DE20004905U1

DE20004905U1 - Kollektorloser Elektromotor

Info

Publication number: DE20004905U1
Application number: DE20004905U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2010-03-18

Description

Kollektorloser Elektromotor

Die Neuerung bezieht sich auf einen kollektorlosen oder bürstenlosen Elektromotor mit elektronischer Stromkommutierung, umfassend eine Gleichstrommaschine mit Motorwelle, Stator und Rotor, jeweils mit magnetischen Bauteilen, von denen zumindest eines ein Elektromagnet mit einer Wicklung ist, eine Stromrichterschaltung, die mit der Wicklung elektrisch verbunden ist und die Stromkommutierung durchführt, einer Steuerelektronik, die die Stromrichterschaltung steuert, Anschlußklemmen zum Anschluß der Stromrichterschaltung und der Steuerelektronik an eine externe Stromquelle, und ein Motorgehäuse.

Solche kollektorlosen oder bürstenlosen Elektromotoren, insbesondere Gleichstrommotoren, sind beispielsweise aus der EP-A-0179484 oder der EP-B-0608769 bekannt. Sie werden häufig als Kleinmotoren im Niedrigleistungsbereich, aber auch als Langsamläufer im mittleren Leistungsbereich eingesetzt, und zwar bevorzugt mit einem Permanentmagnetrotor. Die Wicklung des Stators wird dann durch einen laufend von der Stromrichterschaltung kommutierten Strom gespeist, dessen Kommutierung wiederum von der Steuerelektronik gesteuert wird, und zwar bei Motoren mit Nebenschlußcharakteristifc«attfgruad\vp^ Signajen; die &ldquor;vcyvRüfrtem ausgehen, welche die

augenblickliche Rotationsposition des Rotors erfassen. Die elektronische Steuerung erlaubt hierbei auch die Speisung mit niedrigen Frequenzen, wodurch Langsamläufermotoren für Zwecke, die derzeit durch Getriebemotoren bedient werden, geschaffen werden. Derartige Motoren sind mit Rotorpositionserfasungs-Sensoren oder auch sensorlos bekannt.

Bei der beschriebenen Motorenbauart spart man sich zwar den Kollektor bzw. Kommutator in Form eines Kupfersektorenkranzes, der entlang Bürsten gleitet, jedoch benötigt man andererseits die Stromrichterschaltung und die Steuerelektronik als zusätzliche Komponenten. Dies ergibt in vielen Fällen bauliche Probleme.

Demgegenüber ist die Neuerung dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichterschaltung und die Steuerelektronik durch Gehäuseteile umschlossen sind, die zum Motorgehäuse gehören. Hier können diese Teile in einem Gehäuseteil angeordnet sein, das radial oder axial außen am Motorgehäuse sitzt, und zwar befestigt, beispielsweise angeschraubt, oder als integraler Bestandteil; oder sie können im Inneren des Motorgehäuses angeordnet sein, beispielsweise in einem eigenen Gehäuseabteil, das in Axialrichtung in der Verlängerung der eigentlichen treibenden Magnetbauteile des Motors liegt. Vorzugsweise sind die elektronischen Schaltungen voll vergossen. Die Neuerung wird bevorzugt bei sensorlosen derartigen Motoren angewandt, bei denen die Steuerelektronik in vielen Fällen kleiner und einfacher ist.

Durch den Einschluß in das Motorgehäuse kann es unter Umständen erforderlich sein, daß spezielle Maßnahmen zur Beherrschung der Wärmeverluste insbesondere in der Stromrichterschaltung getroffen werden. Beispielsweise können am Gehäuse zusätzliche Kühlrippen erforderlich sein, und/oder sind diese Schaltungen aus Elementen aufzubauen, die eine hohe Temperaturfestigkeit haben.

Die Maßnahmen gemäß der Neuerung erweisen sich bei den unterschiedlichsten Arten von kollektorlosen Motoren als nützlich, insbesondere solchen mit Permanentmagnetrotor, der speziell für relativ kurze Motoren ein Scheibenrotor sein kann, wobei der Stator das über die Stromrichterschaltung gespeiste Magnetbauteil ist. Es sind jedoch auch Motoren entsprechend ausgestaltbar, bei denen eine gleichmäßige Gleichstromspeisung

oder die von der Stromrichterschaltung kommende ungleichmäßige Stromspeisung über Schleifringe an rotierende Wicklungen gegeben werden.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Neuerung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen neuerungsgemäßen Scheibenrotormotor;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Scheibenrotormotor etwas anderer Bauform;

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch einen Permanentmagnet-Trommelrotormotor gemäß einer noch weiterhin abgewandelten Bauform;

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch einen Elektromagnet-Trommelrotormotor gemäß einer wiederum abgewandelten Bauform;

Fig. 5 in perspektivischer Darstellung ein Motorgehäuse unter Darstellung zweier weiterer Abwandlungen der Anordnung eines zusätzlichen Gehäuseteils.

Der Beschreibung der Ausführungsbeispiele sei die Bemerkung vorausgeschickt, daß es eine Vielzahl von Motorgehäuse-Bauformen gibt, von denen insbesondere die Bauform eines Gehäusetopfs mit Deckel und die Bauform eines Gehäüserohrs mit zwei Deckeln genannt seien; Variationen sind weiterhin möglich hinsichtlich der Abtriebswelle, die einseitig oder zweiseitig axial aus dem Motorgehäuse herausgeführt ist. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen eine Auswahl aus diesen möglichen Bauformen.

Fig. 1 zeigt einen Elektromotor mit einem Gehäuse 1, einer Motorwelle 2, einem am Gehäuse fest verankerten elektromagnetischen Stator 3 und einem fest auf der Welle verkeilten Scheibenrotor 4, der mit Permanentmagneten 5 belegt ist.

Die Elektromagneten des Stators 3 weisen einen ferromagnetischen Kern 10 und eine Wicklung 11 auf, die von einer beispielsweise mit Thyristoren bestückten Stromrichterschaltung 12, die von einer Steuerelektronik 13 gesteuert wird, mit Strom gespeist wird, wobei die Polteilung der Elektromagneten 10, 11 und die der Permanentmagneten 5

aufeinander abgestimmt ist. Die Stromrichterschaltung 12 speist über Kabel 14 die Wicklung 11 so, daß das Magnetfeld dem der Permanentmagneten 5 ständig vorausläuft und hierdurch auf diese eine Zugkraft und auf den Rotor 4 ein Drehmoment ausübt. Zu diesem Zweck wird beim hier beschriebenen Motorenmodell die augenblickliche Drehstellung des Rotors 4 durch Sensoren 18 wie z. B. Hallgeneratoren erfaßt, deren Signal über eine Leitung 19 an die Steuerelektronik 13 gegeben und durch sie verarbeitet wird.

Das Gehäuse 1 hat ein trommeiförmige Gesamtkonfiguration, mit einem zylindrischen Außenmantel 21, einer abtriebsseitigen Vorderwand 22 und einer rückseitigen Gehäusekappe 23. Die Motorwelle 2 ist in einer zentralen Bohrung der Vorderwand 22 und in einem Ringflansch der rückseitigen Gehäusekappe 23 gelagert. Zwischen der Motorwelle 2 und dem Außenmantel 21 liegt ein etwa rohrförmiger Innenraum, der durch eine vom Außenmantel 21 nach innen abstehende Trennwand 24 in zwei Abteile, nämlich ein Antriebsabteil 27 und ein Steuerungsabteil 28, unterteilt ist. Im Antriebsabteil 27 befinden sich der Stator 3 und der Rotor 4, und im Steuerungsabteil 28 befinden sich die Stromrichterschaltung 12 und die Steuerelektronik 13, die auf einer ringförmigen Trägerplatte 29, die am Außenmantel 21 verankert ist, beispielsweise in Form von gedruckten Schaltungen montiert sind, sowie eine Anschlußklemmenplatte 30 mit Anschlußklemmen 31, die die Schnittstelle zwischen einerseits der Stromrichterschaltung 12 und der Steuerelektronik 13 und andererseits einem Stromspeisekabel 36 darstellt.

Die beschriebene Ausführung des Motors eignet sich als Schnell- oder Langsamläufer. Durch eine (nicht dargestellte) Befehlseingabekonsole kann die Steuerung für eine gegebene Drehzahl eingestellt werden. Die Sensoren 18 ertauben außer der Erfassung der momentanen Rotorstellung auch die Erfassung der Drehzahl, die somit, falls erwünscht, geregelt werden kann. Für viele Anwendungen ist jedoch eine präzise Drehzahlregelung nicht so wichtig, wodurch eine einfachere, kleiner bauende und weniger Verlustwärme erzeugende Steuerelektronik verwendet werden kann.

Zur Abführung der Verlustwärme ist bei der dargestellten Ausführung der Außenmantel 21 des Gehäuses 1 im Bereich des Steuerungsabteils 28 mit Kühlrippen 37 versehen. Die Elemente der Stromrichterschaltung 12 und der Steuerelektronik 13 sind ihrerseits

Elemente mit einer Temperaturfestigkeit wenigstens bis 150° C, so daß ein gewisser Wärmestau noch keinen Schaden verursacht.

Fig. 2 zeigt in vergleichbarer Darstellung einen Scheibenrotormotor vergleichbarer Bauart, bei dem jedoch die Motorwelle 2 in Bohrungen der abtriebsseitigen Vorderwand 22 und der Trennwand 24 gelagert ist und nicht bis ans hintere Ende des Gehäuses 1 reicht. Dieses ist zweiteilig aufgebaut, indem sein hinterer Teil, der das Steuerungsabteil 28 umschließt, topfförmig ausgebildet ist und mit Hilfe von Schraubflanschverbindungen 41 am vorderen Teil des Gehäuses befestigt ist. Da hier die Motorwelle nicht bis in das Steuerungsabteil 28 hineinragt, ist der für die dort unterzubringenden Komponenten zur Verfügung stehende Raum nicht ringförmig, sondern zylinderscheibenförmig. Die Stromrichterschaltung 12 und die Steuerelektronik 13 sind hier als gemeinsame Komponente in Form eines Blocks eingezeichnet.

Fig. 3 zeigt einen Motor, bei dem die Motorwelle 2 eine Hohlwelle ist und für beiderseitigen Abtrieb ausgebildet ist. In einem eine zylindrische Bohrung aufweisenden Stator 43 läuft bei dieser Ausführungsform ein Trommelrotor 44, der an seiner Außenseite mit den Peramentmagneten 5 belegt ist. Die Wicklung des Stators 43 wird durch die Stromrichterschaltung 12 gespeist, die von der Steuerelektronik 13 gesteuert wird. Diese Komponenten 12 und 13 befinden sich wiederum im Steuerungsabteil 28, das axial gegen das Antriebsabteil 27 versetzt ringförmig um den zentral hindurchverlaufenden Teil der Motorwelle 2 angeordnet ist.

Fig. 4 zeigt eine wiederum abgewandelte Bauart, bei der sich im eine axiale Bohrung umgebenden Stator 43 eine elektromagnetischer Trommelrotor 46 befindet, der mit Strom über Bürsten 47 und Schleifringe 48 gespeist wird. Die dargestellte Ausführung kann sowohl so geschaltet sein, daß der Stator 43 mit dem Wechselstrom von der Stromrichterschaltung 12 und der Rotor 46 mit Gleichstrom, oder der Stator 43 mit Gleichstrom und der Rotor 46 mit dem Wechselstrom gespeist werden. Es sind auch Motoren möglich, bei denen beide Wicklungen mit aufeinander abgestimmten Wechselströmen gespeist werden.

Bei dieser Ausführungsform bildet das Antriebsabteil 27 einen axial zentralen zylindri-

sehen Raum und das Steuerungsabteil 28 einen koaxial darum herum liegenden äußeren Ringraum, in dem sich die Elemente der Stromrichterschaltung 12 und der Steuerelektronik 13 zu einem Ringkörper zusammengefaßt befinden. Die Abteile 27 und 28 sind durch eine zylindrische Trennwand 49 voneinander getrennt.

Fig. 5 veranschaulicht schließlich noch ein Motorgehäuse in Form eines Rohrs oder eines Topfs, mit wenigstens einer Gehäusekappe. Wiederum ist das Gehäuse mit 1 und ist die Gehäusekappe mit 23 bezeichnet.

In Fig. 5 sind zwei Abteile 51, 52 dargestellt, von denen eines oder die gemeinsam vorhanden sein können und die Stromrichterschaltung 12 und die Steuerelektronik 13 enthalten. Diese Abteile 51 und 52 sind Gehäuseteile, die insbesondere Angußteile sein können, jedoch auch angeschraubte Teile sein können und jeweils noch einen Deckel 53 bzw. 54 aufweisen. Es handelt sich hier also um Gehäusevorsprünge oder Gehäuseaußenteile, durch die die Stromrichterschaltung und die Steuerelektronik umschlossen sind. Eine im Gehäuseteil des Abteils 51 sichtbare Kabeldurchführung 56 dient dem Anschluß an eine externe Stromquelle.

Die getrennten Abteile 27 und 28 sind nicht unbedingt erforderlich. Beispielsweise kann eine in Kunststoff vergossene Stromrichterschaltung und/oder Steuerelektronik auch einfach zusammen mit den Bauteilen Stator und Rotor im einzigen Innenraum des Gehäuses untergebracht sein.

• ·

Claims

1. Kollektorloser Elektromotor mit elektronischer Stromkommutierung, umfassend eine Gleichstrommaschine mit Motorwelle (2), Stator (3, 43) und Rotor (4, 44, 46), jeweils mit magnetischen Bauteilen, von denen zumindest eines ein Elektromagnet mit einer Wicklung (11) ist, eine Stromrichterschaltung (12), die mit der Wicklung elektrisch verbunden ist und die Stromkommutierung durchführt, einer Steuerelektronik (13), die die Stromrichterschaltung steuert, Anschlußklemmen (31) zum Anschluß der Stromrichterschaltung und der Steuerelektronik an eine externe Stromquelle (36), und ein Motorgehäuse (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichterschaltung (12) und die Steuerelektronik (13) durch Gehäuseteile (28, 51, 52) umschlossen sind, die zum Motorgehäuse (1) gehören.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (3, 43) und/oder der Rotor (4, 44) als magnetische Bauteile permanentmagnetische Bauteile (5) hat.

3. Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator bzw. Rotor (4) mit den permanentmagnetischen Bauteilen (5) ein Scheibenbauteil ist.

4. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichterschaltung (12) und die Steuerelektronik (13) in einem Gehäuseteil (51) angeordnet sind, das außen am Motorgehäuse (1) sitzt.

5. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (51) ein integraler Teil des Motorgehäuses (1) ist.

6. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichterschaltung (12) und die Steuerelektronik (13) im Innern des Motorgehäuses (1) angeordnet sind.

7. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stromrichterschaltung (12) und die Steuerelektronik (13) in einem Gehäuseabteil (28) befinden, das gegenüber einem Gehäuseabteil (27), in dem sich der Stator (3, 43) und der Rotor (4, 44) befinden, in Axialrichtung - hinsichtlich der Achse der Motorwelle (2) - versetzt angeordnet ist.

8. Elektromotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichterschaltung (12) mit der Steuerelektronik (13) in ihrem Abteil (28) ringförmig um die dort sich hindurcherstreckende Motorwelle (2) angeordnet ist.

9. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stromrichterschaltung (12) und die Steuerelektronik (13) in einem Gehäuseabteil (28) befinden, das einen Ringraum enthält, der sich radial außerhalb eines Gehäuseabteils (27), in dem sich der Stator (43) und der Rotor (46) befinden, umlaufend um dieses erstreckt.

10. Elektromotor nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil bzw. Gehäuseabteil auch die Anschlußklemmen (31) zum Anschluß an die Stromquelle enthält.

11. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Stromrichterschaltung (12) und/oder der Steuerelektronik (13) Elemente hoher Temperaturfestigkeit sind.

12. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Motorgehäuse (1) außen in den Bereichen (28), die die Stromrichterschaltung (12) und die Steuerelektronik (13) enthalten, Kühlrippen (37) hat.

13. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichterschaltung (12) und/oder die Steuerelektronik (13) in Kunststoff vergossen sind.