DE2117049B2

DE2117049B2 - Gleichstrommotor mit mindestens vier Erregerpolen und mit einer geraden Anzahl von konzentrierten Ankerspulen

Info

Publication number: DE2117049B2
Application number: DE19712117049
Authority: DE
Inventors: Jaques Antony Henry-Baudot (Frankreich)
Original assignee: Kollmorgen Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1970-04-08
Filing date: 1971-04-07
Publication date: 1979-05-23
Also published as: FR2086759A5; DE2117049A1; GB1299057A; DE2117049C3

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrommo- <·' tor mit mindestens vier Erregerpolen und mit einer geraden Anzahl von konzentrierten Ankerspulen, die größer als die Zahl der Erregerpole ist, und mit einem Kollektor, dessen Lamellenzahl gleich der Ankerspulen ist und dessen gegenüberliegende Lamellen elektrisch miteinander verbunden sind.

Ein aus der GB-PS 3 34 042 bekannter Gleichstrommotor enthält beispielsweise für 4 Ern;gerpole 12 Ankerwicklungen, die nach dem Prinzip der Gramme'-schen Ringwicklung angeordnet sind, wobei jede Kommutatorlamelle mit der Verbindungsstelle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spulen verbunden ist Somit sind, ähnlich wie bei einer z. B. aus der DE-AS 11 23 753 bekannten Gleichstrommaschine mit einer vollständigen Wellenwicklung, bei der Drehung des Ankers stets die zynischen zwei feststehenden Bürsten liegenden Spulen in Reihe geschaltet, und zwar infolge der Verbindungen zwischen einander gegenüberliegenden Lamellen in vier parallelen Zweigen. Derartige Maschinen ergeben ein gleichmäßiges Drehmoment und laufen in jeder Stellung an; ihr Aufbau ist aber kompliziert und ihre Herstellung dementsprechend teuer. Sie haben ferner die übliche Eigenschaft Gramme'scher Ringwicklungen, daß die außen liegenden Spulenseiten elektromagnetisch nicht nutzbar sind.

Aus der FR-PS 12 26 458 ist andererseits eine elektrische Maschine mit konzentrierten Ankerspulen bekannt, deren Spulenseiten jeweils um eine Polteilung voneinander entfernt sind und somit jeweils die gleiche Lage in bezug auf Erregerpole entgegengesetzter Polarität haben. Dadurch können beide Spulenseiten jeder Spule elektromagnetisch genutzt werden. Die Anzahl der Artkerspulen ist entweder gleich der Anzahl der Erregerpole oder halb so groß; im letzten Fall gibt es bei Verwendung als Motor Totpunktslellungen, in denen kein Anlaufdrehmoment vorhanden ist Dem Aufbau nach entspricht die Wicklungsart dieser Maschinen dem Prinzip der üblichen Nutenwicklungen mit dem Unterschied, daß alle Spulenseitenleiter jedes Wicklungsstranges in zwei Nuten untergebracht sind, die um eine Polteiiung voneinander entfernt sind.

Gleichstrommotoren der eingangs angegebenen Art mit konzentrierten Ankerspulen werden häufig als billige Kleinmotoren verwendet, die nach dem Prinzip der Anziehung und Abstoßung zwischen den Erregerpolen und den von den konzentrierten Ankerspulen gebildeten Elektromagneten arbeiten, wobei der Strom in jeder Ankerspule im Augenblick des Durchgangs durch die Polachse durch den Kollektor umgepolt wird. Das bekannteste Beispiel sind die Spielzeugmotor, mit zwei permanenten Erregerpolen und drei im Winkelabstand von 120° angeordneten Ankerspulen. Solche Motoren haben eine im Verhältnis zu ihren Abmessungen geringe Leistung, einen schlechten Wirkungsgrad und ein sehr ungleichförmiges Drehmoment.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Gleichstrommotors dieser Art, der unter Beibehaltung der Vorteile des einfachen Aufbaus eine im Verhältnis zu den Abmessungen größere Leistung, einen besseren Wirkungsgrad und ein gleichförmiges Drehmoment aufweist und in allen Stellungen sicher anläuft.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verhältnis von Ankerspulen zu Erregerpolen nicht ganzzahlig ist und daß jeweils zwei einander diametral gegenüberliegende Ankerspulen zwischen zwei Kollektorlamellen in Reihe geschaltet sind.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Gleichstrommotors ermöglicht die Anwendung des Prinzips der billigen Kleinmotoren auf eine größere Polzahl. Dadurch werden bei gegebenen Abmessungen das

Drehmoment und die Leistung wesentlich vergrößert Der Wirkungsgrad wird durch die Verringerung der Kupferverluste verbessert, und das Drehmoment wird vergleichmäßigt. Infolge des nicht ganzzahligen Verhältnisses zwischen Polzahl und Ankerspulenzahl 5 besteht in jeder Stellung des Läufers ein Anlaufdrehmoment Die angegebene Ausbildung eignet sich sowohl für Radialluftspaltmaschinen als auch für Axialluftspaltmaschinen, wobei in jedem Fall die Vorteile der einfachen und billigen Herstellung erhalten bleiben. Beispielsweise können die einander jeweils diametral gegenüberliegenden Ankerspulen, da sie in Reihe geschaltet sind, gemeinsam gewickelt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt In der Zeichnung zeigen

F i g. 1 bis 3 drei schematische Abwicklungen von Gleichstrommotoren nach der Erfindung,

F i g. 4 ein Beispiel der Anwendung der Erfindung bei einer Radialluftspaltmaschine,

Fig.5, 6 und 7 Beispiele der Anwendung der Erfindung bei einer Axialluftspaltmaschine,

F i g. 8 und 9 Darstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgeführten Axialluftspaltmaschine und

Fig. 10 eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Axialluftspaltmaschine.

Die in F i g. 1 in einer Abwicklung dargestellte Maschine besitzt zwei Polpaare (p = 2) und drei Spulenpaare (n = 3) sowie einen Kollektor mit sechs Lamellen a bis f, von denen die Lamelle a mit der >o Lamelle d, die Lamelle b mit der Lamelle e und die Lamelle c mit der Lamelle / verbunden ist Ein Bürstenpaar B, dessen Bürsten um eine Polteilung voneinander entfernt sind, ist so angebracht, daß es auf den Lamellen des Kollektors schleift, die mit der J5 Ankerwicklung auf folgende Weise verbunden sind: Ein Spulenpaar 1—2 und 7—8 verbindet die Lamellen a und e; diese Spulen liegen einander diametral gegenüber und erstrecken sich jeweils über etwa zwei Drittel einer Polteilung. Der Einfachheit halber sind diese Spulen in der Zeichnung jeweils nur mit einer Windung dargestellt.

Ein ähnlich ausgebildetes und angeordnetes Spulenpaar 3—4 und 9—10 verbindet die Lamellen cund e. Das dritte, auf ähnliche Weise ausge'iildete und angeordnete « Spulenpaar 5—6 und 11 — 12 verbindet die Lamellen c und a.

Die in F i g. 2 in Abwicklung dargestellte Maschine besitzt zwei Polpa.'re (p = 2) und fünf Spuienpaare (n ■= 5), denen zehn Kollektorlamellen a, b, c, d, e,f,g,h w und k zugeordnet sind. Jede Spule erstreckt sich etwa über eine Polteilung und ist jeweils von der anderen Spule des Paares etwa zwei Polteilungen entfernt Wie die Abwicklung zeigt, können sich die Spulen teilweise überlappen. Der Einfachheit halber ist jede Spule nur v> mit zwei Leitern dargestellt. Das erste Spulenpaar 1—4 und 11 — 14 verbindet die Lamellen a und g, das zweite Spulenpaar 5—8 und 15—18 die Lamellen c und j, das dritte Spulenpaar 9—12 und 19—2 die Lamellen eunda, das vierte Spulenpaar 13— Ϊ6 und 3—6 die Lamellen g wi und c und das fünfte Spulenpaar 17—20 und 7—10 die Lamellen j und e. Die Lamellen a und f, die Lamellen b und g,die Lamellen cund Λ,die Lamellen tfundjunddie Lamellen e und A- sind jeweils miteinander verbunden. Dem Kollektor sind zwei BUrstenpaare B zugeordnet deren Bürsten jewe'ls von der darauffolgenden Bürste des anderen Paares um eine Polteilung entfernt sind. Die BUrstenpaare sind bezüglich der Stromversorgungsklemmen des Ankers ineinandergeschachtelt

Die auf Fig.3 in Abwicklung dargestellte Maschine besitzt ebenfalls zwei Erregerpolpaare (p = 2) sowie einen Anker mit sieben Spulenpaare (n = 7), denen vierzehn Kollektorlamellen beigegeben sind. Das erste Spulenpaar 1—4 und! 15—18 verbindet die Lamellen a und j, das zweite Spulenpaar 5—8 und 19—12 die Lamellen c und m, das dritte Spulenpaar 9—12 und 23—26 die Lamellen e und p, das vierte Spulenpaar 13—16 und 27—2 die Lamellen g und a, das fünfte Spulenpaar 17—20 und 3—6 die Lamellen j und c, das sechste Spulenpaar 21—24 und 7—10 die Lamellen m und e, das siebente Spulenpaar 25—28 und 11 — 14 die Lamellen ρ und g. Bei diesem Ausführungsbeispiel überlappen sich die Spulen teilweise und erstrecken sich etwa nur über ein Drittel des Mittenabstandes der Erregerpole. Wie im vorhergehenden Beispiel schleifen zwei Bürstenpaare B auf den Lamellen des Kollektors, die auch auf ähnliche Weise angeordnet und untereinan der verbunden sind.

Bei allen zuvor beschriebenen Beispielen ist das Verhältnis der Polpaarzahl ρ zur Anzahl π der Spulenpaare nicht ganzzahlig. Allgemein gilt: Bei ρ = 2 darf η nicht gleich 4,6,8... genommen werden. Bei ρ = 3 „önnte η gleich 4, 5, 7 ..., jedoch nicht gleich 6, 9 ... sein. Im Fall von ρ = 4 kann η gleich 5, 6, 7, 9 ... sein, jedoch nicht gleich 8, 12 ... Die Zweckmäßigkeit einer Überlappung der Ankerspulen in manchen Fällen soll noch erläutert werden.

Die beschriebene Ausbildung von Gleichstrommotoren kann praktisch sowohl bei Radialluftspaltmaschinen als auch bei Axialluftspaltmaschinen angewendet werden. Sie kann ferner sowohl auf Ankerspulen aus isoliertem Leiterdraht als auch auf Ankerspulen aus gedruckten Leitern angewendet werden, die auf jede beliebige bekannte Weise hergestellt werden können.

F i g. 4 zeigt im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer vierpoligen Radialluftspaltmaschine, die gemäß dem Schema von F i g. 1 ausgeführt ist Der Erreger besitzt ein zylindrisches Magnetjoch 30 mit vier Polen abwechselnder Benennung. Diese Pole können gewik· kelte Pole sein; in diesem Fall können ihre Polschenkel mit dem Poljoch zusammen geformt sein. Eine bevorzugte Möglichkeit besteht r'arin, daß sie aus Permanentmagnetpolen bestehen, wobei der Erreger aus orientierten Ferritstücken besteht deren Öffnungswinkel geometrisch 68°, d.h. also elektrisch 136°, bei dieser vierpoligen Ausführungsform erreichen kann. Anstelle von vier Ferritstücken können auch nur zwei Ferritstücke derselben Polarität (Folgepole) angebracht werden, wobei die beiden anderen Pole aus Weicheisen bestehen.

Oer um eine nicht dargestellte Welle rotierende Läufer besitzt sechs Polschenkel 60 bis 65, die beispielsweise an einem zentralen Kern angeformt sind. Auf jedem Polschenkel sitzt eine Elektromagnetspule 50 bis 55. Diese Spulen sind auf die in der Figur dargestellten Weise, d. h. gemäß dem Schaltbild von Fig. 1, mit den Lamellen des Kollektors Cverbunden; die einander diametral entgegengesehen Lamellen sind ferner elektrisch miteinander verbunden. Der Körper des Läufers kann aus einem beispielsweise gesinterten und ein Magnetpulver enthaltenden isolierenden Werkstoff bestehen.

Die Fig.5 bis 7 zeigen eine der Ausführung von F i g. 4 entsprechende Axialluftspaltmaschine. F i g. 5 zeigt die Seite des Ankers mit dem Kollektor C, F i g. 6 die Seite des Luftspalts des Erregers und Fig.7 einen

Schnitt durch die Maschine, wobei die Montage auf der Ankerwelle weggelassen wurde. Der Anker besitzt drei Spulenpaare 61 bis <i6, die in einem gegossenen Träger 40 geringer Dicke sitzen, in welchem sie nötigenfalls durch zwei haftende Scheiben (nicht dargestellt) an ihrem Platz gehalten werden können. Der scheibenförmige Träger 40 kann aus einem isolierenden und magnetischen Werkstoff (Hartferrit oder Magnetpulver enthaltendes Dielektrikum) bestehen, wodurch der nutzbare Magnetflul) in dem Luftspalt erhöht wird. Der Erreger kann ausgeprägte Permanentmagnetpole aufweisen oder, wie Fig. 7 zeigt, aus einem F'erritring 20 bestehen, in welchem die jeweiligen Magnetpole auf an sich bekannte Weise durch unterschiedliche Magnetisierung gebildet sind. Ferner ist eine Platte 21 aus Weicheisen vorgesehen, welche den den Anker in dem Luftspalt durchquerenden Magnetfluß schließt. Statt-

Hesspn kann aiirh pin '/wpitpr Rrrpuprnnlp trappnrlpr

Ring vorgesehen sein, wobei die einander gegenüberliegenden Pole des ersten und des zweiten Rings entgegengesetzter magnetischer Benennung sind.

Die Fig.8 und 9 zeigen eine Axialluftspaltmaschine desselben Typs wie die in F i g. 6 bis 7 dargestellte Maschine, bei welcher jedoch jedes Ankerspulenpaar die Form einer einzigen, sich diametral erstreckenden Flachspule besitzt, deren Endteile der Ausbildung der jeweiligen Polflächen entsprechend geformt sind. Bei dem Zusammenbau der vorgeformten Spulen kreuzen sich ihre mittleren Teile und überlagern sich, so daß im mittleren Teil des Ankers eine Verdickung entsteht (vgl. F i g. 9). Die Spulen sind mit einer beispielsweise hitzehärtenden Ummantelung im Druckguß umgössen. Die Welle 22 kann auf Wunsch mit eingegossen sein und der Kollektor Ckann an dem mittleren Teil angebracht sein. Seine Lamellen sind mit den austretenden Drahtenden dieser Spulen 70-71, 72-73, 74-75 verbunden.

Fig. 10 zeigt eine Maschine im Fall von ρ - 4 und η = 5, die sich direkt von dem in F-' i g. 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ableitet. Je größer die Polzahl ist, um so weniger ist es zweckdienlich, die Köpfe der Spulenpaare speziell zu formen. Die Maschine besitzt fünf Spulenpaare 80—85, 81—86, 82—87, 83—88 und 84—89, deren jedes eine sich bezüglich der endgültigen Scheibenform des Ankers diametral erstreckende Flachspule bildet. Ferner sind zehn Kollektorlamellen a, b, c, d, e,f,g, h,j. k vorgesehen. Die Lamellen a und f, b und g, c und h, d und j sowie c und k sind jeweils miteinander verbunden. Die Spulen 80 und 81 sind mit der Lamelle b, die Spulen 82 und 83 mit der Lamelle d, die Spulen 84 und 85 mit der Lamelle f, die Spulen 86 und 87 mit der Lamelle h und die Spulen 88 und 89 mit der Lamelle k verbunden.
Die Ankerspulen können aus dünnem emaillierten

^r) Draht bestehen und somit mehrschichtig sein oder sie können aus dickerem isolierten Draht bestehen, der sich in konzentrischen, nebeneinandergelegten Flachwindungen erstreckt. Nach provisorischer Befestigung der auf diese Weise gebildeten Drahtschicht beispielsweise

in mittels eines hitzehaftenden Überzugs werden die Spulen und der Kollektor auf einem Dorn mit einem geeigneten hitzehärtenden Harz umgössen. Anstelle von Spulen aus isoliertem Draht können zweischichtige gedruckte Spiralen auf einem dünnen Träger benutzt

ι ^ry werden. Diese werden anschließend übereinandergelegt und zusammen gewalzt, so daß ihre mittleren Teile einen klassischen vielschichtigen Körper mit radialem Kollektor bilden.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Maschinen

2'· versteht sich von selbst. Gegenüber den bekannten zweipoligen Maschinen multipliziert sich jedoch die induzierte elektromotorische Kraft bei gleicher Windungszahl pro Ankerspule mit p, wie es auch bei den vielpoligen Maschinen mit herkömmlichen Wellenwick-

2^r< lungen der Fall ist. Ferner besitzen die beschriebenen Maschinen einen höheren Wirkungsgrad wegen der geringerer Kupferverluste, die sich daraus ergeben, daß die Polbögen sowohl bei dem Läufer als auch bei dem Ständer elektrisch auf etwa 90° verkleinert sind

m (wodurch außerdem der zur Aufnahme des Kupfers der Ankerspulen verfügbare Raum vergrößert wird). Ferner multipliziert sich die Modulationsfrequenz des Drehmoments und damit der elektromotorischen Kraft mit p, wodurch die Glättung der Spannung im Falle der

is Verwendung der Maschine als Generator vereinfacht wird Diese Modulation ist um so geringer, je größer das Verhältnis der Spulenzahl zur Polzahl ist, doch kann durch entsprechende Bemessung der gegenseitigen Überlappung der Ankerspulen wahlweise eine maxima-Ie Verringerung der Oberwellen der Grundwelle der Anziehung und Abstoßung erreicht werden oder im Gegenteil nach Bedarf die systematische Erzeugung von Oberwelle zur Erhöhung der elektromotorischen Kraft und des erzeugten mittleren Drehmoments begünstigt werden.

Im Falle von Axialluftspaltmaschinen können die Flachspulen die Form von aneinanderstoßenden Sektoren besitzen, die bequem in einen Kunststoffträger eingegossen werden können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleichstrommotor mit mindestens vier Erregerpolen und mit einer geraden Anzahl von konzentrierten Ankerspulen, die größer als die Zahl der Erregerpole ist, und mit einem Kollektor, dessen Lamellenzahl gleich der Zahl der Ankerspulen ist und dessen gegenüberliegende Lamellen elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Ankerspulen zu Erregerpolen nicht ganzzahlig ist und daß jeweils zwei einander diametral gegenüberliegende Ankerspulen zwischen zwei Kollektorlamellen in Reihe geschaltet sind.

Z Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jede zweite Kollektorlamelle (a, c e...) zwei Ankerspulen angeschlossen sind und daß die dazwischenliegenden Kollektorlamellen (b, d...)nicht mit Ankerspulen verbunden sind.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerspulen (61 bis 66) im Falle einer Axialluftspaltmaschine in Ausschnitten einer diese Spulen und die Lamellen des Kollektors (C) tragenden Scheibe (40) sitzen.

4. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerspulen (61 bis 66, 70 bis 75, 80 bis 89) im Falle einer Axialluftspaltmaschine nach Art einer gedruckten Schaltung auf den beiden Seiten einer Trägerscheibe gebildet sind.

5. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ,inander diametral entgegengesetzten Spulenpaare (70 bis 75, 80 bis 89) im Falle einer Axialluftspaltrm :hine aus einem zusammenhängenden elektrischen Kreis bestehen, der abwechselnd von einer Spule zur anderen Spule des Paares führt, und daß der Anker aus einem Stapel derartiger Spulenpaare besteht, die in ihrem mittleren Teil zumindest außerhalb des Luftspalts aufeinanderliegen.

6. Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenpaare (70 bis 75, 80 bis 89) durch Aufdrucken von Leitern auf dünnen dielektrischen Folien gebildet sind und daß die bedruckten Folien unter Einfügung eines Klebstoffs aufeinandergestapelt sind.

7. Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenpaare (70 bis 75, 80 bis 89) aus Leiterdraht gewickelte Flachspulen sind, die zu einem mit einem ausgehärteten Kunststoff vergossenen Stapel zusammengefügt sind.

8. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (C) aus flachen Lamellen besteht, die direkt auf eine Seite des Stapels in seinem mittleren, außerhalb des Luftspalts liegenden Teil aufgebracht sind.

9. Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Ankerspulenpaare (1 bis 20,1 bis 28) sich in dem Anker [eilweise überlappen.

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