DE4137503A1 - Gleichstrommotor mit reduzierter laenge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft flache Motoren mit reduzierter Länge und maximierter Leistung.

Derartige scheibenförmige Motoren (auch als "pancake"-Motoren bekannt) werden in vielen Bereichen verwendet, in denen die Motorlänge einen kritischen Faktor darstellt. Allgemein stel­ len Axial-Luftspaltmotoren mit scheibenförmigen Läufern die kürzesten, derzeit bekannten Motorausführungen dar. Sie sind gekennzeichnet durch einen axialen Arbeitsluftspalt, gedruck­ ten, gestanzten oder drahtgewickelten scheibenförmigen Läu­ fern und axial oder radial ausgerichteten Bürsten/Feder-An­ ordnungen für axiale oder radiale Kommutation.

Während sich die bekannten Motoren dieses Typs in den jewei­ ligen Anwendungsbereichen als nützlich erwiesen haben, gibt es heute viele Anwendungsbereiche, in denen eine weitere Re­ duzierung der Motorlänge erforderlich ist. Das ist beispiels­ weise bei vielen Motoren im Automobilbau der Fall, sowohl für Kühler und Kondensator-Kühlsysteme, als auch für Fenster­ heber, Ventilatoren und dergleichen. Während Motorraum und Aufbauten im Automobilbau immer mehr reduziert werden, bleibt die Fahrgastzelle gleich oder wird eher größer. Daher stellt die Minimierung von Länge, Gewicht und Kosten bei gleichzei­ tiger Maximierung der Leistung einen wichtigen Faktor nicht nur im Automobilbau, sondern auch in anderen Bereichen dar, in denen derartige Motoren eingesetzt werden, wie beispiels­ weise im Flugzeugbau und in der Raumfahrt, in der Industrie und vielen anderen.

Deshalb soll klargestellt werden, daß der flache Motor mit reduzierter Länge entsprechend der Erfindung, der hier an Beispielen aus dem Automobilbau beschrieben wird, gleichfalls in vielen anderen Bereichen verwendet werden kann.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Motor mit redu­ zierter Länge und Gewicht und geringen Herstellkosten zu kon­ struieren, dessen Leistung und Energieausbeute deutlich er­ höht sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Anspruch 1 ge­ löst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Um die Motorlänge zu reduzieren, wurden in der Vergangenheit eine Reihe von Maßnahmen eingeführt, wie beispielsweise Doppelkäfig-Magnetanordnungen, d. h. zwei individuelle Ma­ gnete, Lagerzapfen innerhalb des gestanzten Läufers, sowie radial ausgerichtete Bürstenhalter, die zwischen den Magnet­ polen drahtgewickelter Läufer angebracht sind mit Standard­ kommutation und rückwärtigen radialen Ausgängen. Trotzdem be­ steht Bedarf nach einem Motor mit den oben angeführten und weiteren Eigenschaften in noch verbesserter Form. Die Motor­ konstruktion nach der Erfindung erfüllt diesen Bedarf.

Die Erfindung betrifft einen flachen Gleichstrommotor mit axialem Arbeitsluftspalt und einem scheibenförmigen Läufer mit gedruckten oder gestanzten Läuferwicklungen, der von der Vorder- bis zur Rückseite in seiner Länge reduziert ist und, in Kombination, die folgenden Bauteile aufweist: ein Gehäuse, bestehend aus einem vorderen und rückwärtigen Teil; eine Motorwelle, von der mindestens ein Teil aus dem vorderen Ge­ häuseteil ragt; einen im Gehäuse untergebrachten Stator mit einem oder mehreren Permanentmagneten; einen scheibenförmigen Läufer mit flachen Wicklungen, der gleichfalls im Gehäuse un­ tergebracht ist; eine Vorrichtung zum Montieren der einzelnen Bauteile und zum drehbaren Lagern eines Bauteils in einer Ebene vorbei am anderen Bauteil, ebenfalls innerhalb des Gehäuses; und der des weiteren, in Kombination, eine Kommu­ tiervorrichtung mit einer Bürstenanordnung enthält, die auf der Seite des Gehäuses angebracht ist, an der die Motorwelle herausragt, zur Stromversorgung der flachen Läuferwicklungen; Drahtverbindungen, die mit der Bürstenanordnung verbunden sind und das Gehäuse erregen an einer Stelle in radialem Abstand von der zentralen Achse des Motors und außerhalb des äußeren Durchmessers des scheibenförmigen Rotors und des/der Permanentmagnete; und Lager für die Welle in einer Spindel­ anordnung in einer Öffnung oder in Aussparungen im Gehäuse (Fig. 2).

Fig. 1 ist ein Querschnitt in Längsrichtung durch den Motor nach der Erfindung entlang seiner zentralen Achse und zeigt die am Lagerzapfen vor dem vorderen Gehäuseteil montierten Lager.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Motors aus Fig. 1, bei dem die Lager am Lagerzapfen innerhalb der vorderen und rück­ wärtigen Gehäuseteile montiert sind.

Fig. 3 ist ein Querschnitt in Längsrichtung durch den Motor aus Fig. 1, der innerhalb des Bereichs der Nabe eines Venti­ lators montiert ist.

Fig. 4 ist die graphische Darstellung des Verhältnisses von Drehmomentkonstante (K_T) und Magnetlänge (L_m) in Gleichstrom­ motoren entsprechend der Erfindung.

In Fig. 1 weist der erfindungsgemäße Motor 12 eine Bürsten­ halterung 11 auf, bestehend aus einer Feder 11′ und einer Bürste 11′′, auf der Ausgangswelle innerhalb des Motorgehäu­ ses. Das Motorgehäuse besteht aus einem vorderen Teil 13 und einem rückwärtigen Teil 14, die mit entsprechenden Endkappen 13′ und 14′′ versehen sind. Zum Betrieb des Motors enthält dieser noch mindestens einen weiteren Bürstenhalter, der in Fig. 1 nicht gezeigt ist. In dem in Fig. 1 gezeigten Motor befindet sich der Stator innerhalb des Motorgehäuses und wird von diesem gehaltert. In der vorzugsweisen Ausführung ist der Stator eine Doppelkäfig-Magnetanordnung 16. Es kann jedoch ebenfalls eine Einzelkäfig-Anordnung im Motor nach der Erfin­ dung verwendet werden.

Motoranschlüsse 17 werden unter oder durch einen Magneten oder zwischen Magneten, oder zwischen einem Magneten und dem Gehäuse geführt und dann radial oder axial entweder durch den vorderen oder den rückwärtigen Teil des Motorgehäuses aus diesem heraus. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführung sind die Anschlüsse 17 in einer im Magneten 19 angebrachten Nut unter­ gebracht und werden axial durch den rückwärtigen Gehäuseteil 14 herausgeführt.

Ein scheibenförmiger Läufer mit flachen Wicklungen 26 ist ebenfalls innerhalb des Motorgehäuses untergebracht und auf der Läufernabe 24 gehaltert.

Die Lager 20 und 21 sind auf Lagerzapfen innerhalb der End­ kappen 13′ und 14′ in Aussparungen innerhalb der Motor­ gehäuseteile 13 und 14 (Fig. 2) angebracht, oder in einer separaten Spindelanordnung 22 (Fig. 2).

Eine Kombination der beiden Unterbringungsarten ist ebenfalls möglich. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es ebenso möglich, alle Lager außerhalb entweder des vorderen Gehäuse­ teils 13 (Fig. 1) oder des rückwärtigen Gehäuseteils 14 anzu­ ordnen. Ebenfalls besteht die Möglichkeit, sie getrennt in den vorderen und rückwärtigen Endkappen 13′ und 14′ anzubrin­ gen, wie in Fig. 2 dargestellt. Eine andere Variante ist die Unterbringung der Lager 20 und 21 innerhalb der Läuferwelle 24 und im inneren Durchmesser der Magnete.

Falls gewünscht oder erforderlich, kann der rückwärtige Ge­ häuseteil 14 verstärkt werden, indem eine Rippe oder Vertie­ fung 25 angebracht wird, die in den Magnetinnendurchmesser 27 reicht. Damit wird das Anbringen vorstehender Verstärkungs­ rippen oder anderer metallischer Verstärkungen überflüssig. Eine weitere Vertiefung 28 im vorderen Gehäuseteil 13 erlaubt es, äußere Lasten näher an die Vorderfront des Motors zu bringen, wodurch die gesamte Anordnung verkürzt und die Gesamtlänge der Welle 30 reduziert wird.

Nach der Erfindung wird vorzugsweise eine Gummitülle 31 oder Buchse am Motorgehäuse angebracht, womit vermieden werden soll, daß sich die Anschlüsse 17 von ihren Verbindungen im Innern des Motorgehäuses lösen. Die Gummitülle 31 befindet sich in Form einer Öffnung im rückwärtigen Gehäuseteil 14 an einer Stelle in radialem Abstand von der Mittelachse des Motors.

Ein entscheidender Faktor bei der Konstruktion von Gleich­ strommotoren ist der Motordrehmoment-Abstand (K_T), ausge­ drückt in Drehmomenteinheiten pro Ampere. Es ist wünschens­ wert, K_T zu erhöhen, um so den Stromverbrauch bei einem vor­ gegebenen Drehmoment möglichst gering zu halten. K_T ist pro­ portional der Magnetflußdichte, die ihrerseits proportional der Magnetlänge ist. Dieses Verhältnis wird durch Magnetfluß­ verluste beeinflußt. Bei zunehmender Magnetlänge schwindet der Leistungszuwachs und kann bei zu langen Magneten sogar ganz abnehmen. Der Grund hierfür sind erhöhte Magnetfluß­ verluste bei zunehmender Magnetlänge. Die Graphik in Fig. 4 zeigt den K_T eines erfindungsgemäßen Motors. Deutlich ist die Leistungsveränderung bei veränderter Magnetlänge (L_m) zu er­ kennen, und zwar sowohl bei Einzel- als auch bei Doppelkäfig- Magnetanordnungen.

Wie aus der Graphik ersichtlich, nimmt die Leistung in K_T für die Doppelkäfig-Anordnung noch zu, sobald sich die Einzel­ käfig-Kurve bei gleicher Magnetlänge (L_m) der Asymptote nähert. Der Grund hierfür sind geringere Magnetflußverluste bei Doppelkäfig-Magnetanordnungen im Vergleich zu Einzel­ käfig-Anordnungen bei gleicher Gesamtmagnetlänge und die Folge eine höhere Leistung. Für eine größere Stromausbeute ist es also besser, zwei individuelle Magnete (Doppelkäfig) über einem Luftspalt als einen Einzelmagneten gleicher Länge über dem gleichen Luftspalt zu verwenden. Obwohl im Rahmen der Erfindung Einkäfig-Anordnungen benutzt werden können, werden aus den o.a. Gründen Doppelkäfig-Anordnungen vorge­ zogen.

Ein weiterer Vorteil der Doppelkäfig-Anordnung besteht darin, Motorbauteile wie das Lager und die Läufernaben im Raum innerhalb des Magnetinnendurchmessers unterzubringen, wodurch die Gesamtabmessungen der Konstruktion noch weiter reduziert werden.

Die Anordnung der Bürsten auf der Welle am Ausgang eines Motors nach der Erfindung reduziert die effektive Motorlänge, weil rückwärtige Ausbuchtungen oder Vorsprünge radial um die Motormittelachse nicht erforderlich sind. Häufig können die Bürsten innerhalb des Bauteils untergebracht werden, das auf der Welle montiert wird. Diese vorteilhafte Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt, wo der erfindungsgemäße Motor auf der Nabe 33 eines Ventilators 34 montiert ist.

Während es vorteilhaft ist, eine Nut, wie oben beschrieben, entweder im oder unter dem Magneten für die Aufnahme der Motoranschlüsse 17 vorzusehen, liegt es im Rahmen der Erfin­ dung, die Anschlüsse 17 zwischen benachbarten Magnetpolen oder Segmenten zu führen.

Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, im erfindungs­ gemäßen Motor die vielen bekannten Bürsten-/Feder-Anordnungen zu verwenden. Man unterscheidet zwischen Anordnungen, bei denen die Bürsten mit konstanter Kraft betätigt werden und solchen mit Federkraft, wobei schraubenförmige, Torsions- oder flache Federn verwendet werden.

Zusätzlich zu den beschriebenen Vorteilen stellt der Motor nach der Erfindung ein kleines Bauteil dar, das auch bei kleinstem Raumangebot effizient eingesetzt werden kann. Der Motor hat ein relativ geringes Gewicht und geringen Stromver­ brauch. Ein weiterer Vorteil ist seine Verwendung zusammen mit anderen Bauteilen, wie beispielsweise einem Ventilator, als kleine, kompakte Einheit in räumlich begrenzten Berei­ chen.

Claims (5)

1. Ein flacher Gleichstrommotor (12) mit axialem Arbeitsluftspalt und einem scheibenförmigen Läufer mit ge­ druckten oder gestanzten Läuferwicklungen, der von der Vorder- bis zur Rückseite in seiner Länge reduziert ist und, in Kombination, die folgenden Bauteile aufweist: ein Gehäuse bestehend aus einem vorderen (13) und rückwärtigen (14) Teil; eine Motorwelle (30), von der mindestens ein Teil aus dem vorderen Gehäuseteil (13) ragt; einen im Gehäuse unterge­ brachten Stator mit einem oder mehreren Permanentmagneten (19); einen scheibenförmigen Läufer mit flachen Wicklungen (26), der gleichfalls im Gehäuse untergebracht ist; eine Vor­ richtung zum Montieren der einzelnen Bauteile und zum dreh­ baren Lagern eines Bauteils in einer Ebene vorbei am anderen Bauteil, ebenfalls innerhalb des Gehäuses; und der des weite­ ren, in Kombination, eine Kommutiervorrichtung mit einer Bür­ stenanordnung (11, 11′, 11′′) enthält, die auf der Seite des Gehäuses angebracht ist, an der die Motorwelle herausragt, zur Stromversorgung der flachen Läuferwicklungen (26); Draht­ anschlüsse (17), die mit der Bürstenanordnung (11, 11′, 11′′) verbunden sind und das Gehäuse erregen an einer Stelle in radialem Abstand von der zentralen Achse des Motors (12) und außerhalb des äußeren Durchmessers des scheibenförmigen Rotors und des/der Permanentmagnete; und Lager (20, 21) für die Welle (30) in einer Spindelanordnung (22) in einer Öff­ nung oder in Aussparungen im Gehäuse (Fig. 2).

2. Der Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (19) in einer Doppelkäfig-Anordnung ange­ bracht sind.

3. Der Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtanschlüsse (17) radial zwischen oder unter den Magnetsegmenten (19) verlaufen.

4. Der Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, die Drahtanschlüsse (17) radial in Nuten (18) im Magneten (19) geführt werden.

5. Der Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtanschlüsse durch eine mit einer Buchse oder Gummitülle (31) versehene Öffnung (32) aus dem Motorgehäuse geführt werden.