DE3230283C2

DE3230283C2 -

Info

Publication number: DE3230283C2
Application number: DE19823230283
Authority: DE
Inventors: Bertrand Dipl.-Ing. 8770 Lohr De Dupre La Tour
Original assignee: Indramat GmbH
Current assignee: Rexroth Indramat GmbH
Priority date: 1982-08-14
Filing date: 1982-08-14
Publication date: 1989-06-01
Also published as: DE3230283A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Servomotor mit einem eine Wicklungsanordnung tragenden Stator, benachbart zu welchem ein auf der Motorwelle angeordneter Rotor durch einen Luftspalt getrennt gegenüber dem Stator angeordnet ist. Dabei ist die Wicklungsanordnung derart erregbar, daß ein den einen oder mehrere Permanentmagnete tragender Rotor in Drehung versetzen des Drehfeld erzeugt wird. Ein derartiger Servomotor ist aus der DE-OS 28 34 523 bekannt. Andererseits ist aus der DE-OS 21 60 679 ein Höchstdrehzahl-Elektromotor mit Dauermagnet be schrieben. Bei diesem Motor sind Dauermagnete in einer Rotor scheibe untergebracht und eine Ankerwicklung befindet sich in Nuten eines Ankerkörpers. Was den konstruktiven Aufbau dieses Höchstdrehzahl-Elektromotors angeht, so stimmt dieser mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 zwar überein, kann aber auf die Ausbildung eines Servomotors keinen Hinweis geben, denn dieser Motor hat große Luftspalte und besitzt ein für Servomotore viel zu hohes Drehmassenträgheitsmoment. Allerdings ist dieser Motor in der Lage, eine höchste Drehzahl von 60 000 Umdrehun gen pro Minute zu erreichen.

Aus der DE-OS 26 58 998 ist ein Elektromotor, und zwar insbe sondere ein Wechselstrom-Induktionsmotor bekannt. Gemäß der Aufgabe dieser Offenlegungsschrift soll ein solcher Motor unmittelbar als Teil eines in Schwingungen versetzbaren Mecha nismus, beispielsweise eines Waschmaschinenrührers, arbeiten. Zwar werden einige wesentliche Eigenschaften, wie geringe Trägheit und schnelle Drehzahlveränderlichkeit, in der DE-OS 26 58 998 beschrieben, es ist dort jedoch nicht die Variante mit einem Permanentmagnetrotor ausgeführt.

Aus dem "Engineering Handbook" der Electrocraft Corp. mit dem Titel "DC-Motors Speed Control Service Systems", 4. Auflage, 1978, sind allerdings konstruktiv unterschiedliche bürstenlose Gleichstrommotoren bekannt, die insbesondere für Servoantriebe geeignet sind. Ein wichtiger Vorteil dieser bekannten Motoren besteht darin, daß die in den Wicklungen erzeugte Wärme jedenfalls dann leicht abgeführt werden kann, wenn die Wicklungen im Stator ausgebildet sind. Weitere Vorteile sind dabei die absolute Wartungsfreiheit wegen des Fehlens elektromechanischer Verschleißteile, ein hohes Leistungsgewicht, keine Einschränkung des Beschleuni gungsmoments durch Kommutierungsgrenzen und ferner mehrfaches, auch im Stillstand verfügbares Nennmoment im Kurzschlußbetrieb. Bei diesen bekannten bürstenlosen Gleichstrommotoren kann es allerdings zu Einbauschwierigkeiten in andere Maschinen kommen, und ferner können die Herstel lungskosten für einen gewünschten Anwendungszweck von Nachteil sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Servomotor der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß ein hohes Leistungsgewicht, eine geringe Trägheit und eine kostengünstige Herstellung erreicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Servomotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen vor.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungs beispiel des erfindungsgemäßen bürstenlosen Gleichstrom motors mit zwei Wicklungsanordnungen;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung einer Wicklungsanordnung;

Fig. 3 einen bürstenlosen Gleichstrommotor im Schnitt, und zwar ausgebildet gemäß dem prinzipiellen Ausführungs beispiel der Fig. 1;

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Gleichstrommotor im Schnitt, und zwar ausgebildet gemäß dem prinzipiellen Ausfüh rungsbeispiel gemäß Fig. 2;

Fig. 5a einen Schnitt durch eine von einem Stator getragene Wicklungsanordnung;

Fig. 5b die Wicklungsanordnung gemäß Fig. 5a in "abgewickeltem" Zustand.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines gemäß der Erfin dung ausgebildeten Permanentmagnet-Drehstrom-Servo-Motors, der nach dem Gesetz von Lorenz wie ein konventioneller Gleich strommotor arbeitet. Der erfindungsgemäße Servo-Motor 1 weist einen Rotor 2 sowie benachbart dazu angeordnete Statorwicklungsanord nungen 5 und 6 auf, die jeweils von einem Stator 3 bzw. 4 ge tragen werden. Ein Gehäuse 7 umgibt den Rotor 2 sowie die Sta toren 3 und 4. Die beiden Statoren sind aus Blech aufgebaut, und zwar vorzugsweise aus gestanztem und gewickeltem Blech. Die elektrischen Leiter der Wicklungsanordnungen 5 und 6 sind vor zugsweise in, in Fig. 1 nicht gezeigten, Statornuten radial an geordnet.

Der Rotor 2 wird von einer Motorwelle 8 getragen und weist Permanentmagnete 9, 10 mit abwechselnder Polarität auf. Bei spielsweise haben die Permanentmagnete 9 jeweils einen in Richtung der Ankerwicklungsanordnung 6 weisenden Nordpol und einen in Richtung der Ankerwicklungsanordnung 5 weisenden Südpol. Für 10 gilt entsprechend das Umgekehrte.

Bei Erregung der Wicklungsanordnungen 5 und 6 in an sich be kannter Weise über eine elektronische Kommutierungseinrich tung kann der Rotor 2 in Drehungen versetzt werden. Nachdem es sich bei dem erfindungsgemäßen Motor um einen sogenannten kollektorlosen Motor handelt, kann die Kommutierungseinrich tung beispielsweise in der Art vorgesehen sein, wie dies in der DE-OS 28 34 523 beschrieben wurde.

Erfindungsgemäß sind die Statoren 3 und 4 einerseits und der Rotor 2 andererseits derart bezüglich einander angeordnet, daß das den Luftspalt zwischen Rotor und Statoren durchlaufende Magnetfeld axial, das heißt in Richtung der Motorwellenachse 11 verläuft. Jeder der Statoren 3 und 4 in Fig. 1 weist einen nicht näher bezeichneten Rückschlußring auf, der den magneti schen Kreis schließt.

Fig. 2 veranschaulicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches als ein Spezialfall der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 1 angesehen werden kann. Soweit sinnvoll, wurden beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 die gleichen Bezugs zeichen wie beim Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 verwendet. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist nur ein Stator 3 vorgesehen, bei dem die zur Aufnahme einer drei Wicklungen Φ ₁, Φ ₂ und Φ ₃ auf weisenden Wicklungsanordnung dienenden Nuten 12 deutlich zu erken nen sind. Ferner ist der Blechaufbau des Stators 3 gut zu sehen. Zusammen mit dem Stator 3 ist ferner an der vom Rotor 2 abgewandten Seite ein Rückschlußring 13 einstückig mit dem Stator 3 ausgebildet. Ein weiterer Rückschlußring 14, ebenfalls aus Blech aufgebaut, befindet sich auf der entgegengesetzt liegenden Seite des Ro tors 2. In etwa stabförmig ausgebildete Magnete 15, 16 mit ab wechselnder Polarität wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 werden vom Rotor getragen und sind durch ein um den Umfang des Rotors 2 herum verlaufendes Band 20 gehaltert.

Fig. 3 zeigt in konkreterer Darstellung einen erfindungsgemäßen Motor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Der Motor 1 weist ein aus einem nichtmagnetischen Material bestehendes Ge häuse 21 auf, in dem die Welle 8 drehbar gelagert ist. Durch Schrauben 22 ist der Stator 4 zusammen mit der von ihm getragenen Wicklungsanordnung 6 an ei ner Wand des Gehäuses 21 befestigt. Eine entgegengesetzt lie gende Wand des Gehäuses 21 trägt einen Stator 3, der mit der Wicklungsanordnung 5 ausgestattet ist. Die Befestigung des Stators 3 an der Seitenwand des Gehäuses 21 erfolgt durch Schrauben 23. Die beiden Statoren weisen mit ihren genuteten Flächen aufeinander zu, wobei zwischen diesen Flächen unter Bildung zweier Luftspalte ein Raum zur Aufnahme des Rotors 2 vorhanden ist, der von der Mo torwelle 8 getragen wird. Der Rotor 2 weist einen aus Al, Messing oder Plastik bestehenden Rotorkörper 60 auf, der Permanentmagne te 15, 16 vorzugsweise der in Fig. 2 gezeigten Form trägt, so daß der Rotor 2 bei Erregung der Statorwicklungsanordnungen 5, 6 in Drehung versetzt wird. Ersichtlich sind Rotor 2 und die Statoren 3, 4 derart bezüglich einander angeordnet, daß das die Luftspalte durchlaufende Magnetfeld axial, d. h. in Richtung der Achse 11 des Motors verläuft. Ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 für den Stator 3 dargestellt, weist der Stator 3 gem. Fig. 3 einen Rückschlußring 13 auf, und der Stator 4 weist einen Rück schlußring 44 auf. Von der an sich bekannten Kommutierungssteue rung ist - vgl. Fig. 3 - eine Kodierscheibe 24 auf der Welle 8 und eine Gabellichtschranke 29 am Gehäuse befestigt dargestellt. Diese Bauteile sind bekannt, so daß hier auf eine nähere Be schreibung verzichtet werden kann.

Vorzugsweise besteht das Gehäuse 21 aus zwei Gehäusehälften, die durch Schraubverbindungen 61 miteinander verbindbar sind. Die Schraubverbindungen 61 ermöglichen auch eine Justierung des bzw. der Ankerspalte.

Fig. 7 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, welches den Prinzipaufbau der Fig. 2 verwendet. In nicht näher dargestellter Weise ist ein Stator 3 mit seinem Rück schlußring 13 am Motorgehäuse 21 befestigt. Eine Wicklungs anordnung 5 ist in in Radialrichtung verlaufenden Nuten 12 angeordnet und erzeugt ein Magnetfeld, welches in Richtung der Achse 11, aber radial gegenüber dieser versetzt, verläuft. Ein Rückschlußring 14 bildet zusammen mit der dar auf hinweisenden Seite des Stators 3 einen Spalt zur Aufnahme des Permanent-Magneten 15, 16 tragenden Motors 2, der seiner seits auf der Motorwelle 8 sitzt.

Bei allen Ausführungsbeispielen kann, wie erwähnt, der Körper 60 des Rotors 2 aus einem nichtmagnetischen Leichtmetall oder Kunst stoff bestehen, da durch die Anordnung der Rotormagnete 9, 10, 15, 16 kein magnetischer Fluß durch den Rotorkörper 60 verläuft. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 kann der Körper des Rotors 2 insbesondere als ein Gußteil hergestellt werden. Dies ermög licht es, daß der Körper des Rotors 2 gleichzeitig noch als Codierscheibe oder Codiertrommel 24 mit einer Gabellichtschranke 29 zusammenarbeitet, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

Fig. 5a zeigt die schematische Draufsicht auf einen Stator, und zwar von den Einschnitten der Nuten 12 her. Es ist dabei dar gestellt, wie die Wicklungsanordnung vorgesehen sein kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Wicklungsanord nung aus drei gegeneinander in entsprechender Weise versetzten Wicklungen Φ ₁, Φ ₂ und Φ ₃. Wenn zwei Statoren verwendet werden, wie dies im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dargestellt ist, so sind die beiden Wicklungsanordnungen 5 und 6 in entsprechender Weise ge schaltet, so daß ein in gleicher Richtung wirkendes Drehmoment auf den Rotor 2 ausgeübt wird.

Fig. 5b stellt die Wicklungsanordnung bestehend aus den Wicklun gen Φ ₁, Φ ₂ und Φ ₃ "abgewickelt" dar.

Da der Rotor 2 mit sehr hoher Drehzahl rotieren kann, ist zum Schutz der Permanentmagnete 9, 10 und 15, 16 ein Halteelement vorgesehen, welches beispielsweise ein in Fig. 2 gezeigtes Band 20 sein kann. Im übrigen können die Permanentmagnete einen Außenmantel aus Glasfasern aufweisen und mit Kunstharz versteift sein. Dies ist besonders bei Motoren mit hohen Drehzahlen, d. h. hoher Fliehkraft, der Fall. Dieser Mantel, der beispielsweise die Stelle des in Fig. 2 gezeigten Bandes 20 einnehmen kann, liegt vorteilhafterweise im Gegensatz zu bekannten Motoren nicht im Luftspalt, was eine höhere Luftspaltinduktion und ebenso eine höhere mechanische Festigkeit ermöglicht.

Wie oben erläutert, kann bzw. können gemäß der Erfindung ein bzw. zwei Statoren 3, 4 verwendet werden, wobei die Wärmeabfuhr in ef fektiver Weise durch ein bzw. zwei Flansche des Motorgehäuses er folgen kann. Vorzugsweise ist der Luftspalt zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3, 4 durch ein Stellglied veränderbar.

Obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, so kann doch eine Trennwand im Luftspalt derart angeordnet werden, daß der Rotor 2 sich in einem anderen Medium, beispielsweise in einem an deren Gas oder einer anderen Flüssigkeit als der Stator drehen kann. Die Phasencodierung kann durch magnetische oder optische Sensoren oder durch die elektromagnetische Kraft, wie z. B. die in den Phasen induzierte Spannung erzeugt werden.

Zusammenfassung

Servomotor mit einem eine Wicklungsanordnung tragenden Stator, benachbart zu welchem ein auf der Motorwelle angeordneter Ro tor durch einen Luftspalt getrennt gegenüber dem Stator ange ordnet ist, wobei die Wicklungsanordnung derart erregbar ist, daß ein den einen oder mehrere Permanentmagnete tragender Rotor in Drehung versetzendes Drehfeld erzeugt wird, wobei Stator und Rotor derart bezüglich einander angeordnet sind, daß das den Luftspalt durchsetzende Magnetfeld axial, d. h. in Richtung der Motorwelle verläuft, und der Stator aus Blechen aufgebaut ist, in die Ausnehmungen eingestanzt sind, um so zur Aufnahme der Statorwicklungsanordnung dienende Nuten zu bil den.

Claims

1. Servomotor (1) mit einem eine Wicklungsanordnung (5, 6) tragenden Stator (3, 4), benachbart zu welchem ein auf der Motorwelle (8) angeordneter Rotor (2) durch einen Luftspalt getrennt gegenüber dem Stator angeordnet ist, wobei die Wicklungsanordnung (5, 6) derart erregbar ist, daß ein den einen oder mehrere Permanentmagnete (9, 10; 15, 16) tragender Rotor (2) in Drehung versetzendes Drehfeld erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß Stator (3, 4) und Rotor (2) derart bezüglich einander angeordnet sind, daß das den Luftspalt durchsetzende Magnetfeld axial, d. h. in Richtung der Motorwelle verläuft und
daß der Stator (3, 4) aus Blechen aufgebaut ist, in die Ausnehmungen (35) eingestanzt sind, um so zur Aufnahme der Statorwicklungsanordnung (5, 6) dienende Nuten (12) zu bilden.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Statoren (3, 4) mit dazwischen angeordnetem scheibenförmigen Rotor (2) vorgesehen sind.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Statoren (3, 4) und der Rotor (2) scheibenförmig ausgebildet sind.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Rotor (2) zwischen einem Stator (3) und einem stillstehenden Rückschlußring (14) angeordnet ist (Fig. 2 und 4).

5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) zwischen zwei Statoren (3, 4) angeordnet ist (Fig. 1 und 3).

6. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (3) eine im ganzen kreiszylindrische Innenoberfläche und Außenoberfläche besitzt.

7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (9, 10; 15, 16) mit einer Polfläche zum Stator (3) und mit der anderen Polfläche zum anderen Stator (4) bzw. einem Rückschlußring (14) hinweisen.

8. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Permanentmagnete (9, 10; 15, 16) tragende Rotorkörper (60) aus einem leichten, nicht magnetischen Metall oder Kunststoff besteht.

9. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Rotors (2) verlängert ist und gleichzeitig zur Codierung verwendet wird.

10. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (9, 10; 15, 16) durch einen Außenmantel bzw. ein Band (20) aus Fiberglas und Kunstharz zusammengehalten werden.

11. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wicklungsanordnung bildenden Leiter in radial verlaufenden Nuten (12) angeordnet sind.

12. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rotor (2) und Stator (3, 4) eine nichtmagnetische Trennwand angeordnet ist.

13. Verwendung des Motors nach einem der vorherigen Ansprüche als Tacho-Generator.

14. Motor nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (21) des Motors vorgesehene Schraubverbindungen (61) eine Justierung des bzw. der Ankerspalte ermöglichen.