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DE29821358U1 - Bürstenloser Miniaturgleichstrommotor mit radialem Luftspalt und Einzelspule mit axialer Wicklung - Google Patents

Bürstenloser Miniaturgleichstrommotor mit radialem Luftspalt und Einzelspule mit axialer Wicklung

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DE29821358U1
DE29821358U1 DE29821358U DE29821358U DE29821358U1 DE 29821358 U1 DE29821358 U1 DE 29821358U1 DE 29821358 U DE29821358 U DE 29821358U DE 29821358 U DE29821358 U DE 29821358U DE 29821358 U1 DE29821358 U1 DE 29821358U1
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DE
Germany
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coil
control circuit
axial
motor
single coil
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DE29821358U
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Sunonwealth Electric Machine Industry Co Ltd
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Sunonwealth Electric Machine Industry Co Ltd
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
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    • H—ELECTRICITY
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Brushless Motors (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Description

Sunonwealth Electric Machine B35.152-80/pl
Industry Co., Ltd.
12F-1, No. 120, Chung Cheng 1 Road
Kaohsiung, Taiwan , R.O.C.
Bürstenloser Miniaturgleichstromraotor mit: radialem Luftspalt und Einzelspule mit axialer Wicklung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Miniaturgleichstrommotor mit einem radialen Luftspalt und einer Einzelspule mit axialer Wicklung.
Das US-Patent Nr. 5.289.089 nach Aoki, eingereicht am 22. Februar 1994, offenbart einen kleinen Gleichstrommotor mit hohem Drehmoment und mit hohem Wirkungsgrad, um die Geräuschentwicklung zu reduzieren, der zur Ausbildung in einer integrierten Schaltung geeignet ist. Obwohl das Patent nach Aoki die Probleme eines herkömmlichen Gleichstrommotorantriebs .(siehe Fig. 2 des US-Patents) löst, kann die axiale Dicke des Stators nicht so reduziert werden, daß die Anforderungen für eine Miniaturmotorwelle erfüllt werden. Dies liegt daran, daß die Wicklung für die Statorspule radial angeordnet ist, wie in den Fig. 6 und 7 der Zeichnungen gezeigt ist. Die Fig. 6 und 7 zeigen einen vierpoligen Stator 100 bzw. einen zweipoli-
gen Stator 100, die gemäß der Lehre von Aoki' im US-Patent Nr. 5.289.089 konstruiert sind. In Fig. 6 enthält der Stator 100 vier Schenkel (Pole) 102, die sich von einer zentralen Axialbohrung 101 desselben nach außen erstrekken, während in Fig. 7 der Stator 100 zwei Schenkel (Pole) 102 enthält, die sich von einer zentralen Axialbohrung 101 desselben nach außen erstrecken. Die Wicklungsprozedur für die radiale Spule ist zeitaufwendig, da die Spule ohne Unterbrechung auf einmal gewickelt um jeden Schenkel 102 werden muß. Außerdem ist die Verteilung des Magnetfeldes nicht gleichmäßig. Es besteht daher Bedarf an Miniaturgleichstrommotoren mit minimaler axialer Dicke, hoher Motorleistung und einfacher Wicklungsprozedür, die auf einmal ohne irgendwelche Unterbrechungen ausgeführt werden kann.
Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen bürstenlosen Miniaturgleichstrommotor mit einem radialen Luftspalt und einer einzelnen Spule mit axialer Wicklung zu schaffen, die ohne irgendwelche Unterbrechungen auf einmal gewickelt werden kann, um somit die Wicklungseffizienz zu verbessern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen bürstenlosen Miniaturgleichstrommotor mit einem radialen Luftspalt und einer Einzelspule mit axialer Wicklung zu schaffen, um die axiale Dicke des Motors zu reduzieren.
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen bürstenlosen Miniaturgleichstrommotor mit radialem Luftspalt und einer Einzelspule mit axialer Wicklung zu schaffen, die die Kosten des Motors senken und die Leistung des Motors verbessern kann.
Um die obenerwähnten Aufgaben zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung einen Stator rait einer Einzelspule mit axialer Wicklung, einen Rotor mit einem Permanentmagneten und eine Steuerschaltung. Zwei Anschlüsse der Einzelspule sind elektrisch mit der Steuerschaltung verbunden, die die Stromrichtung in der Einzelspule steuert, um magnetische Drehfelder zu erzeugen, durch die der Permanentmagnet in Drehung versetzt wird.
Ein Hall-Element des Motors erfaßt die Polarität (N oder S) des Rotors und gibt ein Impulssignal aus. Wenn der Ausgang des Hall-Elements auf Hochpegel liegt, wird die Steuerschaltung aktiviert, um einen ersten Satz von Transistoren einzuschalten und einen zweiten Satz von Transistoren auszuschalten. Eine positive Spannung wird somit an den ersten Anschluß der Spule angelegt, während an den zweiten Anschluß der Spule eine negative Spannung angelegt wird, so daß der Strom von ersten Anschluß zum zweiten Anschluß fließt. Wenn im Gegensatz hierzu der Ausgang des Hall-Elements auf Niedrigpegel liegt, wird der erste Satz von Transistoren ausgeschaltet und der zweite Satz von Transistoren eingeschaltet. Somit wird an den ersten Anschluß der Spule eine negative Spannung angelegt, während an den zweiten Anschluß der Spule eine positive Spannung angelegt wird, so daß der Strom vom zweiten Anschluß zum ersten Anschluß fließt. In wiederholten Operationen wird ein Wechselstrom erzeugt, der durch die Spule fließt. Als Folge hiervon erzeugt die Spule magnetische Wechselfelder, um den Motor anzutreiben.
Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Miniaturgleichstrommotors mit einer Einzelspule mit axialer Wicklung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Ansteuerungsschaltung für den Miniaturgleichstrommotor mit Einzelspule mit axialer Wicklung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein schematisches Schaubild einer Einzelspule mit doppelter axialer Wicklung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine weitere Ansteuerungsschaltung für den Miniaturgleichstrommotor mit Einzelspule mit axialer Wicklung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 die bereits erwähnte Schnittansicht eines Gleichstrommotors des Standes der Technik mit Doppelspule mit axialer Wicklung;
Fig. 6 die bereits erwähnte schematische Querschnittsansicht eines vierpoligen Stators des Standes der Technik mit axialer Wicklung; und
Fig. 7 die bereits erwähnte schematische Querschnittsansicht eines zweipoligen Stators des Standes der Technik mit axialer Wicklung.
Die Fig. 5 zeigt einen herkömmlichen Gleichstrommotor mit einer axialen Doppelspule, der hauptsächlich einen Stator 110, einen Rotor 120 und eine Steuerschaltung 130 umfaßt. Der Stator 110 enthält einen Spulensitz 111, um die eine Doppelspule längs einer Axialrichtung gewickelt ist, wobei drei Anschlüsse herausgeführt sind. Auf den oberen und unteren Enden des Spulensitzes 111 sind entsprechend obere und untere Polplatten 112 und 113 montiert. Der
Rotor 120 enthält einen Permanentmagneten 121, der an einem inneren Umfang desselben montiert ist und somit einen radialen Spalt bezüglich der oberen und unteren Platten 112 und 113 auf dem Statorsitz 110 für die Induktion bildet. Der Rotor 120 enthält eine Achse 122, die in einer Axialbohrung 114 des Statorsitzes 110 drehbar montiert ist, so daß der Rotor 110 bezüglich des Statorsitzes 110 rotieren kann. Die Steuerschaltung 130 ist unterhalb des Statorsitzes 110 montiert, um die Phase des Permanentmagneten 121 auf dem Rotor 120 zu erfassen und um die Stromrichtung der Spule auf dem Spulensitz 111 zu steuern, wodurch die Doppelspule des Spulensitzes 111 von einem Wechselstrom durchflossen wird. Der Spulensitz 111 besitzt zwei Sätze von Axialspulen Ll und L2, die um diesen gewickelt sind, wodurch drei Anschlüsse gebildet werden, die elektrisch mit der Steuerschaltung 130 verbunden sind. Die Steuerschaltung 130 macht in Abhängigkeit von der erfaßten Phase des Permanentmagneten 121 wechselweise die Spulen Ll und L2 leitend. Somit erzeugen die obere Polplatte 112 und die untere Polplatte 113 magnetische Wechselfelder, um den Rotor 120 anzutreiben. Die Steuerschaltung 130 kann eine Steuerschaltung (&zgr;. &Bgr;. eine in Fig. 2 des US-Patents Nr. 5.289.089 gezeigte Ansteuerungsschaltung) für herkömmliche Gleichstrommotoren mit einer Doppelspule verwenden.
Die Statorspule mit axialer Wicklung, die in Fig. 5 gezeigt ist, kann den zeitaufwendigen Nachteil beseitigen, der bei der herkömmlichen radialen Wicklung besteht, und kann somit die Wicklungskosten für die Statorspule deutlich reduzieren. Außerdem wird das von einer Spule mit axialer Wicklung erzeugte magnetische Feld gleichmäßiger verteilt als das von einer Spule mit radialer Wicklung erzeugte magnetische Feld, da die axiale Wicklung gleichmäßiger verteilt ist als die radiale Wicklung. Obwohl Gleichstrommotoren mit solcher axialer Doppelwick-
lung die Nachteile herkömmlicher Motoren "mit radialer Wicklung beseitigen, sind drei Anschlüsse erforderlich, um zwei Spulen elektrisch mit der Steuerschaltung zu verbinden. Wenn somit eine Hälfte der Wicklungsprozedur abgeschlossen ist, muß ein Anschluß herausgeführt werden, bevor mit der anderen Hälfte der Wicklungsprozedur fortgefahren wird. Das heißt, die Wicklungsarbeit kann nicht ohne Unterbrechung auf einmal durchgeführt werden. Außerdem werden die zwei Spulen abwechselnd angesteuert, so daß das vom Motor erzeugte Drehmoment relativ gering ist, da die wirksamen Windungen der Wicklung um 50 % reduziert sind. Ferner erzeugt die nicht angesteuerte Spule eine hohe Temperatur aufgrund der Hysterese des Stroms. Außerdem neigt das Schalten des Antriebsstroms dazu, eine Umkehrspannung und Störspitzen zu erzeugen, was den Motorwirkungsgrad herabsetzt.
Die vorliegende Erfindung soll den Gleichstrommotor mit axialer Doppelspule zu einem Gleichstrommotor mit axialer Einzelspule modifizieren, um die obenerwähnten Probleme zu beseitigen.
Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Gleichstrommotor mit einem radialen Spalt und einer Einzelspule mit axialer Wicklung gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Motor enthält im wesentlichen einen Stator 110, einen Rotor 120 und eine Steuerschaltung 200. Der Stator 110 enthält einen Spulensitz 111, um den eine Einzelspule 115 längs einer Axialrichtung gewickelt ist, wobei zwei Anschlüsse in "a" und "b" herausgeführt sind. An den oberen und unteren Enden des Spulensitzes 111 sind jeweils obere und untere Polplatten 112 und 113 montiert. Der Rotor 120 enthält einen Permanentmagneten 121, der an einem Innenumfang desselben montiert ist und somit einen radialen Spalt bezüglich der oberen und unteren Platten 112 und 113 auf dem Statorsitz 110 für die Induktion bildet. Der
Rotor 120 enthält eine Achse 122, die in einer Axialbohrung 114 des Statorsitzes 110 axial montiert ist, so daß der Rotor 120 bezüglich des Statorsitzes 110 rotieren kann. Die Steuerschaltung 200 ist unterhalb des Statorsitzes 110 montiert und elektrisch mit den Anschlüssen "a" und "b" der Spule 115 verbunden, um die Phase des Permanentmagneten 121 auf dem Rotor 120 zu erfassen, wodurch die Stromrichtung der Spule 115 auf dem Spulensitz 111 gesteuert wird. Die Steuerschaltung 200 macht die Spule 115 in zwei Richtungen (Uhrzeigersinn/Gegenuhrzeigersinn) in Abhängigkeit von der erfaßten Phase des Permanentmagneten 121 wechselweise leitend. Somit erzeugen die obere Polplatte 112 und die untere Polplatte 113 magnetische Wechselfelder, um den Rotor 120 anzutreiben.
Wie in Fig. 2 gezeigt, enthält die Steuerschaltung 200 ein Hall-Element 203, das die Polarität (N oder S) des Rotors 120 erfaßt und ein Impulssignal ausgibt. Wenn der Ausgang des Hall-Elements 203 auf Hochpegel liegt, wird ein erster Satz von Transistoren 221, 222 und 223 eingeschaltet, wobei auch der Transistor 224 eingeschaltet wird, während ein zweiter Satz von Transistoren 225, 226 und 227 ausgeschaltet wird. Somit wird an den ersten Anschluß (a) der Spule 115 eine positive Spannung angelegt, während an den zweiten Anschluß . (b) der Spule 115 eine negative Spannung angelegt wird, so daß der Strom vom ersten Anschluß "a" zum zweiten Anschluß "b" fließt. Wenn im Gegensatz hierzu der Ausgang des Hall-Elements 203 auf Niedrigpegel liegt, wird der erste Satz von Transistoren 221, 222 und 223 ausgeschaltet, wobei auch der Transistor 224 ausgeschaltet wird, während der zweite Satz von Transistoren eingeschaltet wird. Somit wird an den ersten Anschluß "a" der Spule 115 eine negative Spannung angelegt, während an den zweiten Anschluß "b" der Spule 115 eine positive Spannung angelegt wird, so
daß der Strom vom zweiten Anschluß "b" zum ersten Anschluß "a" fließt. In wiederholten Operationen wird ein Wechselstrom erzeugt, der durch die Spule 115 fließt. Als Ergebnis hiervon erzeugt die Spule 115 magnetische Wechselfelder, um den Rotor 120 des Motors zu drehen.
Die Spule 115 kann entweder ein einzelner Emaildraht sein oder aus zwei Emaildrähten gewickelt sein. Die Fig. 3 zeigt eine Spule 115, die aus zwei Emaildrähten A und B gewickelt ist. Ein Anschluß A2 des Drahtes A ist elektrisch mit einem Anschluß Bl des Drahtes B verbunden, während der andere Anschluß Al des Drahtes A und der andere Anschluß B2 des Drahtes B elektrisch mit der Steuerschaltung 200 verbunden sind, um eine axiale Einzelspule mit doppelter Wicklung zu bilden. Da die Einzelspule 115 durch gleichzeitiges Wickeln zweier Emaildrähte ausgebildet wird, kann die Wicklungszeitspanne verkürzt werden, während die gleiche Anzahl wirksamer Spulenwindungen erhalten wird. Die Emaildrähte A und B können an ihrer Außenfläche unterschiedliche Farben erhalten, um sie zu unterscheiden.
Die Fig. 4 zeigt eine Schaltung, in der die Motorstatorspule eine Einzelspule 115 mit zwei Anschlüssen a und b umfaßt, die zu einer Steuerschaltung 200' herausgeführt sind. Alle Transistoren und Widerstandselemente können in Form eines kleinen integrierten Schaltungschips konstruiert werden, um den resultierenden Motor zu verkleinern.
Im Vergleich zum obenerwähnten Gleichstrommotor mit axialer Doppelspule hat der Spulensitz 111 der vorliegenden Erfindung doppelt so viele wirksame Wicklungen wie derjenige der Doppelspule. Als Folge hiervon kann der Wirkungsgrad des Miniaturgleichstrommotors bei gleicher Größe erheblich verbessert werden. Außerdem ist das Wickeln einfacher, d. h. es ist keine Herausführung nach
der halben Wicklungsprozedur erforderlich. Ferner werden die Umkehrspannung und die Störspitzen, die bei der wechselweisen Leitung der Doppelspule erzeugt werden, beseitigt, während der Motorwirkungsgrad verbessert und die Herstellungskosten gesenkt werden.
Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede zwischen einem Gleichstrommotor mit einer Doppelspule und einem Gleichstrommotor mit einer axialen Einzelspule gemäß der vorliegenden Erfindung bei gleichen Bedingungen bezüglich der Bleche, der äußeren Gehäuse und der Spulensitze.
Axiale Doppelspule
Axiale Einzelspule
Effektive Windungen der
Wicklung
Nennspannung Betriebsspannungsbereich Anlaufspannung Nenndrehzahl Luftfördervolumen Statischer Druck Nennstrom
Nennleistung
1/2 aller
Windungen
5 VDC
4-5 VDC
4 VDC 7500 min"1
1,7 m3/h
2,032 mm-H20
0,09 A
0,45 W
alle Windungen
5 VDC 3-6 VDC
3 VDC 7500 min"1
1,7 m3/h
2,286 mm-H20
0,04 A
0,2 W
Gemäß der obigen Tabelle wird angenommen, daß ein Gleichstrommotor mit einer axialen Einzelspule gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem Gleichstrommotor mit einer axialen Doppelspule gleicher Größe die doppelte Anzahl wirksamer Windungen besitzt, während die Anlaufspannung, der Nennstrom und die Nennleistung deutlich verringert sind. Das heißt, der Wirkungsgrad und die Kennlinien des Motors mit einer axialen Einzelspule
-"&Iacgr;&ogr;*-
unterscheiden sich von denjenigen des Motors mit einer axialen Doppelspule. Dementsprechend besitzt der Miniaturgleichstrommotor mit axialer Einzelspule gemäß der vorliegenden Erfindung eine vereinfachte Struktur und ein verkleinertes Volumen, wobei auch die Kosten als auch der Wirkungsgrad verbessert werden.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf ihre bevorzugte Ausführungsform erläutert worden ist, ist klar, daß viele andere mögliche Abwandlungen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung, wie sie im folgenden beansprucht wird, abzuweichen.

Claims (4)

A »· - li - Sunonwealth Electric Machine B35.152-80/pl Industry Co., Ltd. 12F-1, No. 120, Chung Cheng 1 Road Kaohsiung, Taiwan , R.O.C. Bürstenloser Miniaturgleichstrommotor mit radialem Luftspalt und Einzelspule mit axialer Wicklung Schutzansprüche!
1. Bürstenloser Miniaturgleichstrommotor mit einem radialen Luftspalt und einer Einzelspule mit axialer Wicklung,
gekennzeichnet durch
einen Statorsitz (110) , der eine zentrale Axialbohrung (114), eine obere Polplatte (112) und eine untere Polplatte (113) enthält;
eine axiale Einzelspule (115), die längs einer Längsrichtung der zentralen Axialbohrung (114) gewickelt ist und zwei Anschlüsse (a, b) besitzt;
einen Rotor (120), der eine Achse (122) besitzt, die in der zentralen Axialbohrung (114) des Statorsitzes (110) drehbar montiert ist, und einen Magneten (121) mit einem Nordpol und einem Südpol enthält; und
eine Steuerschaltung (200), die mit den zwei Anschlüssen (a, b) der axialen Einzelspule (115) elektrisch verbunden ist und ein Sensorelement (203) zum
Erfassen einer Polaritätsphase des Magneten (121) auf dem Rotor (120) enthält, um ein Steuersignal auszugeben und somit die Stromrichtung der axialen Einzelspule (115) zu ändern, wodurch magnetische Felder ausgebildet werden, die ihre Richtung wechseln, um den Rotor (120) in Drehung zu versetzen.
2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuerschaltung (200) eine erste Ansteuerschaltung (221, 222, 223) enthält, die elektrisch mit einem der Anschlüsse der Einzelspule (115) verbunden ist, sowie eine zweite Ansteuerschaltung (225, 226, 227), die elektrisch mit dem anderen Anschluß der Einzelspule (115) verbunden ist, wobei die erste Ansteuerschaltung (221, 222, 223) und die zweite Ansteuerschaltung (225, 226, 227) in Abhängigkeit vom Steuersignal vom Sensorelement (203) wechselweise leitend gemacht werden.
3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einzelspule (115) einen ersten Emaildraht (A) und einen zweiten Emaildraht (B) enthält, die um den Statorsitz (110) gewickelt sind, wobei der erste Emaildraht (A) ein erstes Ende (Al) besitzt, sowie ein zweites Ende (A2), das mit der Steuerschaltung (200) elektrisch verbunden ist, und wobei der zweite Emaildraht (B) ein erstes Ende (Bl) besitzt, das mit dem ersten Ende (Al) des ersten Emaildrahts (A) elektrisch verbunden ist, sowie ein zweites Ende (B2) , das mit der Steuerschaltung (200) elektrisch verbunden ist.
4. Gleichstrommotor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
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der erste Emaildraht (A) und der zweite Emaildraht (B) an ihren Oberflächen mit unterschiedlichen Farben versehen sind.
DE29821358U 1998-10-27 1998-11-30 Bürstenloser Miniaturgleichstrommotor mit radialem Luftspalt und Einzelspule mit axialer Wicklung Expired - Lifetime DE29821358U1 (de)

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