DE4137503C2 - Flacher Gleichstrommotor zum Antrieb eines Ventilators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen flachen Gleichstrommotor zum Antrieb eines Ventilators.

Derartige scheibenförmige Motoren (auch als "pancake"- Motoren bekannt) werden in vielen Bereichen ver­ wendet, in denen die Motorlänge einen kritischen Fak­ tor darstellt. Allgemein stellen Axial-Luftspaltmotoren mit scheibenförmigen Läufern die kürzesten, der­ zeit bekannten Motorausführungen dar. Sie sind ge­ kennzeichnet durch einen axialen Arbeitsluftspalt, gedruckten, gestanzten oder drahtgewickelten scheiben­ förmigen Läufern und axial oder radial ausgerich­ teten Bürsten/Federn-Anordnungen für axiale oder ra­ diale Kommutation.

Während sich die bekannten Motoren dieses Typs in den jeweiligen Anwendungsbereichen als nützlich erwiesen haben, gibt es heute viele Anwendungsbereiche, in denen eine weitere Reduzierung der Motorlänge erforderlich ist. Das ist beispielsweise bei vielen Motoren im Automobilbau der Fall, sowohl für Kühler und Kondensator-Kühlsysteme als auch für Fensterheber, Ventilatoren und dergleichen. Während Motorraum und Aufbauten im Automobilbau immer reduziert werden, bleibt die Fahrgastzelle gleich oder wird eher größer. Daher stellt die Minimierung von Länge, Gewicht und Kosten bei gleichzeitiger Maximierung der Leistung einen wichtigen Faktor nicht nur im Automobil­ bau, 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 zum Antrieb eines Ventilators mit reduzierter Länge entsprechend der Erfin­ dung, der hier an einem Beispiel aus dem Automobilbau beschrieben wird, gleichfalls in vielen anderen Be­ reichen verwendet werden kann.

So ist in der DE OS 20 05 849 ein Kommutatormotor mit einem scheibenförmigen Anker bekannt, bei dem die Ankerwicklungen lamellenförmig auf dem scheibenförmi­ gen Anker aufgebracht sind und es ist ein gesonderter plattenförmiger Kommutator vorhanden. Der Plattenkom­ mutator ragt hierbei in axialer Richtung über den scheibenförmigen Anker hinaus und eine in einem Ge­ häuse geführte Bürstenanordnung greift am Plattenkom­ mutator an, wobei die Bürsten ebenfalls in axialer Richtung des Motors ausgerichtet sind.

Der DE OS 25 31 434 ist ein kernloser Elektromotor zu entnehmen, der ebenfalls einen scheibenförmigen Rotor aufweist, wobei der eigentliche Kommutator parallel zur Antriebswelle des Elektromotors ausgerichtet ist und die Bürsten an diesem Kommutator in radialer Richtung zur Antriebswelle nach außen gerichtet an­ geordnet sind.

Ein Gleichstrommotor mit Doppelkäfigstator ist der DE OS 14 88 463 zu entnehmen, bei dem ein ebenfalls scheibenförmig ausgebildeter Anker verwendet wird. Auf dem scheiben­ förmigen Anker sind Wicklungen angebracht, die als Trommelwicklungen ausgebildet sind. Die Wicklungen sind mit einem Kollektor verbunden, an dem ebenfalls in radialer Richtung nach außen ausgerich­ tete Bürsten angreifen.

In der US 3 879 623 ist ein Gleichstrommotor mit einem scheibenförmigen Anker beschrieben, auf dem eine gedruckte Schaltung vorhanden ist, gegen die die Bürsten elastisch in Kontakt gebracht sind. Die Anschlußleitungen zu der Bürstenanordnung verlaufen innerhalb des Gehäuses und sind radial aus dem Gehäuse herausgeführt. Dieser Motor soll gemeinsam mit einem integrierten Getriebe als Antrieb für die Fenster eines Kraftfahrzeuges verwendet werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Motor zum Antrieb eines Ventilators mit reduzierter Länge und Gewicht und geringen Her­ stellungskosten zu konstruieren, dessen Leistung und Energieausbeute deutlich erhöht sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Anspruchsgegenstand gelöst.

Fig. 1 ist ein Querschnitt in Längsrichtung durch den Motor 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.

In Fig. 1 weist der Motor 12 eine Bürsten­ halterung 11 auf bestehend aus einer Feder 11′ und einer Bürste 11′′. Das Motorengehäuse 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 gehalten. Der Stator ist eine Doppelkäfig-Magnetanordnung 16.

Motoranschlüsse 17 werden zwischen Magneten oder zwischen einem Magneten und dem Gehäuse und dann radial im vorderen Teil des Motorgehäuses geführt. 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 in Aussparungen innerhalb der Motor­ gehäuseteile 13 und 14 (Fig. 2) angebracht, oder in einer separaten Spindelanordnung 22 (Fig. 1 und 3).

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 Gehäuse 13 erlaubt es, den Ventilator näher an die Vorderfront des Motors zu bringen, wodurch die gesamte Anordnung verkürzt und die Gesamtlänge der Welle 30 reduziert wird.

Es ist eine Gummitülle 31 oder Buchse am Motorengehäuse 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 ist 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.

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 Bürstenanordnung ist innerhalb des Bereichs der Note des Ventilators untergebracht, der auf der Welle montiert wird. Diese Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt, wo der erfindungsgemäße Motor auf der Nabe 33 des Ventilators 34 montiert ist.

Im erfindungsgemäßen Motor kann man die vielen bekannten Bürsten-/Feder-Anordnungen 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.

Claims (1)

1. Flacher Gleichstrommotor zum Antrieb eines Ventilators mit axialem Arbeits­ luftspalt und reduzierter Länge von vorderer bis rückseitiger Gehäusewand, der mindestens aus folgenden Bauteilen besteht:
   einem zweigeteilten Gehäuse (13, 14), einer Läufer­ nabe (24) mit aus dem vorderen Gehäuseteil (13) ragender Motorwelle (30), einem mit Perma­ nentmagneten (19) ausgestatteten im Gehäuse (13, 14) untergebrachten Doppelkäfigstator (16), einem im Gehäuse (13, 14) untergebrachten scheibenförmigen Läufer (26) mit gedruckter oder gestanzter Läuferwicklung, einer Kommutiervorrichtung mit Bürstenanordnung (11, 11′, 11′′) im vorderen Gehäuseteil (13), wobei die Bürstenanordnung (11, 11′, 11′′) aus dem vorderen Gehäuseteil (13) herausragt und innerhalb des Bereiches der Nabe (33) des auf der Motorwelle (30) montierten Ventilators (34) untergebracht ist, und Anschlußleitungen (17), die zu der Bürstenanordnung (11, 11′, 11′′) innerhalb des vorderen Gehäuseteiles (13) verlaufen, entweder zwischen Gehäuse­ wand und den dieser zugewandten Seite der Per­ manentmagneten (19) in in diesen angeordneten Nuten (18) oder zwischen den einzelnen Perma­ nentmagneten (19) und die in einem radial größeren Abstand von der Motorwelle (30) aus dem Gehäuse (13, 14) geführt sind, der größer als der äußere Durch­ messer des Läufers (26) ist.