DE19539138A1 - Elektromotor und Meßwerk, insbesondere für Anzeigeinstrumente in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, welcher zwei voneinander unab­ hängige Erregerwicklungen auf einem Stator aufweist, mit welchen ein Magnetfeld erzeugbar ist sowie einen mehrere Pole besitzenden, permanent magnetisierten Rotor, welcher seine Position in Abhängigkeit vom Magnetfeld ändert, wobei der Rotor axial auf einer Rotorwelle angeordnet ist sowie ein Meßwerk für Anzeigeinstrumente.

Elektromotoren mit permanentmagnetischem Rotor sind für viele Anwen­ dungen in einer großen Vielfalt von Bauformen bekanntgeworden. Durch eine Bestromung der Spulen mit Hilfe von elektronischen Schaltungen ist eine vorteilhafte Anwendung derartiger Motore für Stell- und Anzeigezwecke möglich. Dabei werden die Elektromotoren häufig als Schriftmotoren betrie­ ben.

Es ist bekannt, daß Schriftmotoren digitale, elektrische Steuerbefehle in pro­ portionale Winkelschritte umwandeln. Die Rotorwelle des Schrittmotors dreht sich dabei bei jedem Steuerimpuls um einen definierten Schrift weiter.

Bekannte Motoren bestehen aus einem Stator, auf welchem zwei voneinander unabhängige Erregerwicklungen, die orthogonal gegeneinander gewickelt sind, angeordnet sind. Mit Hilfe dieser Erregerwicklung läßt sich innerhalb des Stators ein Magnetfeld erzeugen, daß in seiner Richtung und Intensität verän­ derbar ist. Ein permanent magnetisierter Rotor stellt sich abhängig vom Statorfeld jeweils auf die Position des geringsten magnetischen Widerstandes ein. Der Rotor fest ist auf einer Rotorwelle angeordnet, mittels derer die Winkeländerung des Rotors auf ein Zeiger-Antriebssystem zur weiteren Ver­ arbeitung übertragen wird.

Bei diesen beschriebenen Kreuzspulanordnungen ist eine hohe Symmetrie und Genauigkeit bei der Fertigung der Wicklungen auf dem Eisenkreis notwendig. Außerdem erfordert dieser Aufbau eine mindeste Baugröße des Motors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor anzugeben, welcher eine geringe Bauform aufweist sowie leicht herstellbar ist.

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe aber dadurch gelöst, daß der Stator eine mehrarmige Anordnung aufweist, welche zentrisch eine Öffnung zur Positio­ nierung der den Rotor tragenden Rotorwelle aufweist, wobei die einzelnen Arme um die Öffnung herum angeordnet sind und jeweils zwei gegenüberlie­ gende Arme ein Armpaar bilden, und daß die gegenüberliegenden Arme so zueinander gebogen sind, daß sie bei Aufnahme je einer Erregerwicklung orthogonal zueinander angeordnete magnetische Kraftvektoren ergeben.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die orthogonal zueinander ange­ ordneten magnetischen Kraftvektoren nicht wie üblich durch die kreuzweise Anordnung der Erregerwicklungen, sondern durch den die Führung des ma­ gnetischen Flusses notwendigen Eisenkreis erzeugt wird. Die Form des Sta­ tors hat zur Folge, daß die Erregerwicklung achsparallel angeordnet sind, was einen kleineren Aufbau des Elektromotors ermöglicht. Auch ist der Elektromotor mit hoher Genauigkeit einfacher herstellbar.

Vorteilhafterweise sind vier Arme im 90°-Abstand um die kreisförmige Öffnung angeordnet.

Dabei sind zwei gegenüberliegende Arme des ersten Armpaares einfach zueinander gekröpft, so daß die Arme parallel zueinander ausgerichtet sind.

In einer Weiterbildung sind zwei gegenüberliegende Arme des zweiten Arm­ paares mehrfach gekröpft.

Die Arme des zweiten Armpaares weisen in Öffnungsnähe eine erste und in Nähe der freien Enden jedes Armes eine zweite Kröpfung auf.

Vorteilhafterweise sind die Arme annähernd rechtwinklig gebogen.

Der Eisenkreis ist vorteilhafterweise als gefaltetes dreidimensionale Stanz- /Biegeteil ausgeführt.

Eine einfache Montage der Erregerwicklungen ist dadurch möglich, daß der Abstand der Enden der gegeneinander gebogenen Arme der Armpaare so gewählt ist, daß jeweils eine Erregerwicklung kraftschlüssig zwischen diesen lagerbar ist. Alternativ dazu können die Enden der gegeneinander gebogenen Arme jedes Armpaares Bohrungen zur Befestigung der Erregerwicklungen aufweisen.

Aufgrund unterschiedlicher Längen der einzelnen Arme ist es möglich den erfindungsgemäßen Eisenkreis für verschiedene Größen der Erregerwick­ lungen vorzusehen.

Vorteilhafterweise ist der Rotor nicht fluchtend zum Stator angeordnet.

Dadurch kann die geforderte Maßhaltigkeit bzw. das Lagerspiel in axialer Richtung tolerant gehalten werden. Ein federndes Element zur Reduzierung des Axialspieles kann entfallen.

In einer Weiterbildung ist der erfindungsgemäße Elektromotor in einem Meß­ werk angeordnet, welcher gemeinsam mit einem Zeigerantriebssystem in einem Gehäuse angeordnet ist. Zwischen Elektromotor und Zeigerantriebs­ system ist ein Getriebe zur Übertragung der jeweiligen Rotorposition an das Zeigerantriebssystem zwischen Rotor und einer Zeigerwelle geschaltet, wobei sowohl an der Innenseite des Gehäuses als auch auf einem auf der Zeiger­ welle positionierten Stirnrad des Getriebes ein Anschlag zur mechanischen Einstellung des Nullpunktes des Zeigerantriebssystems angeordnet ist.

In einer Ausbildung ist das Gehäuse zylinderförmig gestaltet.

Durch diese Anordnung ist beim Neustart des Gesamtsystems eine Bestim­ mung der Winkellage der Zeigerwelle eindeutig möglich. Durch die Winkel­ begrenzung durch Anschlag und Gegenanschlag wird auch beim Zusammen­ bau des Zeigerantriebssystems dafür gesorgt, daß der mechanische Nullpunkt des Zeigers und die Stellung des Rotors in fester Korrelation zueinander stehen.

Dadurch ist eine Einstellung der Nullage der Zeigerwelle mit hoher Genauig­ keit möglich.

In einer weiteren Ausgestaltung ist zur Befestigung an einem Trägerkörper an mindestens einer kreisförmigen Gehäuseoberfläche des zylinderförmigen Ge­ häuses mindestens ein Rastzapfen vorgesehen. Der Trägerkörper ist dabei vorteilhafterweise eine Leiterplatte.

Das hat den Vorteil, daß das Meßwerk ohne zusätzlich Elemente durch rastende Zapfen mechanisch an einer Trägerplatte adaptiert.

Auf der entgegengesetzten Gehäuseoberfläche sind ebenfalls Rastzapfen zur Verbindung mit einem Adapter angebracht. Der Adapter weist Windungen zur Realisierung einer Schraubverbindung auf.

Die Anbringung eines Adapters an einem Meßwerk ermöglicht eine kosten­ günstige Erweiterung des Applikationsbereiches. So wird beispielsweise eine Verschraubung mit anderen Bauteilen möglich.

Zur Reduzierung der Teilezahl bei der Herstellung des Meßwerkes ist es vor­ teilhaft, daß das Gehäuse aus zwei identischen Hälften besteht.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsbeispiele zu. Eines davon soll an­ hand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 Meßwerk für Zeigersysteme

Fig. 2 Anordnung des Schrittmotors innerhalb des Meßwerkes

Fig. 3 Stator des Schrittmotors

Fig. 4 Kontaktierung der Erregerwicklung auf einer Leiterplatte.

Das in Fig. 1 dargestellte Meßwerk 1 ist für den Einsatz in Kombinationsin­ strumenten in Kraftfahrzeugen vorgesehen, wo es zur Anzeige von kraftfahr­ zeugtypischen Daten wie z. B. der Geschwindigkeit oder der Motordrehzahl genutzt wird.

Das Meßwerk 1 besteht aus einem Gehäuse 2, welches aus zwei identischen Hälften 2a und 2b aufgebaut ist. Das Gehäuse 2 ist zylinderförmig gestaltet. Jede Gehäusehälfte 2a bzw. 2b besitzt auf ihrer jeweils kreisförmigen Gehäu­ seaußenseite 2c, 2d Rastzapfen 3a, 3b. Die Rastzapfen 3a bzw. 3b sind in 120°-Abständen auf der jeweiligen kreisförmigen Gehäuseoberfläche 2c, 2d der Gehäusehälfte 2a bzw. 2b verteilt. Mit Hilfe der Rastzapfen 3b kann das Gehäuse 2 an einer nicht dargestellten Leiterplatte des Kombinations­ instrumentes befestigt und gleichzeitig arretiert werden.

Zur Realisierung einer Schraubverbindung an dem Gehäuse 2 ist ein Adapter 4 vorgesehen. Die Rastzapfen 3a des Gehäuseteiles 2a greifen in rastende Ausnehmungen 5 des Adapters 4 ein, wodurch eine Schnappverbindung der beiden Bauteile erfolgt. Dabei sind die rastenden Ausnehmungen 5 in den gleichen Abständen von jeweils 120° auf dem ebenfalls einen kreisförmigen Grundriß aufweisenden Adapter 4 verteilt. Die Ausnehmungen 5 stellen dabei das Gegenstück zu den Rastzapfen 3a der Gehäusehälfte 2a dar.

Die Ausnehmungen 5 sind weiter mittels Querverstrebungen 6 gegeneinander stabilisiert.

Jede Gehäusehälfte 2a, 2b weist einen Zentrierungszapfen 7a, 7b auf. Eine Zentrierungsöffnung 8 am Adapter 4, in welche der Zentrierungszapfen 7a der Gehäusehälfte 2a eingreift, gewährleistet, daß das Gehäuse 2 in der richtigen Lage mit dem Adapter 4 verbunden wird. Der Zentrierungszapfen 7b erfüllt diese Funktion gegenüber der nicht dargestellten Leiterplatte.

Der Adapter 4 weist eine durchgängige Öffnung 9 für die aus dem Gehäuse 2 herausgeführte Zeigerwelle 10 auf, an welcher ein nicht weiter dargestellter Zeiger angeordnet ist.

Symmetrisch zu dieser durchgängigen Öffnung 9 befinden sich zwei Windun­ gen 11 zur Aufnahme von Schrauben 12, mittels derer z. B. ein Zifferblatt am Adapter 4 befestigt werden kann.

Die Zeigerwelle 10 wird durch einen Schrittmotor angetrieben, welcher im Ge­ häuse 2 des Meßwerkes 1 angeordnet ist.

In Fig. 2 ist die Lagerung des Rotorsystems des Schrittmotors in der Gehäu­ sehälfte 2a des Meßwerkes dargestellt.

Ein als Rotor 13 arbeitender, mehrere Pole N, S aufweisender Magnet ist fest auf einer Rotorwelle 14 angeordnet, welche ebenfalls einen Schneckentrieb 15 trägt, wobei der Schneckentrieb 15 ebenfalls fest mit der Rotorwelle 14 ver­ bunden ist. Der Schneckentrieb 15 greift in ein auf der Zeigerwelle 10 befestigtes Stirnrad 16, welches einen Anschlag 17 aufweist. Ein Gegenan­ schlag 18 ist an der Innenseite der Gehäusehälfte 2a angebracht, in der Art, daß in der Ruhestellung des Rotors 13 der Anschlag 17 und der Gegenan­ schlag 18 sich berühren und somit der Nullpunkt des Zeigers eindeutig mechanisch fixiert ist.

Gemäß der Darstellung in Fig. 3a ist der auf der Rotorwelle 14 befindliche Rotor 13 im Magnetfeld eines Stators 19 angeordnet, wobei die Rotorwelle 14 durch eine Statoröffnung 33 geführt ist (Fig. 3c).

Der Rotor 13 ist dabei so auf der Rotorwelle 14 angeordnet, daß er nichtfluch­ tend zum Stator 19 befestigt ist. Hierdurch entsteht eine Kraftkomponente in Richtung Rotorachse 14, welche bewirkt, daß die Welle immer einseitig in einer Lagerung an liegt.

Der Stator 19 ist, wie in Fig. 3b gezeigt, ein einstückiger Eisenkreis, durch welchen die Führung des magnetischen Flusses zur Erregung des Systems erfolgt.

Der Stator 19 ist eine 4armige Anordnung, bei welcher zwei gegenüberlie­ gende Arme 20a und 20b ein Armpaar 20 und die Arme 21a und 21b ein Armpaar 21 bilden. Die Arme der Armpaare sind unterschiedlich lang ausge­ bildet.

Zur Vereinfachung der Beschreibung der Anordnung wurde in Fig. 3a und C ein dreidimensionales Koordinatensystem angedeutet.

Die Arme 20a und 20b sind in derselben Ebene (Fig. 3b) um unterschiedliche Winkel gekrümmt. Sie werden entlang der Linien 20c in x-Richtung um jeweils 90° zueinander gebogen, wie es in Fig. 3c dargestellt ist. Die Arme 20a und 20b sind dabei in x-Richtung parallel zueinander ausgerichtet.

Die Arme 21a und 21b des zweiten Armpaares 21 sind mehrfach gegen­ einander gebogen.

Entlang der Linien 21c sind die Arme 21a bzw. 21b um 90° ebenfalls zueinan­ der, aber in entgegengesetzter Richtung zu den Armen 20a bzw. 20b des Armpaares 20 gekröpft (aus y-Richtung in x-Richtung). In einem weiteren Biegevorgang um die Linie 21d werden die freien Enden der Arme 21a, b ebenfalls um 90° zueinander gebogen (z-Richtung).

Zwischen den Armen 20a und 20b ist eine erste Erregerwicklung 22 und zwi­ schen den Armen 21a und 21b eine zweite Erregerwicklung 23 angeordnet.

Das dreidimensionale Stanz-/Biegeteil hat somit eine Form, daß sich die zur Ansteuerung erforderlichen, orthogonal zueinander angeordneten magneti­ schen Kraftvektoren ergeben. Die beiden Erregerwicklungen sind dabei in der­ selben axialen Richtung angeordnet.

Zur Erregung des Magnetkreises werden den Erregerwicklungen 22, 23 Stromimpulse zugeführt. Mit Hilfe dieses sich aufgrund der Stromimpulse ändernden Magnetfeldes stellt sich der Rotor 13 jeweils auf die Position des geringsten magnetischen Widerstandes ein. Die Winkeländerung des Rotors 13 wird mittels der Rotorwelle 14 auf das Zeiger-Antriebssystem übertragen. Dies erfolgt über den fest auf der Rotorwelle angeordneten Schneckentrieb 15, der in das Stirnrad 16 eingreift. Da das Stirnrad 16 fest auf der Zeigerwelle 10 angeordnet ist, dreht sich die Zeigerwelle 10 entsprechend der Winkel­ änderung des Rotors 13. Die Winkeländerung wird durch einen mit der Zeigerwelle 10 verbundenen Zeiger zur Anzeige gebracht wird.

Zur Erregung des Magnetkreises werden den Erregerwicklungen 22, 23 Stromimpulse über die Leitbahnen einer Leiterplatte zugeführt.

Die prinzipielle Kontaktierung einer Erregerwicklung 22 ist in Fig. 4 darge­ stellt.

Dieser Wickelkörper 24 weist zwei elektrisch isolierende Kontaktfüße 25a und 25b auf, die in einer Ebene an einem Ende des Wickelkörpers 24 parallel zur Wicklung 29 befestigt sind. Die Kontaktfüße 25a und 25b weisen dabei einen identischen Aufbau auf. Sie sind so gabelförmig gestaltet, daß sie in der zum Wickelkörper 24 entgegengesetzten Richtung eine Ausnehmung 34a, 34b haben, die zur Leitbahn der Leiterplatte 27 offen ist.

Unterhalb des gabelförmigen Kontaktfußes ist eine Arretierung in Form einer Nut für die um den Kontaktfuß geführten Windungen (28a, 30a) des Wick­ lungsendes 28, 30 vorgesehen. In Richtung der Erregerwicklung zwischen Wickelkörper 24 und der Ausnehmung 34a, 34b weisen die Kontaktfüße 25a und 25b jeweils eine Aussparung 32a bzw. 32b zur Fixierung der Windungen 28a und 30a am jeweiligen Kontaktfuß auf.

Herstellungsmäßig wird ein erstes Ende 28 der Spulenwicklung 29 mehrfach um den ersten Kontaktfuß 25a gewickelt, so daß die Windungen 28a die Leit­ bahn 26 berühren.

Nach Umwicklung des ersten Kontaktfußes 25a wird der Wickelkörper 24 mit der Spulenwicklung 29 versehen. Danach wird der zweite Kontaktfuß 25b in der gleichen Art und Weise wie der erste Kontaktfuß 25a mit dem zweiten Spulenende 30 umwickelt.

Zur Kontaktierung werden die Kontaktfüße 25a und 25b auf der Leiterplatte 27 aufgesetzt und sind elektrisch mit der Leitbahn 26 der Leiterplatte 27 verbun­ den. Die Wicklungen 28a berührt dabei die Leitbahn 26 und die Wicklungen 30a die Leitbahn 26a.

Die Kontaktierung der Windungen 28a und 30a der beiden Spulenenden 28 bzw. 30 erfolgt über eine Lötverbindung 31, welche automatisch mittels eines Reflowlötverfahrens realisiert wird.

Die gabelförmige Ausführung ermöglicht die Ansammlung von Kontaktpaste, im vorliegenden Fall Lötpaste und gewährleistet somit eine zuverlässige Kon­ taktierung der Leitbahnen mit den Wicklungsenden.

Neben einem automatischen Lötvorgang kann die Kontaktierung aber auch durch Leitkleben erfolgen.

Claims (17)

1. Elektromotor, welcher zwei voneinander unabhängige Erregerwick­ lungen auf einem Stator aufweist, mit welchem ein Magnetfeld erzeugbar ist sowie einem mehrere Pole besitzenden, permanent magnetisierten Rotor, welcher seine Position in Abhängigkeit vom Magnetfeld ändert, wobei der Rotor fest axial auf einer Rotorwelle angeordnet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stator (19) eine mehrarmige Anordnung aufweist, welche zentrisch eine Öffnung (33) zur Positionierung der den Rotor (13) tragenden Rotorwelle (14) aufweist, wobei die einzelne Arme (20a, b; 21a, b) um die Öffnung (33) herum angeordnet sind und jeweils zwei gegenüberliegende Arme (20a, b; 21a, b) ein Armpaar (20, 21) bilden, und daß die gegenüber­ liegenden Arme (20a, b; 21a, b) so zueinander gebogen sind, daß sie bei Aufnahme jeweils einer Erregerwicklung (22, 23) orthogonal zueinander angeordnete magnetische Kraftvektoren ergeben.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Arme (20a, b; 21a, b) im 90°-Abstand um die kreisförmige Öffnung (33) ange­ ordnet sind.

3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegenüberliegende Arme (20a, b) eines Armpaares (20) einfach zueinan­ der gekröpft sind, so daß die Arme (20a, b) parallel zueinander ausgerichtet sind.

4. Elektromotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegenüberliegende Arme (21a, b) eines Armpaares (21) mehrfach gekröpft sind.

5. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (21a, b) in Öffnungsnähe eine erste (21c) und in Nähe der freien Enden jedes Armes (21a, b) eine zweite Kröpfung (21d) aufweisen.

6. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abstand der freien Enden der gegeneinander gebogenen Arme (20a, b; 21a, b) der Armpaare (20, 21) so gewählt ist, daß jeweils eine Erregerwicklung (22, 23) kraftschlüssig zwischen diesen lagerbar ist.

7. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die freien Enden der gegeneinander gebogenen Arme (20a, b; 21a, b) der Armpaare (20, 21) Bohrungen zur Befestigung der Erreger­ wicklungen (22, 23) aufweisen.

8. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die einzelnen Arme (20a, b; 21a, b) unterschiedliche Längen aufweisen.

9. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Stator (19) ein einstückiges Stanz-/Biegeteil ist.

10. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (13) nicht fluchtend zum Stator (19) angeordnet ist.

11. Meßwerk mit einem Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Elektromotor und ein Zeigerantriebssystem in einem Ge­ häuse angeordnet sind, daß zwischen Elektromotor und Zeigerantriebs­ system ein Getriebe (15, 16) zur Übertragung der jeweiligen Rotorposition an das Zeigerantriebssystem zwischen Rotorwelle (14) und einer Zeigerwelle (10) geschaltet ist und sowohl am Gehäuse (2) als auch an einem auf der Zeiger­ welle (10) positionierten Stirnrad (16) des Getriebes (15, 16) ein Anschlag (17, 18) zur mechanischen Einstellung des Nullpunktes des Zeigerantriebssystem angeordnet ist.

12. Meßwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ häuse (2) zylinderförmig gestaltet ist.

13. Meßwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an min­ destens einer kreisförmigen Gehäuseoberfläche (2d) des zylinderförmigen Gehäuses (2) mindestens ein Rastzapfen (3b) zur Befestigung an einem Trägerkörper angeordnet ist.

14. Meßwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Trä­ gerkörper eine Leiterplatte ist.

15. Meßwerk nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der entgegengesetzten Gehäuseoberfläche (2c) ebenfalls mindestens ein Rastzapfen (3a) zur Verbindung mit einem Adapter (4) angebracht ist.

16. Meßwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Ad­ apter (4) neben mindestens einer rastenden Aufnehmung (5) für den Rastzapfen (3a) Windungen (11) zur Realisierung einer Schraubverbindung mit einem Zifferblatt aufweist.

17. Meßwerk nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gehäuse (2) aus zwei identischen Hälften (2a, 2b) besteht.