DE3915356A1 - Elektromotor in resonanzfaehigem geraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.

Ein solcher einspuliger Motor ist aus der DE-OS 22 60 069 bekannt. Eine ähnliche Konstruktion ist im DE-GM 87 02 271 auch beschrieben.

Solche Motoren sind z. B. in Kraftfahrzeugen oder in Büro­ geräten, im allgemeinen in Blechwänden, montiert, welche mechanisch und akustisch zu Schwingungen neigen. Letztere sollen möglichst vermieden werden, wobei eine wirtschaftlich günstige Herstellung gefordert ist.

Aus der DE-OS 35 28 121 ist eine Anordnung vorbekannt, bei der für ein Gleitlager für Präzisionslauf auf eine ein- oder mehrflächige Laufbuchse zur Erzeugung einer sogenannten zweiten Kraft zur Verringerung von Laufschwankungen im Raum zwischen den beiden Doppellagerhälften eine Seitenkraft ausgeübt wird. Hierbei wird jedoch ein Aufwand erforderlich, der bei gattungsgemäßen Motoren im Sinne der nachfolgenden Aufgabe nicht gerechtfertigt erscheint und deshalb nachteilig ist.

In der DE-OS 38 08 222 ist ein besonders flacher Gleichstrom­ motor beschrieben, dessen asymmetrische Anordnung des Statorjochs auch eine Seitenkraft auf die Lagerung ausübt, aber durch die endseitige Anordnung einen sogenannten "Kantenlauf" verursacht, d. h. die Welle wird in der Lagerung verkantet.

Aus der DE-OS 28 04 549 ist ein einfacher Motor mit ebenem Luftspalt, der kollektorlos betrieben wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Wenn ein solcher Motor in senkrechter Betriebslage ohne seitliche Lagerlast läuft, neigt er zu stärkerer Geräuschbildung. Diese soll im Sinne der vorliegenden Erfindung gemildert bzw. verhindert werden und zwar mit geringstem Aufwand. Auch wenn der übrige Aufbau des Gerätes nicht zu Resonanzschwingungen neigt, sollte trotzdem eine gute Laufruhe erreicht werden. Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Motor nach dem Oberbegriff, insbesondere bei einem sehr einfach aufgebauten, wie dort unter insbesondere charakterisiert, die Geräusch- und Körperschallanregung bei einem preiswerten, montagefreundlichen Serienprodukt gemäß dem Oberbegriff motor- und montageseitig zu beseitigen oder drastisch zu verringern.

Die Lösung der Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gegeben. Durch solche bezüglich der Rotorachse unsymmetrische Gestaltung von Teilen des magnetischen Kreises, insbesondere von statorseitigen ferromagnetischen Teilen, wird eine aufgabengemäße Lösung erzielt.

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

Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Motor mit ebenem Luftspalt im Schnitt in vergrößerter Darstellung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motors mit zylindrischem Luftspalt im Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 4,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3 ohne Wicklung,

Fig. 5 ein erstes Schaltschema und

Fig. 6 ein zweites Schaltschema zum Betrieb des erfindungsge­ mäßen Motors.

In Fig. 1 ist ein Elektrokleinmotor mit einem permanent­ magnetischen Rotor 1 in vergrößerter Darstellung gezeichnet. Ein Rotormagnet 2 kann, wie abgebildet, aus vier Magnetsegmenten bestehen. Der Rotormagnet 2 ist konzentrisch an einem Halte­ teil 3, als Spritz- oder Druckgußteil aus Kunststoff gefertigt, befestigt.

Das Halteteil 3 enthält eine weichmagnetische Scheibe 4, die an einer Stirnseite des Rotormagneten 2 anliegt. An der einen Stirnseite des Halteteils 3 ist der Rotormagnet 2 befestigt, während sich auf der anderen Stirnseite ein Lüfterrad 5, vor­ zugsweise einteilig mit dem Halteteil beispielsweise als Spritzteil ausgeführt, befindet. Eine Welle 6 wird wie auch die Scheibe 4 umspritzt und ist dadurch drehfest mit dem Halteteil 3 verbunden. Die Welle 6 kann aber auch in der zentrischen Bohrung des Halteteils 3 mittels Klebung, Preßsitz oder anderer Verfahren befestigt sein.

Der Stator 7 des erfindungsgemäßen Motors enthält u. a. ein Lagertragteil 8. An der axial äußeren Stirnseite 10 des Lagertragteils 8 ist eine zentrische Senkbohrung 16 vorgesehen, deren Durchmesser größer ist als die Lagerbohrung 17. Ein Anlaufplättchen 18, das am Außendurchmesser gegen axiale Verschiebung befestigt ist, schließt die Senkbohrung 16 ab. Das als Kuppe 19 ausgebildete Ende der Welle 6 läuft durch den magnetisch axialen Zug gegen das Plättchen 18 an. Ein Sicherungsring 20, an der Welle 6, verhindert das Heraus­ faIlen des Rotors. Auf dem äußeren Mantel des Lagertragteils 8 ist eine Gehäuseschale 9 mit einem ebenen Boden 21 und einem im wesentlichen zylindrischen Rand 22 befestigt.

Am Boden 21 liegt ein Eisenkern 11 an, der mit einem Kunststoffmantel 23 umspritzt ist. An der vom Boden 21 abseitigen Stirnseite des Eisenkerns 11 ist radial am äußeren Rand ein Steuermagnet 24 angeordnet, der ebenfalls zu einem Teil im Kunststoffmantel 23 integriert ist.

In axialer Richtung anschließend ist auf dem äußeren Mantel des Lagertragteils 8 eine Arbeitswicklung 12 und eine D-förmige Scheibe aus Dynamoblech befestigt.

Diese Scheibe besteht aus dem D-förmigen Teil 13 und einem halbkreisförmigen Haltesteg 14. Der Außendurchmesser des halbkreisförmigen D-Teiles 13 sollte gleich oder kleiner sein, als der Innendurchmesser 15 des Rotormagneten 2, und diese Scheibe (13, 14) sollte axial gesehen zwischen dem Wicklungs­ kopfende und einer Stirnseite des Rotormagneten 2 angeordnet sein. Dadurch wird erreicht, daß die durch die exzentrische Gestaltung des magnetischen Kreises erzeugte resultierende Seitenkraft axial etwa in der Mitte zwischen den beiden Lagerstellen 30, 40, der Welle 6 angreift. Ein sogenannter "Kantenlauf" wird so verhindert und damit die Lebensdauer der Lagerstellen erhöht.

Fig. 2 zeigt die Ausführungsform der Scheibe 13, 14, deren Anordnung und Form die Asymmetrie des Magnetkreises bewirkt, im Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Auf die Darstellung weiterer Einzelheiten des Motors wurde verzichtet, weil die Erfindung in verschieden ausgeführten Motortypen zur Anwendung kommen kann.

Im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 wurde ein kollektorloser Gleichstrommotor verwendet mit permanentmagnetischem Rotor 1 und mit einer motorisch wirkenden Arbeitswicklung 12, welche ein- oder zweipulsig zur Erzeugung eines erregenden statorseitigen Wechselfeldes gespeist wird und in Verbindung mit mindestens einem weichmagnetischem und/oder permanentmagnetischen, stator­ seitigen Teil, das eine definierte Startstellung des Rotormagneten als auch ein Reluktanzmoment erzeugt.

Zur Verhinderung störenden Polruckens überdeckt die Fläche der Scheibe mit ihrem D-förmigen Teil ein Polpaar oder ein ganzzahliges Vielfaches (bis max. p-1).

Bei einem zweipoligen Motor wird vorzugsweise nur ein Pol überdeckt, wobei entsprechendes Polrucken in Kauf genommen werden muß, aber auch hier wird eine Laufgeräuschminderung erreicht.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung als genuteter Außenläufermotor (elektronisch kommutiert) mit zylindrischem Luftspalt gezeigt.

Eine Rotorglocke 33 enthält den Rotormagneten 2, der aus vier Segmeneten besteht. Die Welle 6 ist drehfest zentrisch im Boden 34 der Rotorglocke 33 befestigt. Auf dem Lagertrag­ teil 18, das in seiner Ausführung dem in Fig. 1 entspricht, ist ein Statorblechpaket 41 mit Statorblechen 42 befestigt, deren exzentrische Außenkontur in Fig. 4 zu sehen ist. Bei dieser vierpoligen Ausführung weist ein Polpaar einen kleineren Außendurchmesser auf. Dadurch entsteht auf einer Seite ein größerer Luftspalt 43 und auf der anderen Seite ein kleinerer Luftspalt 44. Auch hier wird durch die exzentrische Gestaltung des magnetischen Kreises erreicht, daß eine resultierende Seitenkraft zwischen den Lagerstellen angreift und so die Welle 6 in derselben Richtung gegen die Lagerstellen 30, 40 drückt. Die, die Nuten 45, im wesentlichen ausfüllende Arbeitswicklung 72 wurde in Fig. 4 weggelassen. Die erwähnte Seitenkraft wird auch erzeugt, wenn nur einige Statorbleche asymmetrisch im Statorblechpaket angeordnet sind. Außerdem kann zur Erzeugung der oben näher beschriebenen Seitenkraft ein Statorpaket mit symmetrischen Statorblechen, deren Mittenbohrung exzentrisch ist, verwendet werden.

Entsprechende Veränderungen am Rotor, wie z.B. die Anordnung einer Stahlscheibe (ähnl. ausgebildet wie Scheibe 13, 14) an der Außenkontur des Rotormagneten, bewirken auch die gewünschte Seitenkraft auf die Lagerstellen.

Bei mechanisch kommutierten Motoren (meist zweipolig) kann eine Seitenkraft auf die Lagerstellen durch eine gezielte Exzentrität zwischen Anker und Stahlmagnet erreicht werden.

Fig. 5 zeigt eine erste Schaltung zum Betrieb des erfindungs­ gemäßen Motors. Die Stromzufuhr erfolgt über Leitungen 70, 71. Ein Teil dieser Schaltung ist als sogenannte Stromspiegel­ schaltung aufgebaut und besteht aus den Widerständen 72, 73 und den Transistoren 75, 76. Der Strom, der durch den Wider­ stand 72 fließt, ist gleich groß wie der Strom, der durch den Widerstand 73 fließt, wenn die Spannung an der Tachowindung 52 gleich 0 ist. Solange die Tachospannung 0 ist, liegt das Kollektorpotential (Transistor 76) auf etwa halber Betriebs­ spannung, d. h. Transistor 75 ist leitend. Der Anlauf des Motors ist dadurch sichergestellt. Sobald der Motor dreht, wird in der Tachowindung 52 eine Spannung induziert. Der Transistor 76 und damit auch ein Transistor 77 werden dadurch phasenrichtig ein- und ausgeschaltet, so daß in der Stator­ spule 81 der erforderliche pulsierende Strom fließen kann.

Ein Kondensator 79 und ein Widerstand 74 bilden ein RE-Glied, das Störspannungen unterdrückt und die Steilheit der Strom­ flanken verringert, wodurch eine weitere Laufgeräuschverbesse­ rung erreicht wird. Eine Zenerdiode 80 bewirkt den Hoch­ spannungs- und Falschpolschutz.

Auf dem Kondensator 61 in Fig. 3 der Stammanmeldung P 38 38 367.5 kann verzichtet werden, da sich gezeigt hat, daß in vielen Anwendungsfällen hochfrequente Störspannungen nicht auftreten. Durch die Einsparung dieses Kondensators 61 kann an anderer Stelle der Schaltung (Fig. 5) mehr aufgewendet werden. So ist beispielsweise der Widerstand 72 zwischen der Plusleitung 70 und dem Transistor 75 eingefügt. Der Transistor 75 wird mittels einer Leitung 78 (Kurzschlußkollektor/Basis des Transistors 75) zu einem Bauteil kommen, das die Funktion der Diode 53 in Fig. 3 der Stammanmeldung P 38 38 367.5 über­ nimmt. Durch das Einsetzen des Transistors 75 statt der Diode 53 werden zwar keine Kosten gespart aber es wird eine weitere Vereinfachung erreicht. Es können drei gleiche Bauelemente (Transistoren 75, 76, 77) verwendet werden. Der Transistor 76 dient zur Verstärkung des Tachosignals aus der Tachowindung 52.

Mit dem Widerstand 72 wird u. a. der Strom für den Transistor 75 eingestellt. Vorteilhaft für ein gutes Anlaufverhalten des Motors (Statorspule 21) ist es, den Widerstand 73 kleiner aus­ zulegen als den Widerstand 72, beispielsweise etwa um den halben Betrag.

Das bessere Anlaufen des Motors ist insbesondere bei extremen Bedingungen (z. B. Temperaturen von -40°C und/oder bei niedri­ ger Spannung von etwa 5 V), die beispielsweise beim Automobil auftreten, dessen Stromversorgung über eine 12 V-Batterie er­ folgt, erforderlich.

Eine weitere Betriebsschaltung zeigt Fig. 6. Die Statorspule besteht hierin aus Spulen 81, die vorzugsweise bifilar ge­ wickelt als eine Spule ausgeführt sind. Die beiden Spulen 81 werden wechselseitig von einem Hall-IC 90 über Transistoren 94 und 95 eingeschaltet. Für einen flachen Stromanstieg und Stromabfall sorgen Kondensatoren 93 und 97 und, wenn die Be­ triebsschaltung als IC ausgeführt ist, IC-interne Widerstände. Hierdurch wird eine Laufgeräuschminderung bewirkt und Stör­ spannungen verhindert. Zenerdioden 92, 96 und 98 zusammen mit einem Vorwiderstand 91 und den Wicklungswiderständen bewirken Falschpolschutz und Hochspannungsfestigkeit.

Claims (12)

1. Elektromotor zum Betrieb in resonanzfähigem Gerät, insbe­ sondere kollektorloser Gleichstrommotor mit permanentmag­ netischem Rotor und mit einer motorisch wirkenden Arbeits­ wicklung, welche ein- oder zweipulsig zur Erzeugung eines erregenden statorseitigen Wechselfeldes gespeist wird, und mit mindestens einem weichmagnetischen und/oder permanent­ magnetischen statorseitigen Teil, das eine definierte Startstellung des Rotormagneten, als auch ein Reluktanz­ hilfsmoment erzeugt und mit elastischen Federmitteln paral­ lel zur Rotorachse wirkend, die zwischen einem Motortrag­ teil und dem Statorteil über dem Umfang des Stators ver­ teilt, vorgesehen sind nach Patent (Patentanmeldung P 38 38 367.5), dadurch gekennzeichnet, daß magnetische Kräfte zwischen axial distanzierten Lagerstellen (30, 40) der Welle (6) angreifen und quer zur Rotorachse wirken, die durch exzentrische Gestaltung von Teilen des magnetischen Krei­ ses des Motorfeldes erzeugt werden.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrische Gestaltung über dem Umfang des Stators verteilt vorgesehen ist.

3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer D-förmigen Scheibe (13, 14) aus Dynamo­ blech, die in axialer Richtung zwischen dem Rotormagneten (2) und der Arbeitswicklung (12) angeordnet ist, eine senkrecht bzw. schräg auf die Welle wirkende magnetische Kraft erzeugt wird.

4. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der D-förmige Teil (13) der Scheibe bei einem zweipoligen Motor einen Pol des Rotor­ magneten (2) und bei mehrpoligen Motoren ein Polpaar oder ein ganzzahliges Vielfaches der Rotorpole überdeckt.

5. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des D- förmigen Teils (13) gleich oder geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Rotormagneten (2).

6. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit zylin­ drischem Luftspalt dadurch gekennzeichnet, daß das Statoreisen aus einem Paket von Statorblechen (42) be­ steht, deren Außenkontur exzentrisch ausgebildet ist.

7. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Statorbleche (42) exzentrisch aus­ gebildet sind.

8. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Statorblechpaket (41) aus symmetrischen Statorblechen (42) mit einer exzentrischen Mittenbohrung versehen ist.

9. Schaltung zum Betrieb eines Elektromotors, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das eine Ende einer Tachowindung (52) mit der Basis eines ersten Transistors (75) verbunden ist, dessen Kollektor mit einem ersten Widerstand (72) in Reihe liegt, und daß das andere Ende der Tachowindung (52) mit der Basis eines zweiten Transistors (76) verbunden ist, dessen Kollektor mit einem zweiten Widerstand (73) in Reihe liegt.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren (75, 76) und ein weiterer Transistor (77) baugleich sind.

11. Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (73) so ausgelegt ist, daß er im Betrag etwa halb so groß ist wie der erste Widerstand (72).

12. Geräuscharmer Elektrokleinmotor, insbesondere kollektor­ loser Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor und mit einer motorisch wirkenden Arbeitswicklung, welche ein- oder zweipulsig zur Erzeugung eines erregenden statorseitigen Wechselfeldes gespeist wird, und mit mindestens einem weichmagnetischen und/oder permanentmag­ netischen statorseitigen Teil, das eine definierte Start­ stellung des Rotormagneten, als auch ein Reluktanzhilfs­ moment erzeugt und mit elastischen Federmitteln parallel zur Rotorachse wirkend, die zwischen einem Motortragteil und dem Statorteil über dem Umfang des Stators verteilt, vorgesehen sind nach Patent (Patentanmeldung P 38 38 367.5), dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitswicklung (81) bifilar gewickelt ist und von einem Hall-Sensor (90) über Transistoren (94, 95) wechselseitig angesteuert wird.