DE102009032389A1

DE102009032389A1 - Kunststoff-Flachmotor mit hochfester stehender Metallfolienwicklung

Info

Publication number: DE102009032389A1
Application number: DE102009032389A
Authority: DE
Inventors: Peter Ortloff
Original assignee: ORTLOFF HELENE
Current assignee: Ortloff Helene Ch
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2010-01-14

Abstract

Es wird ein Kunststoffmotor (1) mit einem Spritzguss-Stator als Basiseinheit mit einem Rotor aus Magnetcompound beschrieben. Der Stator und der Rotor ohne Eisen bilden eine Konstruktionseinheit, die wahlweise ohne Sensorik mit Kommutierung, oder aber auch mit Sensorik und damit als Präzisionspositionierung betreibbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein einen bürstenlosen Gleichstrommotor und insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit Permanentmagnet-Elementen, die sich auf einem Rotor befinden. Die Erfindung ist eine Weiterentwicklung aus der Patentanmeldung DE 10 2007 004 359.9 und erweitert die Bauformen und Anwendungsgebiete.
Die ersten Anwendungen des eisenlosen Motors lieferte Michael Faraday (1791–1867), der bedeutendste Experimentalphysiker des 19ten Jahrhunderts. Obwohl die eisenlosen Maschinen zuverlässig und mit hoher Leistung funktionierten und den Eisen behafteten Motoren und Generatoren in nichts nach standen, hatte sich die damalige Fachwelt in zwei unterschiedlich große Lager aufgeteilt. In den 80iger Jahren des 19ten Jahrhunderts wurden sehr viele Wicklungsvorschläge für neue Wicklungen für die drei bekannten Prinzipien Ring-, Trommel- und Scheibenwicklungen zum Patent angemeldet. 1887 wurde in den USA von Nikola Tesla der erste technisch reife Drehfeldmotor entwickelt, der bei einer Leistung von 7,5 kW 380 kg wog.
Das Eisen verstärkt das Magnetfeld nicht in dem Sinne, dass es dem Feld der Spule ein eigenes Feld hinzufügt, sondern es verkürzt nur den verlustreicheren Weg der Feldlinien durch die Luft.
Die magnetischen Feldlinien sind reale Energielinien, die beim Verlauf in der Luft stark an Energie verlieren, je weiter sie sich von der Quelle entfernen.
Eisen hat die Eigenschaft, den Energiefluss auf diesen Energiebahnen wesentlich besser zu leiten, als das Medium Luft.
Paradox scheint allerdings dabei, dass Luftspulenmaschinen nicht das vielfache Volumen oder den vielfachen Durchmesser einer Eisenmaschine gleicher Leistung besitzen. Das Gegenteil ist sogar der Fall, denn bei optimaler technischen Umsetzung der Essenz der Energieumwandlung sind Luftspulenmaschinen kleiner als Eisenmaschinen. Der Grund dafür ist, dass Luftspulenmaschinen eine höhere Effizienz haben, die z. B. in einer kleinen Bauform und in einem hohen Wirkungsgrad sichtbar wird.
Im Bereich der eisenlosen Motoren und Generatoren gibt es wenige Patente. Einige Beispiele sind die Patente DE 103 51 815 und DE 103 35 688 . Diese Patente beschäftigen sich mit eisenlosen Motoren und Generatoren.
Für bürstenlose Motoren gibt es eine Vielzahl an Patenten. Insbesondere im Bereich von Kleinmotoren sind bürstenlose Elektromotoren beispielsweise aus US 3 988 654 und DE 10 2005 013 674 A1 bekannt. Sie lassen sich in einem Regelkreis betreiben. Zur Regelung der Motoren wird daher eine Information über die Rotorlage benötigt. Diese Information lässt sich durch eine Messung des Stromes oder durch eine Lagesensorik erreichen, bekannt sind Hallsensoren, siehe DE 32 00 664 oder US 3 988 654 .
Der Mangel der vorhanden Entwicklungen ist die geringe mechanische Stabilität der Ständerspulen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen preisgünstigen Motor mit hohem Wirkungsgrad anzugeben, den Fertigungsprozess zu vereinfachen und den Bauraum sowie das Gewicht zu reduzieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Es wird ein Kunststoffmotor mit einem Spritzguß-Stator als Basiseinheit mit einem Rotor aus Magnetcompound vorgeschlagen, wobei vorgesehen ist, dass der Stator und der Rotor ohne Eisen eine Konstruktionseinheit bilden, die wahlweise ohne Sensorik mit Kommutierung, oder aber auch mit Sensorik und damit als Präzisionspositionierung betreibbar ist.
Die Aufgabe wird weiter mit einem Verfahren zur Steuerung eines Kunststoffmotors mit einem Spritzguß-Stator als Basiseinheit mit einem Rotor aus Magnetcompound, wobei der Stator und der Rotor ohne Eisen eine Konstruktionseinheit bilden, gelöst, wobei vorgesehen ist, dass der Kunststoffmotor mit Sensorik betrieben wird. Der mit Sensorik betriebene Kunststoffmotor weist keine mechanische Kommutierung, sondern eine elektronische Kommutierung auf. Kunststoffmotoren ohne spezielle Lagesensoren, wie beispielsweise Hallsonden, fallen unter die mit Sensorik betriebenen Kunststoffmotoren.
Die Erfindung beschreibt einen Kunststoffmotor mit hohem Wirkungsgrad und hoher Effizienz sowie ein Verfahren zum Betreiben des Kunststoffmotors. Die beiden Grundbestandteile sind ein doppelter Magnetring als Rotor und ein Stator mit umspritzten Spulen.
Bei dem Magnetcompound handelt es sich um eine Mischung aus Magnetpulver und Kunststoff. Diese Mischung wird als Granulat in eine Spritzgussmaschine eingefüllt und unter Hitze und hohem Druck in die Spritzgussform gepresst.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die erfindungsgemäßen Kunststoffmotoren bei beengtem Bauraum hohe Leistungen bringen.
Die Verbesserung besteht darin, dass kein Eisen relativ gegenüber magnetischen Polen bewegt wird. In diesem Sinne handelt es sich bei der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 und Patentanspruch 12 um Motoren mit Stator und Rotor „ohne Eisen”. Damit gibt es keine Eisenverluste durch Umpolung. Des Weiteren bewirkt dieser Aufbau durch den Einsatz von Kupfer- oder Alu-Blech die Optimierung des Spulenausnutzungsgrades durch die höhere Packungsdichte, der in dem Verhältnis der wirksamen Länge gegenüber der Gesamtleiterlänge einer Windung eine deutliche Verbesserung bewirkt. Bei bevorzugten Ausführungen der Erfindung ist daher vorgesehen, keine Kernbleche einzusetzen.
Eisenlose Motoren und Generatoren als Ringläufer haben hohe Wirkungsgrade zwischen 80 und 90% bei kleinen und mittleren Leistungen. Der Wirkungsgrad wird hier nur noch durch mechanische Verluste, wie Luftreibung, Lagerreibung und elektrische Verluste, wie Kupferverluste, ohmsche Verluste, induktive Verluste, Wirbelstromverluste in der Wicklung und ggf. weitere Kommutierungsverluste gemindert.
Das Prinzip des eisenlosen Motors ist die optimale technische Umsetzung der direkten Energieumwandlung zwischen freien Leitern und Magnetfeld und beinhaltet die Optimierung des Zusammenspiels aller Vektoren B, I, v, was bedeutet, dass das Leitungskupfer optimal ins reale Feld gelegt wird, wobei auf Eisen, welches ständig umgepolt werden müsste, verzichtet wird.
Der Spulenausnutzungsgrad stellt neben der Verwendung von eisenfreien Luftspulen und der Nutzbarmachung hoher Umfangsgeschwindigkeiten das entscheidende Kriterium als Maß zur Verbesserung der elektrischen Maschinen dar.
Alle diese Verluste werden durch die Steigerung des Spulenausnutzungsgrades gegenüber einer herkömmlichen Wicklung gleicher geometrischer Abmessungen, d. h. durch das neue Maschinenkonzept gemindert, was insgesamt nicht nur zu einer erheblichen Verbesserung des Wirkungsgrades, sondern aller entscheidenden Maschineneigenschaften führt.
Optimiert wird der Aufbau, indem die Wickelköpfe oder unwirksamen Leiter der Spule in Maschinenbereiche verlegt werden, in denen sie weniger störend wirken als im hochenergetischen Umfangsbereich, so dass deren Platz von wirksamen Leitern eingenommen werden kann (d. h. Berücksichtigung des energetischen Zustandes des Ortes innerhalb einer Maschine).
Dies wird durch das Einspritzen der Kupferwicklung, im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, erreicht, wobei die Spule möglichst im Luftspalt verläuft. Der Bau eines eisenfreien Motors mit einer Wicklung aus Kupferblech bewirkt eine Verbesserung des Wirkungsgrades und erhöht den Kupferfüllgrad der Wicklung.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Kunststoffmotor ein Flachmotor ist. Unter einem Flachmotor soll eine Motorbauform verstanden sein, bei der die axiale Bauhöhe des Motors kleiner als der Durchmesser ist. Beispielsweise zählen Scheibenläufermotore zu den Flachmotoren. Flachmotore weisen vorzugsweise ein Durchmesser-zu-Höhen-Verhältnis von 2 bis 20 auf, weiter bevorzugt von 2,5 bis 10. Beispielsweise weist ein Motor mit einer axialen Bauhöhe von 12 mm und einem Durchmesser-zu-Höhen-Verhältnis von 10 einen Durchmesser von 120 mm auf.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung kann vorsehen, dass der Kunststoffmotor als ein Mikromotor ausgebildet ist, der geätzte Spulen Aufweist, die auf einer Trägerscheibe zur Stabilisierung ausgebildet ist. Ein solcher Mikromotor kann beispielsweise eine Bauhöhe von 1,2 mm und einen Durchmesser von 3 mm aufweisen. Dieser Mikromotor ist nach der vorstehenden Definition zugleich ein Flachmotor, denn er weist ein Durchmesser-zu-Höhen-Verhältnis von 2,5 auf.
Es hat sich bewährt, wenn der Sternpunkt zum Messen der Position des Rotors verwendet wird. Dabei werden die Spulen des Motors in einer Sternschaltung verbunden, wobei mit einer Dreiphasensteuerung gearbeitet wird. Die ermittelten Signale sind Sinusfunktionen mit 120° Versatz. Am Sternpunkt sind die Impedanzen messbar und geben Auskunft über die Position der Magnete im Verhältnis zu den Spulen. Spezielle Sensoren sind so nicht benötigt.
Es hat sich weiter bewährt, dass die Spannungen und Ströme in den Wicklungen, die durch die vorzugsweise vier Messeingänge gemessen werden, mit Hilfe einer „Hashtable” zum Optimieren des Motorlaufs genutzt werden. In der Informatik wird eine spezielle Indexstruktur als Hashtable oder Streuwerttabelle bezeichnet. Beim Einsatz einer Hashtable spricht man auch von einem Hashverfahren oder Streuspeicherverfahren. Es handelt sich um einen Algorithmus zum Suchen von Datenobjekten in großen Datenmengen. Er basiert auf der Idee, dass eine mathematische Funktion die Position eines Objektes in einer Tabelle berechnet. Dadurch erübrigt sich die Durchsuchung vieler Datenobjekte und wird die Anzahl der Rechenoperationen reduziert, bis das Zielobjekt gefunden ist. Gegenüber dem herkömmlichen Verfahren, aus den Messwerten Regelungsvektoren zu berechnen, wird der Aufwand an Rechenleistung beträchtlich reduziert und der Ablauf beschleunigt.
Die Erfindung betrifft zunächst nahezu alle mechanisch und elektronisch kommutierten Gleichstrommaschinen, sowie die synchronen Wechselstrom- und Drehstrommaschinen mit all ihren Ausgestaltungen und Wicklungsformen für linear und rotierende Motoren und Generatoren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen bezeichnet.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kunststoffmotor in einer schematischen Schnittdarstellung;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kunststoffmotor in einer schematischen Schnittdarstellung;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kunststoffmotor in einer schematischen Schnittdarstellung;
4 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung der Magnetpole;
5 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung der Magnetwicklungen.
1 zeigt einen als bürstenlosen Gleichstrommotor ausgebildeten Kunststoffmotor 1, der folgenden Aufbau besitzt:
Zwei gespritzte Magnetringe 11 mit Magnetpolen sind über ein Wellenlager 12 starr miteinander verbunden. Ein Kunststoffträger 13 bildet einen Rotor mit eingespritzten Magneten. Ein Kunststoff-Stator 14 mit eingespritzten flachen Spulen 15 ist so dimensioniert, dass der Luftspalt möglichst klein ist. Die Spulen 15 sind vorzugsweise als Folienspulen ausgebildet. Der Wirkungsgrad des Kunststoffmotors 1 wird außerdem durch die hohe Packungsdichte der Folienspulen erhöht.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei der Aufbau seitenverkehrt zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist. Ein Kunststoffmotor 2 besitzt 2 Magnetringe 22, die in einen Kunststoffträger 24 eingespritzt sind und als Halbschalen ausgeführt sein können. Ein Stator 21 dient als Träger für in einem Kreis angeordnete Spulen 23.
3 zeigt einen Kunststoffmotor 3, der als ein Mikromotor ausgebildet ist. Spulen 32, die beispielsweise aus Flachmaterial ausgebildet sein können, wie in 5 gezeigt, sind wegen ihrer geringen mechanischen Stabilität auf einer bzw. in einer Trägerplatte 31 angeordnet. Magnetringe 33 sind oberhalb und unterhalb der Trägerplatte 31 angeordnet, wobei zwischen den Magnetringen 33 ein magnetischer Luftspalt ausgebildet ist, der von den Spulen 32 durchgriffen ist. Wie bei den beiden Ausführungsbeispielen in 1 und 2 gezeigt, weist der Kunststoffmotor 3 weiter einen Kunststoffträger 34 auf. Der Kunststoffmotor 3 ist von einer Rotorplatte 35 überdeckt, die über einen Zwischenträger mit den beiden Magnetringen 33 drehstarr verbunden ist.
4 zeigt beispielhaft den Aufbau eines Magnetrings 41, der in einem Rotor 4 angeordnet ist. Der Magnetring 41 ist aus einem Magnetcompound aufgebaut, d. h. aus einem aus hartmagnetischen Partikeln und Kunststoff gebildeten Materialgemisch aufgebaut. Die hartmagnetischen Partikel können beispielsweise aus Neodym-Bor, Samarium-Kobalt oder dergleichen ausgebildet sein. Die Magnetisierung des Magnetrings 41 kann durch Impulsmagnetisierung erfolgen, wobei eine von Impulsstrom durchflossene Magnetspulanordnung die in alternierender Reihenfolge angeordneten Magnetpole in dem Magnetring 41 ausbildet.
5 zeigt beispielhaft den Aufbau eines Stators 5, der auf einer Trägerplatte 51 angeordnete Spulen 52 aufweist, die als Flachspulen ausgebildet sind. Die Spulen 52 können beispielsweise aus dünnen Schichten eines elektrisch leitfähigen Materials ausgebildet sein. Die Trägerplatte 51 kann als eine Platine oder auch als eine Trägerplatte ausgebildet sein, in die die Spulen 52 vollständig umschlossen eingebettet sind.

1: Kunststoffmotor
2: Kunststoffmotor
3: Kunststoffmotor
4: Rotor
5: Stator
11: Magnetring
12: Wellenlager
13: Kunststoffträger
14: Kunststoff-Stator
15: Spule
21: Stator
22: Magnetring
23: Spule
24: Kunststoffträger
31: Trägerplatte
32: Spule
33: Magnetring
34: Kunststoffträger
35: Rotorplatte
41: Magnetring
42: Wellenlager
51: Trägerplatte
52: Spule

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007004359 [0001]
- DE 10351815 [0007]
- DE 10335688 [0007]
- US 3988654 [0008, 0008]
- DE 102005013674 A1 [0008]
- DE 3200664 [0008]

Claims

Kunststoffmotor (1, 2, 3) mit einem Spritzguß-Stator (5) als Basiseinheit mit einem Rotor (4) aus Magnetcompound, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (5) und der Rotor (4) ohne Eisen eine Konstruktionseinheit bilden, die wahlweise ohne Sensorik mit Kommutierung oder aber auch mit Sensorik und damit als Präzisionspositionierung betreibbar ist.
Kunststoffmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffmotor (1, 2, 3) ein Flachmotor ist.
Kunststoffmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) innen liegt.
Kunststoffmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) außen liegt.
Kunststoffmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (5) eine gestanzte und gefaltete Wicklung aus Kupferblech oder aus einem gewickelten Band aus leitfähigem Material als Spule aufweist oder aus einer solchen besteht.
Kunststoffmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule mit einem Kunststoff zur Stabilisierung und Wärmeableitung umspritzt ist.
Kunststoffmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) zumindest abschnittsweise aus einem gespritzten Magnetcompound besteht, in das durch Magnetisierung die Pole eingebracht sind.
Kunststoffmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb mindestens einen oder mehrere miteinander verbundene Rotorringe mit Magnetpolen aufweist oder aus diesen besteht, die durch ihren Aufbau eine besonders große aktive Magnetfläche haben.
Kunststoffmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffmotor (1, 2, 3) als ein Mikromotor ausgebildet ist, der geätzte Spulen aufweist, die auf einer Trägerscheibe zur Stabilisierung aufgebracht sind.
Kunststoffmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffmotor (1, 2, 3) als ein extrem flacher Motor ausgebildet ist.
Kunststoffmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffmotor (1, 2, 3) einen Digitalen Signal Prozessor (DSP) aufweist.
Verfahren zur Steuerung eines Kunststoffmotors (1, 2, 3) mit einem Spritzguß-Stator als Basiseinheit mit einem Rotor aus Magnetcompound, wobei der Stator (5) und der Rotor (4) ohne Eisen eine Konstruktionseinheit bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffmotor (1, 2, 3) mit Sensorik betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sternpunkt zur Messung der Position verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die stromdurchflossenen Wicklungen unterschiedliche Spannungsabfälle je nach Position zu den Magneten erzeugen, und dass dieses Signal ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen und Ströme in den Wicklungen, die durch die 4 Messeingänge gemessen werden, mit Hilfe einer „Hashtable” zum Optimieren des Motorlaufs genutzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Strom- und Spannungsvektoren durch einen Digitalen Signal Prozessor (DSP) ausgewertet und optimiert werden.