dieses Bauteil ein gesonderter Einbauraum nicht erforderlich ist. Da der Geberring 27 in die Ringnut 29 des Gehäusedeckels 20 eingreifen kann und der gehäusefeste Sensor 30 in diesem Bereich angeordnet ist, wird trotz auf den Kollektordeckel 13 aufgesetztem Geberring 27 die axiale Baulänge durch den Impulsgeber nicht vergrößert. Trotz der geringen Abmessungen und der Integration des Impulsgebers ist eine hohe Auflösung des Impulsgebers infolge der beschriebenen Ausbildung möglich. Aufgrund seiner kleinen Abmessungen kann der Motor auch in kleinen Einbauräumen untergebracht werden.
Der Vorsprung 16 des Kollektortellers 13 ragt in eine zentrale Vertiefung 37 des Gehäusedeckels 20, so daß durch den Vorsprung die axiale Länge des Gehäuses 1 und damit des Motors nicht vergrößert wird.

Claims

Mikroelektromotor mit einem eine axiale Länge aufweisenden Gehäuse (1), in dem eine Motorwelle (3) drehbar gelagert ist, die einen Rotor (12, 13) trägt, der mit einem Stator (10) zusammenwirkt, und mit einem innerhalb der axialen Länge des Gehäuses (1) befindlichen Einbauraum (21), der durch einen Gehäusedeckel (20) geschlossen und in dem ein Impulsgeber (27, 30, 34) aus einem gehäusefesten Sensor (30) vorgesehen ist, der an eine Auswerteelektronik (34) angeschlossen ist, wobei der Impulsgeber aus einem Geberring (27) besteht, der drehfest mit der Motorwelle (3) verbunden ist und in eine Ringnut (29) im Gehäusedeckel (20) eingreift, in dem ein Sensorträger (31) befestigt ist, der dem Geberring (27) zugewandt den Sensor (30) aufweist, der mit einer zugehörigen Auswerteelektronik (34) verbunden ist.
Mikroelektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Geberring (27) ein Magnetring ist.
Mikroelektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Geberring (27) axial aufmagnetisiert ist.
Mikroelektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Geberring (27) über seinen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Zähne (28) aufweist.
Mikroelektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Geberring (27) über seinen Umfang wechselnde Polarität aufweist.
Mikroelektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (30) ein magnetoresistiver Sensor ist.
Mikroelektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (34) ein ASIC ist.
Mikroelektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (34) die vom Sensor (30) erzeugten Signale in Rechteckimpulse umwandelt.
Mikroelektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (32) unter einer Abdeckkappe (33) liegt.
Mikroelektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Geberring (27) auf einem Kollektorteller (13) vorgesehen ist, der drehfest auf der Motorwelle (3) sitzt.
Mikroelektromotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Kollektorteller (13) eine Spule (12) befestigt ist.
Mikroelektromotor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektorteller (13) einen Vorsprung (16) aufweist, der Kollektorlamellen (17) trägt.
Mikroelektromotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (16) in eine Vertiefung (37) des Gehäusedeckels (20) ragt.
Mikroelektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) einen Durchmesser von etwa 15 mm hat.
Mikroelektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroelektromotor eine axiale Länge von etwa 18 mm hat.
Mikroelektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Seite des Trägers (32) der Sensor (30) und auf der anderen Seite des Trägers (32) die Auswerteelektronik (34) angeordnet sind.