DE2919064A1

DE2919064A1 - Synchron-kleinstmotor mit permanentmagnetlaeufer

Info

Publication number: DE2919064A1
Application number: DE19792919064
Authority: DE
Inventors: Jean I Montagu
Original assignee: General Scanning Inc
Current assignee: General Scanning Inc
Priority date: 1978-05-11
Filing date: 1979-05-11
Publication date: 1979-11-15
Also published as: JPS54153212A; US4185215A

Description

10574/MÜ/Elf

GENERAL SCANNING,INC.

150 Coolidge Hill Road, Watertown, Mass. (V.ST.A.)

Synchron-Kleinstmotor mit Permanentmagnetläufer

Die Erfindung bezieht sich auf Elektromotore und zwar auf Kleinstmotore. Für zahlreiche Anwendungsfälle ist es erwünscht, daß die Motorwelle sich mit geringer Drehzahl dreht. Zu diesem Zweck werden Übersetzungsgetriebe angeboten, die mit der Ausgangswelle des Motors gekuppelt werden. Derartige Übersetzungsgetriebe sind jedoch relativ globig und haben ein hohes Gewicht, so daß sie sich für den Einsatz dort , wo geringe Größe und geringes Gewicht von Bedeutung sind, nicht eignen. Es wurden auch bereits Motoranordnungen vorgeschlagen, bei denen die Drehzahlübersetzung in das Motorgehäuse einbezogen wird, doch sind derartige Anordnungen in den bisher bekannten Ausführungsformen für Kleinstmotore deswegen ungeeignet, weil sie zu kompliziert sind. Eine bestimmte Type von Kleinstmotoren ist der Permanentmagnet-Synchronmotor, der in vielen Zusatzgeräten für Computer, in Büromaschinen und Kleininstrumenten eingesetzt wird, wo es sowohl auf geringe Größe als auch leichtes Gewicht ankommt. Das Trägheitsmoment eines derartigen Motors muß niedrig sein, denn der Läufer oder Rotor muß augenblicklich auf Synchrondrehzahl beschleunigt werden können, wenn das erregende oder speisende Signal zuge-

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führt wird, und ein Mechanismus zur Drehzahlreduzierung darf den Läufer bei einem derartigen Motor nicht über Gebühr belasten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kleinstmotor zu schaffen, dessen Ausgangswelle mit niedriger Drehzahl läuft.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Synchron-Kleinstmotor mit Permanentmagnetlaufer geschaffen, der einen ringförmigen Stator und einen becherförmigen Permanentmagnetrotor aufweist, welcher ein inneres, zylindrisches Volumen darstellt. Der Rotor ist drehbar so im Stator gehaltert, daß er sich um die Motorachse drehen kann, wobei ein geringfügiger Luftspalt zwischen Stator und becherförmigen Rotor besteht. Eine Statorspule kann gespeist werden, wodurch der Rotor sich dann im Stator dreht. Eine koaxial zum Rotor verlaufende Ausgangswelle erstreckt sich an einem Ende des Stators nach außen, und eine ruhende Stützbuchse für die Ausgangswelle erstreckt sich in das vom Rotor umfasste innere Volumen hinein. Ein übersetzungsgetriebe ist im Raum zwischen dem inneren Ende der Tragbuchse und dem geschlossenen Ende des becherförmigen Rotors angeordnet und zwischen den Rotor und die Ausgangswelle eingeschaltet, um die vorgesehene Drehzahlverminderung zwischen Rotor und Ausgangswelle hervorzurufen. Das Zahnradübersetzungsgetriebe enthält wenigstens drei Einzelzahnräder, von denen das erste fliegend an der feststehenden Tragbuchse , das zweite fliegend am geschlossenen Ende des becherförmigen Rotors und das dritte auf der Ausgangswelle befestigt sind, wobei eines der Zahnradglieder aus zwei Teilzahnrädern besteht und aus der Achse der Ausgangswelle heraus versetzt ist, während die anderen beiden Zahnrad— getriebeelemente koaxial zur Ausgangswelle angeordnet sind.

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Bei einer speziellen Ausführungsform umfaßt der becherförmige Rotor ein zylindrisches Volumen mit einem Durchmesser von etwa 25 mm. Der hülsenförmige Wandteil des Bechers besteht dabei aus einem Plastikträger, in den zahlreiche magnetische Partikel eingelagert sind, die so magnetisiert sind, daß sie eine Folge von in axialer Richtung verlaufender Rotorpole um den Hülsenwandungsumlauf darstellen. Das Trägheitsmoment

des Rotors ist dabei kleiner als 15 g cm , wobei die Wandstärke der Becherhülse geringer als 4 mm ist. Die freitragende Stützhülse für die Ausgangswelle ist am Stator befestigt, und mehr als die Hälfte des Teils der Welle, der von der Stützhülse erfaßt wird, befindet sich im Rotor. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein erstes Zahnrad mit dem Rotor fest verbunden, ein zweites Zahnrad sitzt auf der Ausgangswelle, und das abgestufte Zahnrad ist im Stator abgestützt, wogegen bei einem anderen Ausführungsbeispiel das erste Zahnrad aus der Ausgangswelle sitzt und das zweite Zahnrad am Stator gehaltert ist, während das abgestufte Zahnrad im Rotor gehaltert ist.

Mit Hilfe dieser Motorkonstruktionen ist es möglich, eine niedrige Ausgangswellendrehzahl bei kompaktem Motorgehäuseaufbau zu erzielen. Die Getriebeanordnung ist im Betrieb zuverlässig, und der Motor und das übersetzungsgetriebe sind einfach und können wirtschaftlich hergestellt werden.Anhand der Zeichnung sollen die Einzelheiten der Erfindung nun an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen-.

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines umsteuerbaren Synchronkleinstmotors mit erfindungsgemäßer Gestaltung;

Figur 2 einen Axialschnitt durch den Motor nach der Linie 2-2 in Fig.1;

Figur 3 eine Explosionsdarstellung des in den Fig.1 und 2 gezeigten Motors;

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Figur 4 einen Schnitt in der Ebene 4-4 in Fig.2 bei vergrössertem Maßstab;

Figur 5 eine teils aufgeschnittene perspektivische Darstellung von Rotor und Ausgangswelle des in den Fig.1 bis gezeigten Motors; und

Figur 6 eine Explosionsdarstellung einer anderen Ausführungsform des umsteuerbaren Synchronkleinstmotors.

In der Fig.1 ist der umsteuerbare Permanentmagnet-Synchronmotor 10 dargestellt, dessen Durchmesser etwa 60 und dessen Länge etwa 35 mm beträgt. Die Ausgangswelle 12 hat einen Durchmesser von etwa 6,3 mm und steht etwa 18 mm über die Befestigungsflanschplatte 14 vor. Der ringförmige Stator 16 ist aus zwei Abschnitten 18 und 20 aufgebaut, von denen jeder mit einer Spule 22,24 ausgerüstet ist. Die Statorabschnitte 18,20 sind durch eine spannfeder 26 miteinander verbunden. Die Drehzahl der Ausgangswelle 12 ist abhängig von einem im Gehäuse innerhalb des Motors untergebrachten übersetzungsgetriebe, und bei diesem Ausführungsbeispiel sind Wellendrehzahlen zwischen 10 und 1/min durch entsprechende Auswahl der Komponenten des Übersetzungsgetriebezuges erzielbar.

Weitere Einzelheiten des Motoraufbaus gehen aus der Schnittdarstellung der Fig.2 und der Explosionsdarstellung der Fig.3 hervor. Der Stator 16 mit seinen zwei Abschnitten 18 und 20 besitzt eine Folge von zwölf Statorpolen 30 (Fig.4), die am Umfang mit gleichmässigem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Pole 30 des Statorabschnitts 18 eine Versetzung am Umfang von 15° gegenüber der Statorpolanordnung 30 des Abschnitts 20 haben. Die Flanschplatte 14 ist mit dem Statorabschnitt 18 verbunden, und trägt außerdem eine Lagerbuchse 32 für die Welle. Diese aus Aluminium bestehende Lagerbuchse 32 hat einen Durchmesser von etwa 18mm und eine Länge von etwa 20 mm, während ihre axiale

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Bohrung etwa 0,75 mm beträgt. Die Ausgangswelle 12 ist freitragend in der Lagerbuchse 32 gehaltert, und zwar mittels zweier selbstschmierender Lager 36,38, und mit Hilfe eines in eine Ringnut 42 der Welle eingreifenden Axialbegrenzungsringes 40 in axialer Richtung sichert.

Am inneren Ende der Welle 12 befindet sich eine Bohrung 44, in die ein Verlängerungsstift 46 der Welle mit einem Durchmesser von 2,5 mm mit Preßsitz eingesetzt ist, so daß er sich mit der Ausgangswelle 12 gemeinsam dreht. Eine Schulter 48 am inneren Ende der Welle 12 nimmt einen Druckring 50 auf, und ein Ausgangszahnrad 52 ist auf ein im Durchmesser abgesetztes Ende 54 der Welle 12 aufgepreßt, so daß es fliegend auf der Welle sitzt und sich mit ihr gemeinsam dreht.

Ein becherförmiger Permanentmagnetrotor 60 befindet sich innerhalb des Stators 16 in fliegender Lagerung derart, daß zwischen Außendurchmesser des Rotors 60 und dem Innendurchmesser der Statorpole 30 ein Luftspalt von etwa 0,4 mm verbleibt. Der becherförmige Rotor 60 hat ein Trägheitsmoment von etwa 10 g cm² und ist aus einer dünnwandigen Hohlzylinderhülse 62 von etwa 25mm Länge , etwa 30 mm Außendurchmesser von einer Wandstärke von etwa 2,5mm gebildet. Diese Hülse 62 wird aus Partikeln permanentmagnetischen Werkstoffs gebildet (z.B. Bariumferrit, Samariumkobalt oder Alnico 8), die fest in ein Trägermaterial eingebettet sind. Bei einem ausgeführten Beispiel ist die .Rotorbecherhülse aus einer Mischung von etwa 85% Bariumferritpartikeln (bis zu einer Größe von 20 Mikron) und etwa 15% Nylon im Formverfahren hergestellt. 24 in axialer Richtung verlaufender Rotorpole 64 (Fig.5) , also 12 Polpaare, befinden sich über den Umfang der Rotorhülse 62 verteilt. Ein Ende 66 der Rotorhülse 62 ist offen, während das geschlossene Ende durch einen kartenförmigen Boden aufgeschlossen ist, der sich an das andere Ende 70 der Rotorhülse radial einwärts anschließt. Ein Wellenzapfen 72 des Rotorritzels 74 ist in eine Bohrung 76 der Bodenplatte 68 eingepreßt,

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und in das Ritzel mit seinem Wellenzapfen ist wiederum eine Lagerhülse 78 eingepreßt, und zwar in eine zum Rotorritzel 74 koaxiale Bohrung.

Ein abgestuftes Zahnrad 80 besteht aus zwei Übersetzungszahnradteilen 82 und 84. Eine Lagerbuchse 86 ist in das abgestufte Doppelzahnrad 80 eingepresst und mit Hilfe von Messingabstandsscheiben 88,90 ist das abgestufte Zahnrad auf einer Achse 92 gelagert, die in eine Bohrung 94 der Tragbuchse 32 eingedrückt ist, so daß das abgestufte Zahnrad 80 fliegend auf diesem Achsstift 92 gehaltert ist.

Beim Zusammenbau des Motors 10 wird die Ausgangswellenanordnung mit Ausgangszahnrad 52 und Wellenfortsatz 46 in die Lager 36,38 eingesetzt und mittels der Sicherungsscheibe 40 derartig festgelegt, daß das Ausgangszahnrad 52 unmittelbar an die Endfläche 96 der Lagerbuchse 32 angrenzt. Die Untergruppe des abgesetzten Zahnrades 80 mit seiner Achse 92 wird dann so befestigt, daß die Achse 92 in die Bohrung 94 eingepresst wird und damit das Teilzahnrad 82 mit dem Ausgangszahnrad 52 kämmt. Danach wird die Messingabstandscheibe 98 auf den Wellenfortsatz 46 aufgesetzt und die Rotoruntergruppe auf den Wellenfortsatz 46 aufgesetzt, so daß der Rotor 60 sich mittels der Lagerbuchse 78 auf dem Wellenfortsatz 46 drehen kann und dabei das Rotorzahnrad 76 mit dem Teilzahnrad 84 des abgestuften Zahnrades 80 kämmt. Mit Hilfe einer Haltescheibe 100 am Ende des Wellenfortsatzes 46 wird der Rotor auf der Ausgangswellengruppe festgelegt, und eine Endabschlußplatte 102 wird am Außenabschnitt des Stators mit Hilfe der Spannfedern 26 festgelegt.

Die Beziehungen zwischen den Getriebekomponenten des Zahnradgetriebes, dem Rotor 60 und der Ausgangswelle 12 sind in den Figuren 4 und 5 verdeutlicht. Der Rotor 60 wird mit Hilfe von Drehsignalen , die den Statorspulen 22,24 zugeführt werden, in Drehung versetzt. Das mit dem Rotor verbundene Ritzel 74

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treibt das Zahnradteil 84 des abgesetzten Zahnrades 80 an, dessen zweites Zahnradteil 82 in das Ausgangszahnrad 52 eingreift, wodurch die Ausgangswelle 12 mit einer Drehzahl angetrieben wird, die niedriger als die Drehzahl des Rotors 60 ist. Die Drehzahl der Ausgangswelle 12 hängt von den einzelnen Komponenten der Zahnradfolge ab, so daß Drehzahlen der Welle im Bereich von 10 bis 300 1/min bei einer Gestaltung des Motors in der dargestellten Weise erzielt werden können, wobei der Rotor bei einer 60 Hz-Speisung sich mit 300 1/min dreht. Das Getriebe ist in einem Raum von weniger als 7,5 mm axialer Länge untergebracht (zwischen der Traghülsenendflache 96 und der dieser gegenüberstehenden Bodenfläche des Becherrotors ). Wenn ein mehrstufiges Getriebe verwendet wird, dann ist es möglich, die Länge der Lagehülse 32 noch zu verringern, um für die weiteren Getriebestufen den benötigten Platz zu schaffen. Bei einer derartigen Anordnung kann man ein Lager in der Deckplatte 62 vorsehen, um den Wellenfortsatz 46 abzustützen. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Wellenfortsatz 46 mit dem Rotor in einem Stück ausgeführt, und ein Lager am Ende der Welle 12 sorgt dafür, daß sich der Wellenfortsatz 46 und die Welle 12 mit unterschiedlicher Drehzahl drehen können.

Die Figur 6 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des mit Permanentmagnetläufer ausgestatteten Synchronmotors. Hierbei ist der Stator 116 gegenüber der vorherigen Ausführungsform nicht geändert und weist die Statorabschnitte 118,120 sowie die Flanschplatte 114 auf. Ein feststehendes koaxiales Zahnrad 210 ist mit einem Fortsatz 212 in die Lagertragbuchse 132 eingepresst und stellt zusammen mit einer Lagerhülse 136 die Lagerabstützung für die Ausgangswelle 112 dar. Ein Permanentmagnetrotor 160 mit geringem Schwungmoment weist in gleicher Weise eine dünnwandige Becherhülse 162 mit in axialer Richtung verlaufenden Rotorpolen auf. Der die Becherhülse 62 tragende Becherboden 168 ist mit einer koaxialen Bohrung 176 versehen, in die eine mit Flansch ausgestattete Lagerbuchse 172 einge-

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steckt ist. Eine zweite Bohrung 214 im Rotorbecherboden 168, die zur Bohrung 176 exentrisch angeordnet ist, dient zur Aufnahme einer Lagerhülse 216, in der wiederum die Welle 218 eines abgesetzten Zahnrades 220 mit den beiden Zahnradabschnitten 222 und 224 Aufnahme findet. Das abgesetzte Zahnrad 220 wird gegenüber dem Rotor 160 durch eine Haltescheibe 226 festgelegt. Auch die Rotoruntergruppe ist aus dem Wellenfortsatz 146 mit Hilfe einer Haltescheibe 228 so festgelegt, daß das Teilzahnrad 222 des abgesetzten Zahnrades mit dem Ausgangszahnrad 152 kämmt, während das zweite Teilzahnrad 224 in das feststehende Zahnrad 210 eingreift. Im Betrieb treibt das vom Rotor 160 angetriebene abgesetzte Zwischenzahnrad 220 die Ausgangswelle 112 mit einer Drehzahl, die langsamer ist als die Drehzahl des Rotors 160.

Die sehr kompakte und koaxiale Zahnradgetriebeübersetzung, die innerhalb des Rotors mit geringem Schwingmoment angeordnet ist, ermöglicht eine niedrige Ausgangswellendrehzahl bei Permanentmagnet-Synchronmotoren geringer Größe, ohne daß dabei die Ausrichtung des Motors und die Stabilität der Welle nachteilig beeinflußt werden , und ohne daß die Gesamtabmessungen des Motorgehäuses wachsen.

Mit der Erfindung ist somit ein Permanentmagnet-Synchronkleinstmotor geschaffen, der einen ringförmigen Stator und einen becherförmigen Permanentmagnetrotor aufweist, welcher einen zylindrischen Innenraum umschließt. Der Rotor wird so im Stator gelagert, daß er sich um die Motorachse dreht und gegenüber dem Stator einen höhlzylindrischen Luftspalt aufweist. Die Statorspulen können so erregt werden, daß sich der Rotor gegenüber dem Stator dreht. Eine koaxiale Ausgangswelle steht an einem Ende des Stators von diesem ab, und eine stillstehende Lagertragbuchse für die Ausgangswelle erstreckt sich in den durch den Rotor gebildeten Innenraum hinein. Ein aus Zahnrädern zusammengesetztes Getriebe ist im Raum zwischen dem inneren Ende der Lagertragbuchse und dem Boden des becherförmigen Rotors untergebracht und zwischen Rotor und Ausgangswelle eingeschaltet, um ein bestimmtes Dreh-

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zahlübersetzungsverhältnis zwischen Rotor und Ausgangswelle
zu schaffen. Der Getriebezug enthält wenigstens drei Zahnradglieder, von denen das erste fliegend an der feststehenden
Lagertragbuchse gehaltert, das zweite fliegend am geschlossenen Bodenende des becherförmigen Rotors angebracht und das dritte auf der Ausgangswelle befestigt ist, wobei eines der Zahnradelemente ein aus zwei Zahnradteilen bestehendes abgesetztes
Zahnrad ist, das gegenüber der Ausgangswelle versetzt ist und in die anderen beiden Zahnradelemente , die zur Ausgangswelle koaxial liegen, eingreift.

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Claims

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GENERAL SCANNING, INC.
150 Coolidge Hill Road,Watertown, Mass. (V.St.A.)

Synchron-Kleinstmotor mit Permanentmagnetläufer

Patentansprüche

( 1.)) Synchron-Kleinstmotor mit Permamentmagnetläufer, der um die Motorachse drehbar in einem ringförmigen Stator mit hohlzylinderförmigen Luftspalt zwischen Rotor und Stator gehaltert ist, wobei der Stator Erregerspulen aufweist, die zum Antrieb des Motors erregt werden, und der Motor eine zum Rotor koaxiale, an einem Ende vom Stator vorragende Welle aufweist,die

in einer ortsfesten Lagerbuchse gelagert ist und über ein Getriebe, das eine bestimmte Drehzahlherabsetzung bewirkt, vom Rotor angetrieben ist, da durch gekennzeichnet, daß der Rotor (50)becherförmig ausgebildet ist, daß die feststehende Lagerbuchse (32)in den Hohlraum des becherförmigen Rotors (60)hineinragt, daß das Zahnradübersetzungsgetriebe im Raum zwischen dem inneren Ende (86) der Lagerbuchse 32 und dem Boden (68)des becherförmigen Rotors(60)untergebracht ist^und daß das Zahnradübersetzungsgetriebe aus wenigstens drei Zahnrad-

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elementen(52, 74,80; 152, 210, 22o)zusammengesetzt ist, von denen ein erstes Zahnradelement (80; 21O) freitragend an der feststehenden Lagerbuchse(32; 132) befestigt ist, ein zweites Zahnradelement (74; 220)freitragend im Boden des becherförmigen Läufers (60, 160) befestigt ist und ein drittes Zahnradelement 52; 152 auf der Ausgangswelle (12; 112) sitzt, wobei eines der Zahnradelemente (80; 2 20) ein abgesetztes Doppel zahnrad (82 ,84 ; 222,224) ist und aus der Achsrichtung der Ausgangswellef12; 112)und der anderen beiden Zahnradelemente (52,74; 210, 152), die mit der Ausgangswelle koaxial sind, heraus^ersetzt ist.

2.) Motor nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß der Innenhohlraum des becherförmigen Rotors (60; 160)etwa 25 mm Durchmesser besitzt.

3.) Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die feststehende Lagerbuchse(32; 132) die Ausgangswelle fi 2;112)über eine Strecke von wenigstens der halben axialen Länge des becherförmigen Rotors (60;160)abstützt.

4.) Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Rotor (60,160)eine Vielzahl von in einem Plastikträgermaterial eingebetteten magnetischen Partikeln enthält, die in einer Weise magnetisiert sind, daß sie über den Umfang gleichmässig verteilte, axial verlaufende Rotorpole bilden.

5.) Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgangswelle 12,112 einen koaxialen Wellenfortsatz (46,146) von geringerem Durchmesser als die Ausgangswelle aufweist, auf dem der becherförmige Rotor(60,160)fliegend gehaltert ist.

6.) Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Wellenfortsatz(46)in der Ausgangs-

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welle festgelegt ist.

7.) Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a du r c h gekennzeichnet , daß das abgesetzte Doppelzahnrad f 80) des Übersetzungsgetriebes am Stator befestigt ist.

8.) Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das abgesetzte Doppelzahnrad 220 des Übersetzungsgetriebes mit dem Rotor(160)verbunden ist.

9.) Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn ζ e ich η et, daß das Schwungmoment des Rotors (60,160)geringer als 15 g cm ist.

10.} Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kenn zeichnet, daß die Wandstärke des Hülsenteils 62,162 des becherförmigen Rotors ("60,160) weniger als 4mm beträgt.

11.) Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß ein von der Ausgangswelle abragender Zapfen oder Fortsatz f46,146) den Rotor (60,160) trägt.

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