DE19523789C2 - Bürstenloser Elektromotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger bürstenloser Elektromotor ist aus der DE 41 26 137 C2 bekannt. Dieser bürstenlose Elektromotor weist einen Rotor mit Permanentmagneten auf, der von ei­ ner drehbar gelagerten Welle getragen ist. Der Stator umfaßt Elektromagnete mit Er­ regerwicklungen, denen Erregerströme zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfelds zuführbar sind. Dieses Magnetfeld versetzt den Rotor in Drehung. Zur Steuerung der den Erregerwicklungen des Stators zuzuführenden Erregerströme ist es erforderlich, die Stellung des Rotors relativ zum Stator zu bestimmen. Hierzu ist auf der den Rotor tragenden Welle in einem Endbereich ein Sensormagnet angeordnet, dessen Magnet­ pole mittels eines Hallsensors der Detektion der Drehlage des Rotors dienen. Die Steuerung der Erregerströme erfolgt dabei üblicherweise von einem im Motorgehäuse untergebrachten Steuerschaltkreis.

In der Praxis hat es sich als problematisch herausgestellt, daß die die Welle tragenden Lagereinheiten Reste von Schmieröl und durch Abschleifen aneinander gleitender Teile der Lagereinheiten entstehende Verschleißteilchen (sogenannte Schlämme) ab­ geben können. Diese Verschmutzungs- und Verschleißteilchen können im Gehäuse herumgeschleudert werden und zu Kurzschlüssen im Steuerschaltkreis des Motors führen.

Bei dem vorgenannten bekannten Elektromotor ist der Sensormagnet in der Nähe ei­ ner die Welle des Rotors tragenden Lagereinheit angeordnet. Es hat sich gezeigt, daß die hierdurch bewirkte radiale Erweiterung der Welle dazu führt, daß Schmiermittelre­ ste aufgrund der auftretenden Zentrifugalkräfte daran gehindert werden, über diesen Bereich hinweg zu lecken. Die Gefahr, daß die umhergeschleuderten Verschleiß- und Verschmutzungsteilchen bei einem derartigen bürstenlosen Elektromotor zu einem Kurzschluß im Steuerschaltkreis führen, ist jedoch relativ hoch, so daß die betriebliche Zuverlässigkeit dieses bekannten Elektromotors nicht allen Ansprüchen genügt.

Aus der US 5,075,605 ist ein bürstenloser Elektromotor bekannt, bei dem der Rotor­ magnet an einer Stirnseite eine ringförmige Nut aufweist, in die Halltransistoren hin­ einragen, die einer Detektion der Rotorstellung und Steuerung der dem Stator zuzu­ führenden Erregerströme dienen.

Weiter ist aus der DE 38 18 994 A1 ein Plattenspeicherantrieb mit einem kollektorlo­ sen Elektromotor bekannt. Der Innenraum dieses einen glockenförmigen Rotor auf­ weisenden Elektromotors ist durch im Bereich einer Lagereinheit angeordnete Ma­ gnetdichtungen gegenüber einem den Motor umgebenden Reinraum abgedichtet. Zur Erfassung der Drehlage des Rotors wird ein getrennter Steuermagnetring ver­ wendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bürstenlosen Elektromotor anzuge­ ben, bei dem die aufgrund der Relativbewegung der Welle und der Lagereinheiten gegeneinander unvermeidlich auftretenden Verschleißteilchen nicht im Gehäuse her­ umgeschleudert werden, um der Gefahr von Kurzschlüssen in Steuerschaltkreisen durch herumgeschleuderte Verschleiß- und Verschmutzungsteilchen zu begegnen.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist bei einem bürstenlosen Elektromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnen­ den Teils von Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen bürstenlosen Elektromotor werden Verschleiß- und Ver­ schmutzungsteilchen, die vom Verschleiß sowohl der rotierenden Welle als auch der Lagereinheiten her resultieren, von dem konkav geformten Reservoir im Sensorma­ gnet eingefangen und so gehindert, herumgeschleudert zu werden. Dabei werden diese Teilchen von dem die Welle aufnehmenden Bereich des Sensormagneten ma­ gnetisch angezogen. Dies ist möglich, da sich der die Welle aufnehmende Bereich des Sensormagneten in der Nähe der Lagereinheit befindet. Durch die magnetische An­ ziehung an den Sensormagneten und das Reservoir werden die Verschleiß- und Ver­ schmutzungsteilchen besonders effektiv daran gehindert, im Gehäuse herumge­ schleudert zu werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel dar­ stellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsge­ mäßen bürstenlosen Elektromotors,

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung die gesamte Form des Sensormagneten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform eines Sensormagne­ ten gemäß der Erfindung.

Grundsätzlich weist ein bürstenloser Elektromotor gemäß der Erfindung die folgen­ den Teile auf:

Einen Stator 2, dessen Basisabschnitt auf einem eine Leiterplatine aufnehmenden Gehäuse 1 fest angebracht ist. Einen Rotor 4, der auf einer Welle 3 des Motors fest angebracht ist. Einen Steuerschaltkreis auf einer entsprechenden Leiterplatine 5, der das Schalten der dem Stator 2 zugeführten Erregerströme steuert.

Auf dem Stator 2 befinden sich im dargestellten Ausführungsbeispiel und nach be­ vorzugter Lehre sechs Erregerwicklungen 8 auf einem Statorkern 7. Dieser Stator­ kern 7 ist am Außenumfang einer Traghülse 6 fest angebracht und besteht aus ma­ gnetischem bzw. magnetisierbarem Material (laminierter Kern).

Im Betrieb wird der Erregerstrom zu den verschiedenen Erregerwicklungen 8 auf dem Anker des Stators 2 mittels des Steuerschaltkreises auf der Leiterplatte 5 so gesteuert, daß sich ein rotierendes Magnetfeld im Inneren des Motors ergibt. Dieses nimmt dann den später noch zu erläuternden Rotor 4 mit.

Die Traghülse 6 hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel hohlzylindrische Gestalt. Eines der beiden Enden der Traghülse 6 befindet sich fest angebracht im Gehäuse 1 und erstreckt sich durch die Wandung dieses Gehäuses 1. Im Inneren der Traghülse 6 befinden sich zwei Lagereinheiten 9a, 9b jeweils in der Nähe eines der Enden der Traghülse 6. Mittels dieser Lagereinheiten 9a, 9b wird die rotierende Welle 3 des Mo­ tors in der Traghülse 6 drehbar gelagert. In jeder Lagereinheit 9a, 9b befindet sich im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Einbauelement aus einer Sintereisen-Legierung oder einer Sinter-Kupfer-Legierung. Jedes dieser Einbauelemente ist mit Schmiermittel wie Nähmaschinenöl od. dgl. getränkt. Beim Zusammenbau des Motors werden die Lagereinheiten 9a, 9b im Preßsitz zwischen die Traghülse 6 und die Welle 3 einge­ baut.

Die einander gegenüberliegenden Endbereiche der Welle 3 ragen aus der Traghülse 6 heraus. Auf den oberen Endbereich der Welle 3 (wie in Fig. 1 dargestellt) ist der Ro­ tor 4 fest aufgesetzt. Dieses Ende befindet sich gegenüber dem unteren Bereich der Traghülse 6, durch welchen die Traghülse 6 mit dem Gehäuse 1 konstruktiv verbun­ den ist.

Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Rotor 4 ein etwa tassenförmig gestaltetes Rotorgehäuse 10 und eine Mehrzahl von an der Innenfläche des Rotorgehäuses 10 angebrachten Rotormagneten 11 auf. Wie sich aus Fig. 1 gut erkennen läßt, bildet der obere Bereich des Rotorgehäuses 10 in Fig. 1 einen Boden und die Unterseite des Rotorgehäuses 10 eine dem Gehäuse 1 zugewandte Öffnung. Dementsprechend ist der Boden des Rotorgehäuses 10 mit einer mittigen Öffnung versehen, die dem Gehäuse 1 gegenüberliegt. Während des Zusammenbaus wird das Rotorgehäuse 10 dadurch fest mit der Welle 3 verbunden, daß diese durch die mittige Öffnung im Boden des Rotorgehäuses 10 hindurchgeführt und dort fixiert wird. Man erkennt in Fig. 1, daß sich zwischen der Innenfläche des Bodens des Rotorgehäuses 10 und der oberen Lagereinheit 9a ein Distanzring 12 und ein Haltering 13 befinden, durch die beide die Welle 3 geführt ist.

Die äußeren Umfangsflächen der Rotormagnete 11 sind an der inneren Umfangsfläche des Rotorgehäuses 10 so angebracht, daß die inneren Umfangsflächen der Rotorma­ gnete 11 einer äußeren Umfangsfläche des Statorkerns 7 genau gegenüberliegen. Die Anzahl der Magnetpole der Rotormagnete 11 ist gleich vier, wo hingegen sechs Ma­ gnetpole sich auf dem Stator durch die Erregerwicklungen 8 des Stators 2 ergeben. Dadurch hat man keine Überlappung.

Am anderen Ende der Welle 3, dem Ende nämlich, das dem Gehäuse 1 zugewandt ist, ist ein Sensormagnet 14 angebracht (dieser wird später beschrieben), der einen Sen­ sorflansch 20 aufweist, der einem an der Unterseite der Leiterplatte 5 befestigten Hallelement 16 gegenüberliegt.

Das die Leiterplatte 5 aufnehmende Gehäuse 1 besteht aus einem Deckelteil 15a und einem Bodenteil 15b, wobei das Deckelteil 15a auf dem Bodenteil 15b mit Hilfe von Schrauben fest angebracht ist, wie das in Fig. 1 angedeutet ist. Im Inneren des Gehäu­ ses 1 befindet sich der Steuerschaltkreis auf der entsprechenden Leiterplatte 5, wobei dieser Steuerschaltkreis die Schaltoperationen ausführt, mit denen der Erregerstrom zu den Wicklungen 8 des Stators 2 gesteuert wird. Wie zuvor erläutert worden ist, ist das Hallelement 16 auf der Unterseite der den Steuerschaltkreis tragenden Leiterplat­ te 5 so angebracht, daß es dem Sensorflansch 20 des Sensormagneten 14 gegenüber­ liegt. Das Hallelement 16 detektiert die Magnetpole des Sensormagneten 14 und gibt Spannungssignale entsprechend den festgestellten Magnetpolen ab.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel, genauer dargestellt in Fig. 2, hat der Sensorma­ gnet 14 nun einen die Welle 3 aufnehmenden Bereich 17, der eine hohlzylindrische Form aufweist und in den die Welle 3 gewissermaßen eingesteckt ist. Auf dem äuße­ ren Umfang eines der Enden dieses Bereichs 17 des Sensormagneten 14 befindet sich ein Reservoir 18 für Verschleiß- und Verschmutzungsteilchen, das vorzugsweise eine ringförmige, konkave Form hat. Der Außendurchmesser des Bereichs 17 entspricht im wesentlichen dem Innendurchmesser der Traghülse 6.

Der Sensormagnet 14 ist weiterhin mit einem hohlzylindrischen Bereich 19 größeren Durchmessers direkt unterhalb des Reservoirs 18, d. h. dessen offener Seite entge­ gengerichtet, ausgestattet. Dieser hohlzylindrische Bereich 19 hat einen größeren Außendurchmesser als der die Welle 3 aufnehmende Bereich 17 des Sensormagneten 14. An diesen Bereich 19 angeformt ist der Sensorflansch 20.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt den Sensormagneten 14 als integrierten Plastik- Magneten, der die oben angegebenen Bereiche als integrale Bestandteile aufweist und leicht in eine Form gemäß Fig. 2 gebracht werden kann. Das ist einer der Vorteile der Erfindung.

Der Sensormagnet 14 ist so magnetisiert, daß er eine Mehrzahl von Magnetpolen bil­ det, die in Umfangsrichtung so angeordnet sind, daß sie der Anzahl der Magnetpole (Erregerwicklungen 8) des Stators 2 entsprechen. Im dargestellten Ausführungsbei­ spiel weist der Sensormagnet 14 vier Magnetpole auf. Wie Fig. 2 deutlich macht, wirkt diese Magnetisierung auch in einer Stirnfläche 17a des Bereichs 17 und in dem Sensorflansch 20.

In der zuvor erläuterten Konstruktion wird die Welle 3 nun in den die Welle 3 auf­ nehmenden Bereich 17 des Sensormagneten 14 eingesteckt, und der Bereich 17 selbst wird dann wieder in die Traghülse 6 eingesteckt, so daß die Stirnfläche 17a schließlich einen weiteren Distanzring 12 zwischen der unteren Lagereinheit 9b und dieser Stirnfläche 17a berührt.

Bei einem bürstenlosen Elektromotor der dargestellten Konstruktion kann beispiels­ weise ein, hier nicht dargestellter, Gebläsekopf auf das obere Ende der rotierenden Welle 3 fest aufgesetzt sein. Das ist das dem Gehäuse 1 gegenüberliegende Ende. Solche integrierten Antriebsmotoren werden beispielsweise in Kraftfahrzeug-Klima­ anlagen od. dgl. gern eingesetzt, da sie sehr kompakt bauen.

Beim Betrieb eines bürstenlosen Elektromotors obiger Konstruktion muß zunächst ein Einschalter eingeschaltet werden, damit elektrischer Strom dem Steuerschaltkreis auf der Leiterplatte 5 zugeleitet wird. Zunächst wird dadurch das Hallelement 16 in die Lage versetzt, die Magnetpole im Sensorflansch 20 gegenüber festzustellen. Die so festgestellte Lage der Magnetpole im Sensorflansch 20 versetzen den Steuer­ schaltkreis auf der Leiterplatte 5 wiederum in die Lage, elektrischen Erregerstrom mit der richtigen Phasenlage den verschiedenen Erregerwicklungen 8 des Stators 2 zuzu­ leiten. Die so gesteuerte Erregung der Wicklungen 8 erzeugt ein rotierendes Magnet­ feld, das mit den Rotormagneten 11 am Rotor 4 wechselwirkt und den Rotor 4 in Drehung versetzt. So in Drehung versetzt wird die Position des Rotors 4 mittels des Hallelements 16 stets festgestellt. Die so jeweils festgestellte aktuelle Position des Rotors 4 macht es wiederum möglich, daß der Steuerschaltkreis auf der Leiterplatte 5 die Erregerströ­ me zu den Wicklungen 8 entsprechend steuert, um den Rotor 4 weiter in Rotation zu halten.

Wie weiter oben erläutert worden ist, werden durch die rotierende Bewegung des Rotors 4 und der Welle 3 als Folge des Lagerverschleißes bei den Lagereinheiten 9a, 9b, Welle 3 und Distanzringen 12 Verschleiß- und Verschmutzungsteilchen (Schlamm) erzeugt. Solche Verschleiß- und Verschmutzungsteilchen der unteren Lagereinheit 9b tauchen nach und nach am unteren Ende der Traghülse 6 auf. Bei konventionellen bürstenlosen Elektromotoren erreichen diese Teilchen unter Wirkung der Zentrifu­ galkraft bald die Leiterplatte 5 des Steuerschaltkreises. Es gab relativ häufig Kurz­ schlüsse im Steuerschaltkreis.

Im Gegensatz zu dem zuvor erläuterten Stand der Technik ist es bei der erfindungs­ gemäßen Konstruktion so, daß der vormagnetisierte, die Welle 3 aufnehmende Be­ reich 17 des Sensormagneten 14 Verschleiß- und Verschmutzungsteilchen "A" (Fig. 1), die vom Verschleiß von Metallteilen des Motors herrühren, magnetisch anzieht und damit daran hindert, herumgeschleudert zu werden. Selbst wenn die Magnetkraft des Bereichs 17 relativ schwach ist, kann der "Schlamm" mehr oder weniger von selbst in das Reservoir 18 des Bereichs 17 rutschen, wo er magnetisch festgehalten wird. Im Ergebnis ist der erfindungsgemäße Motor weitgehend problemfrei und zeigt die Schäden nicht, die konventionelle bürstenlose Elektromotoren in Folge herumge­ schleuderter Verschleiß- und Verschmutzungsteilchen zeigen. Bei dem erfindungsge­ mäßen Elektromotor wird der Schlamm "A" auch zur Stirnfläche 17a des Bereichs 17 hin gezogen, so daß verhindert wird, daß Schmiermittel aus der Lagereinheit 9b über diesem Bereich herausleckt.

Im zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Sensormagnet 14 als Plastikteil ausgeführt. Natürlich kann der Sensormagnet 14 auch aus allen anderen passenden magnetischen Materialien hergestellt werden, beispielsweise Alnico-Ma­ gnetlegierungen, Legierungen auf Basis Seltene-Erden-Kobalt-Verbindungen und ähnliche magnetische Verbindungen. Die vollständige Magnetisierung des Sensor­ magneten 14 ist nicht unbedingt notwendig, auch wenn das im dargestellten Aus­ führungsbeispiel gemäß Fig. 2 so realisiert ist.

In Fig. 3 weist der Sensormagnet 14 eine Mehrzahl von separaten Teilen auf. Hier gibt es zunächst den die Welle 3 aufnehmenden Bereich 17 als ein Teil, einen hohlzy­ lindrischen Bereich 19 als weiteren Teil und einen Sensorflansch 20 als nochmals weiteren Teil. Diese separaten Teile 17, 19, 20 können beispielsweise mittels eines passenden Klebemittels miteinander verklebt sein. Sie bilden im Endeffekt einen Sensormagneten 14 gleicher Form wie in Fig. 2, dieser besteht jedoch aus verschie­ denen Teilen. Das erlaubt es, beispielsweise lediglich den Bereich 17 und den Sensor­ flansch 20 aus magnetischem bzw. magnetisierbarem Material herzustellen, den hohlzylindrischen Bereich 19 dazwischen jedoch aus nicht magnetischem bzw. nicht magnetisierbarem Material zu gestalten.

In gleicher Weise gilt für das dargestellte Ausführungsbeispiel eines bürstenlosen Elektromotors, daß die Traghülse 6 nicht aus einem sondern aus mehreren Teilen be­ stehen kann. Beispielsweise kann die Traghülse 6 auch aus einem Paar hohlzylinderi­ scher Elemente gebildet sein, die die Welle 3 lagern und so angeordnet sind, daß sie den beiden Lagereinheiten 9a, 9b entsprechend positioniert sind. Auch muß die Traghülse 6 nicht zwingend eine hohlzylindrische Form haben. Vielmehr ist jede an­ dere Form der Traghülse 6 denkbar, solange diese es nur erlaubt, die Lagereinheiten 9a, 9b und die rotierende Welle 3 darin aufzunehmen und zu halten.

Wie die zuvor gegebenen Ausführungen deutlich machen, wird bei dem erfindungs­ gemäßen bürstenlosen Elektromotor der "Schlamm", also die durch Verschleiß hervor­ gerufenen Verschleiß- und Verschmutzungsteilchen magnetisch festgehalten, so daß diese nicht im Gehäuse herumgeschleudert werden können. Folglich ist ein Kurz­ schluß im Steuerschaltkreis auf der Leiterplatte 5 des bürstenlosen Elektromotors aufgrund herumgeschleuderter metallischer Verschleiß- und Verschmutzungsteilchen ausgeschlossen. Ein erfindungsgemäßer bürstenloser Elektromotor zeigt also eine hervorragende Zuverlässigkeit.

Da der Sensormagnet 14 des dargestellten Ausführungsbeispiels praktisch das untere Ende der unteren Lagereinheit 9a konstruktiv erreicht (Fig. 1), wirkt die Magnetkraft des Sensormagneten 14 unmittelbar auf die Verschleißteilchen. Auf diese Weise kann der hier von der Stirnfläche 17a des Bereichs 17 magnetisch angezogene "Schlamm" gleichzeitig als Abdichtungsmittel wirken, das verhindert, daß Schmiermittel der La­ gereinheit 9b aus dem unteren Bereich der Lagereinheit 9b heraussickert oder her­ ausleckt.

Da der Sensormagnet 14, der ohnehin vorhanden ist, im dargestellten Ausführungs­ beispiel gemäß der Erfindung zusätzlich die Funktion eines "Schlammsammlers" hat, kann die Lehre der Erfindung mit den entsprechenden Vorteilen realisiert werden, ohne die Anzahl von Motorkomponenten im Vergleich mit einem konventionellen bürstenlosen Elektromotor zu erhöhen.

Claims (5)

1. Bürstenloser Elektromotor mit einem Rotor (4) und einem Sensormagneten (14), der auf einer den Rotor (4) tragenden, drehbar gelagerten Welle (3) angebracht ist, so daß mittels Magnetpolen des Sensormagneten (14) die Position des Rotors (4) zur Steue­ rung des Erregerwicklungen (8) des Stators (2) zuzuführenden Erregerstroms detek­ tierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensormagnet (14) ein Verschleiß- und Verschmutzungsteilchen aufnehmen­ des, konkav geformtes Reservoir (18) in einem Umfangsbereich aufweist.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensormagnet (14) einen eine Welle (3) aufnehmenden Bereich (17) aufweist und an einem unteren Ende des Rotors (4) angebracht ist, so daß sich ein Endbereich des Bereichs (17) in der Nähe einer die Welle (3) tragenden Lagereinheit (9b) befindet, die ihrerseits am Ende einer Traghülse (6) angeordnet ist.

3. Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (18) in einem äußeren Umfangsbereich des Bereichs (17) gebildet ist, wobei das Reservoir (18) in Längsrichtung des Sensormagneten (14) im Schnitt einen konkaven Quer­ schnitt aufweist.

4. Elektromotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sensormagnet (14) als Plastikmagnet ausgeführt ist.

5. Elektromotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Rotor (4) aus einem im wesentlichen tassenförmigen Rotorgehäuse (10) mit einer ringförmigen Öffnung besteht und die Welle (3) durch einen Mittelbereich des tassenförmigen Rotorgehäuses (10) läuft, daß eine Mehrzahl von Rotormagneten (11) auf der inneren Umfangsfläche des Rotorgehäuses (10) angeordnet ist, daß der Stator (2) eine Mehrzahl von Erregerwicklungen (8) auf einem Statorkern (7) aus magnetischen oder magnetisierbarem Material aufweist, der auf einer Basis des Mo­ tors angebracht ist, daß die Erregerwicklungen (8) sich innerhalb der Rotormagnete (11) des Rotors (4) befinden, daß die hohlzylindrische Traghülse (6) so angeordnet ist, daß sie den Stator (2) in der Mitte durchsetzt, daß die Welle (3) von der Traghülse (6) mittels zweier Lagereinheiten (9a, 9b) an den einander entgegengesetzten Enden der Traghülse (6) drehbar gelagert ist und daß der Sensormagnet (14) an einem Endbereich der Welle (3) fest angebracht ist.