NL9002624A - Miniatuurmotor. - Google Patents

Description

MINIATUURMOTOR

De uitvinding heeft betrekking op een miniatuurmo-tor, omvattende een stator, een rotor, een legering voor het draaibaar legeren van de rotor, een rotoras welke is gekoppeld aan de rotor, en electrische verbindingsorganen voor het electrisch verbinden van de stator met een voedingsbron, waarbij de diameter van de rotor ten hoogste van de grootte-orde is van 1 mm.

De laatste jaren is veel onderzoek verricht naar het miniaturiseren van mechanische systemen, hetgeen heeft geleid tot een nieuw vakgebied micromechanica. Voorbeelden van geminiatu-riseerde mechanische systemen zijn druk- of stromingssensoren en actuatoren zoals microresonatoren en miniatuurmotors. Voor het vervaardigen van dergelijke systemen past men geavanceerde dunne-film-technieken toe. Een bekende miniatuurmotor bestaat uit een aantal electroden die een stator vormen en die samenwerken met een door een diëlectricum gevormde rotor, waarbij het koppel wordt geproduceerd door het opwekken van een electrisch veld. Deze elektrostatische miniatuurmotor heeft evenwel slechts een zeer korte levensduur, dat wil zeggen tot enige honderden omwentelingen, die het gevolg is van door rotatiewrijving veroorzaakte slijtage van de dun-ne-filmlegers van de motor. Verder vertoont deze miniatuurmotor een laag maximaal toerental en is ook het uitgangsvermogen beperkt.

Doel van de onderhavige uitvinding is een verbeter- de miniatuurmotor te verschaffen die bovendien eenvoudig te vervaardigen is.

Hiertoe wordt overeenkomstig de uitvinding een miniatuurmotor van de in de aanhef genoemde soort verschaft, met het kenmerk, dat de rotor in hoofdzaak bestaat uit een magnetisch materiaal voor het vormen van een aantal magneetpolen die verdeeld zijn aangebracht rondom de rotoras, en dat de stator wordt gevormd door een aantal statorwikkelingen welke rondom de rotor op afstand hiervan zijn opgesteld.

Op verrassende wijze is gebleken dat met een normaal bedrijf van de miniatuurmotor volgens de uitvinding corresponderende electrische stroomdichtheden in de orde van enige honderden ampere per vierkante millimeter toelaatbaar zijn. Dergelijke electrische stroomdichtheden kunnen niet worden bereikt met gangbare dunne-filmtechnieken en liggen ver boven de tot dusver toelaatbaar geachte electrische stroomdichtheden bij conventionele motoren die werkzaam zijn op basis van een opgewekt magnetisch veld. Een mogelijke verklaring voor het onverwacht toelaatbaar zijn van de genoemde hoge electrische stroomdichtheden is dat, ofschoon er sprake kan zijn van een zeer hoge dissipatie, de rondom de rotor opgestelde statorwikkelingen aanleiding geven tot een binnen aanvaardbare grenzen gelegen stroombelegging.

Verdere kenmerken en voordelen van de miniatuurmotor volgens de uitvinding zullen duidelijk worden na lezing van de hierna volgende beschrijving van een voorkeursuitvoering van de mi -niatuurmotor volgens de uitvinding, waarbij wordt verwezen naar de bijgaande tekening, waarin: fig. 1 op schematische wijze een langsdoorsnede-aanzicht toont van een voorkeursuitvoering van de miniatuurmotor volgens de uitvinding; fig. 2 een zijaanzicht toont van de miniatuurmotor volgens fig. 1 langs de lijn II-II; fig. 3 een dwarsdoorsnede-aanzicht toont van de miniatuurmotor volgens fig. 1 langs de lijn III-III; fig. 4 een schematische voorstelling is van een statorwikkeling van de miniatuurmotor volgens fig. 1; en fig. 5 een electrisch schema toont van de onderlinge verbinding van de statorwikkelingen en de verbinding met aan-sluitpennen van de miniatuurmotor volgens fig. 1.

De in fig. 1 volgens een langsdoorsnede weergegeven voorkeursuitvoering van de miniatuurmotor volgens de uitvinding omvat een rotor 1 die is gemonteerd op een rotoras 2 die draaibaar is gelegerd in legers 3. De rotor 1 is ondergebracht in een cilindervormig statorhuis 4, aan de binnenwand waarvan, in dit geval vier, statorwikkelingen 5 zijn aangebracht, bijvoorbeeld onder toepassing van een hechtmiddel. Het statorhuis 4 kan bijvoorbeeld van een zacht-magnetisch of een niet-magnetisch materiaal zijn vervaardigd.

Aan een einde van het statorhuis 4 steekt de rotoras 2 uit om te kunnen worden gekoppeld aan een, niet weergegeven, belasting, terwijl aan het andere einde van het statorhuis 4 in een electrisch verbindingsorgaan 6 is voorzien dat drie aansluitpennen 7a, 7b en 7c, omvat die electrisch zijn verbonden met aansluitein-den 8 van de statorwikkelingen 5. De aansluitpennen 7 zijn gemonteerd op een cirkelvormige kunststofplaat 9, welke nader is weergegeven in fig. 2 waarin een zijaanzicht van de motor volgens fig. 1 is weergegeven langs de lijn II-II.

Het in fig. 3 getoonde dwarsdoorsnede-aanzicht langs de lijn III-III van fig. 1 laat een verdikking 10 zien van de rotoras 2, waaromheen twee magneetpolen 11 zijn aangebracht. De rotoras 2 is van staal vervaardigd, terwijl de magneetpolen 11 van een permanent-magneetmateriaal zijn vervaardigd. De magneetpolen kunnen als één geheel zijn gevormd als kunststofmagneet. De verdikking 10 kan zijn gevormd als één geheel met de rotoras maar ook bijvoorbeeld als een om de rotoras passende bus van een zacht-fer-romagnetisch materiaal voor het geleiden van de magnetische flux. De legers 3 kunnen van het type zijn zoals wordt toegepast in de horloge-industrie en zijn bijvoorbeeld van corundum. Ook kunnen zij bijvoorbeeld bestaan uit kogellagers. De legers 3 worden ingeklemd door het statorhuis 4.

In fig. 4 is een statorwikkeling 5 nader geïllustreerd. De statorwikkeling 5 bestaat uit een aantal, in dit geval acht, spiraalgewijs gewikkelde windingen 12 van geïsoleerd gelei-derdraad, bijvoorbeeld gelakt koperdraad, met rechthoekige doorsnede, bijvoorbeeld 20 x 50 (μπι)2. Doordat het geleiderdraad is gewonden met de korte zijden in het vlak van de tekening, kan de aldus verkregen wikkeling gemakkelijk aan de kromming van de binnenwand van het statorhuis 4 en de cirkelvormige buitenomtrek van de rotor 1 worden aangepast. Aan de aansluiteinden 8 is het geleiderdraad over 90° getordeerd, teneinde gemakkelijk langs één van de legers 3 naar het electrische verbindingsorgaan 6 te kunnen worden geleid via in het statorhuis 4 aan een einde daarvan aangebrachte sleuven 13 (zie figuur 3). Aldus kunnen de legers 3 identiek zijn en kunnen de aansluiteinden 8 van de statorwikkelingen gemakkelijk om de plaat 9 worden gebogen voor een onderlinge verbinding en een verbinding met de aansluitpennen 7. Bovendien kan de buitendiameter van de miniatuurmotor mede hierdoor worden beperkt.

Het geleiderdraad met rechthoekige doorsnede kan op geschikte wijze worden verkregen door het één of meermalen door middel van een walsinrichting platwalsen van een geleiderdraad met een cirkelvormige doorsnede. Voor het verkrijgen van een rechthoekige doorsnede van 20x50 (μπι)2 is een diameter van 36 μ m geschikt gebleken.

Een statorwikkeling 5 kan ook worden gevormd door op een, niet weergegeven, drager gedrukte stroomgeleiderbanen onder toepassing van op zich bekende opdamp- of etstechnieken. Het patroon van de stroomgeleiderbanen kan bijvoorbeeld in hoofdzaak rechthoekig zijn met meandere lijnen en/of een ofmeer tot vlakken verbrede banen. De drager is bij voorkeur buigzaam of op geschikte wijze voorgevormd voor een gemakkelijke aanpassing aan de gekromde binnenwand van het statorhuis 4.

De aldus vormgegeven stator en rotor maakt de miniatuurmotor bijzonder geschikt om te worden gebruikt als een synchrone motor. Mits op een passende wijze gevoed, is de miniatuurmotor volgens de uitvinding ook geschikt om werkzaam te zijn als stappenmotor.

In fig. 5 is een electrisch schema weergegeven dat de verbindingen van de vier statorwikkelingen 5 met de aansluitpen-nen 7 toont. De wikkelzin van elk van de wikkelingen 5 is met een stip aangeduid. Telkens zijn twee tegenover elkaar gelegen statorwikkelingen 5 in serie verbonden voor het aldus verschaffen van een tweefasige, tweepolige stator.

Het zal duidelijk zijn dat, bijvoorbeeld afhankelijk van het aantal magneetpolen van de rotor en/of van de toegepaste voedingsbron voor de miniatuurmotor, een gewijzigd aantal statorwikkelingen kan worden toegepast en dat de statorwikkelingen, op een andere wijze onderling kunnen worden verbonden. Zo kan de beschreven stator met vier statorwikkelingen 5 eenvoudig geschikt worden gemaakt voor het vormen van een vierpolige stator door de stroom-/wikkelzin gelijk te kiezen voor alle vier de wikkelingen. De rotor dient dan uiteraard vier magneetpolen te bezitten om aldus een vierpolige miniatuurmotor te verkrijgen.

In dit geval is een tweefasig spannings- of stroomstelsel een geschikte voedingsbron voor de miniatuurmotor. De voedingsbron kan gemakkelijk via de aansluitpennen 7 met de motor electrisch worden verbonden. Dit is van groot belang voor een goede hanteerbaarheid van de miniatuurmotor zonder het gevaar van een beschadiging van bijvoorbeeld de aansluiteinden 8 van de statorwikkelingen 5.

De door de voedingsbron afgegeven spannings- respectievelijk stroomvormen zijn bij voorkeur zodanig gekozen, dat pulsaties in het elektromagnetische koppel van de motor beperkt zijn. Dit is van belang omdat, in tegenstelling tot bij motoren van relatief grote afmetingen, de verhouding van het elektromagnetische koppel tot het traagheidsmoment van de motor en de belasting zeer groot is waardoor gemakkelijker fluctuaties in de hoeksnelheid van de rotoras kunnen optreden bij pulsaties in het koppel.

Een gerealiseerde synchrone miniatuurmotor volgens de uitvinding had de volgende specificaties: lengte statorhuis 2,3 mm diameter statorhuis 1 mm diameter rotor 0,7 mm diameter rotoras 0,2 mm buitenafmetingen statorwikkeling 0,6 x 1,5 mm doorsnede geleiderdraad: 20 x 50 (pm)^.

De aldus gerealiseerde miniatuurmotor werd beproefd bij kamertemperatuur, waarbij de door de voedingsbron geleverde fasestroom geleidelijk werd opgevoerd.

Op verrassende wijze bleek een met een effectieve fasestroom van 300 mA corresponderende electrische stroomdichtheid van 300 A/mm^ toelaatbaar. Een dergelijke electrische stroomdichtheid ligt ver boven de maximaal toelaatbaar geachte electrische stroomdichtheid voor magnetische motoren. Het toerental van de motor bedroeg daarbij omstreeks 6000 omwentelingen per minuut en de motor bleef gedurende enige weken onafgebroken werkzaam. Een geforceerde koeling, bijvoorbeeld door een luchtstroming of het plaatsen van de miniatuurmotor in een koelvloeistof is niet nodig. Het werkgebied van de miniatuurmotor strekt zich uit van 0 tot 60.000 omwentelingen per minuut.

De hierboven beschreven miniatuurmotor heeft aldus een eenvoudige en zeer compacte constructie waarbij de invloeden van toleranties van de beschreven onderdelen gering zijn. Hierdoor kan een reproduceerbaar resultaat worden verkregen bij in serie vervaardiging van de miniatuurmotor.

Opgemerkt zij dat de ruimte tussen de stator en de rotor zonder bezwaar een vloeistof kan bevatten, hetgeen voor bepaalde toepassingen voordelig kan zijn.

Het zal voor de deskundige duidelijk zijn dat vele wijzigingen in de hierboven beschreven voorkeursuitvoering van de miniatuurmotor mogelijk zijn zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims (11)

1. Miniatuurmotor, omvattende een stator, een rotor, een legering voor het draaibaar legeren van de rotor, een rotoras welke is gekoppeld aan de rotor, en electrische verbindingsorganen voor het electrisch verbinden van de stator met een voedingsbron, waarbij de diameter van de rotor ten hoogste van de grootte-orde is van 1 mm, met het kenmerk, dat de rotor in hoofdzaak bestaat uit een magnetisch materiaal voor het vormen van een aantal mag-neetpolen die verdeeld zijn aangebracht rondom de rotoras, en dat de stator wordt gevormd door een aantal statorwikkelingen welke rondom de rotor op afstand hiervan zijn opgesteld.

2. Miniatuurmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de statorwikkelingen zijn aangebracht op een binnenwand van een in hoofdzaak cilindervormig statorhuis waarin de rotor is opgenomen.

3. Miniatuurmotor volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat elke statorwikkeling een aantal spiraalgewijs gewikkelde windingen omvat.

4. Miniatuurmotor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de windingen zijn gevormd uit geleiderdraad met rechthoekige doorsnede, waarbij de korte zijden althans in hoofdzaak evenwijdig zijn met de buitenomtrek van de rotor.

5. Miniatuurmotor volgens één der conclusies 1t/m 3, met het kenmerk, dat de statorwikkelingen zijn gevormd door op een drager gedrukte stroomgeleiderbanen.

6. Miniatuurmotor volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de drager van een buigzaam materiaal is vervaardigd.

7. Miniatuurmotor volgens één der conclusies 3 t/m 6, met het kenmerk, dat de toelaatbare maximale stroomdichtheid in de statorwikkelingen enige honderden A/mm^ bedraagt.

8. Miniatuurmotor volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat aan de einden van elk van de windingen het geleiderdraad over 90° is getordeerd.

9. Miniatuurmotor volgens één der conclusies 1 t/m 8, met het kenmerk, dat de electrische verbindingsorganen een aantal aansluitpennen omvatten voor een electrische verbinding met de statorwikkelingen.

10. Miniatuurmotor volgens één der conclusies 2 t/m 9, met het kenmerk, dat het in hoofdzaak cilindervormige sta-torhuis aan een einde is voorzien van sleuven voor het hierdoorheen voeren van aansluiteinden van de statorwikkelingen.

11. Miniatuurmotor volgens één der conclusies 1 t/m 10, met het kenmerk, dat de stator en de rotor zijn vormgegeven voor een synchroon bedrijf van de motor.