DE102006011550A1

DE102006011550A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102006011550A1
Application number: DE102006011550A
Authority: DE
Inventors: Thomas Weigold; Gerald Roos; Michael Albrecht; Andreas Saum; Jürgen Herbst
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2007-09-20
Also published as: JP5578755B2; KR101016570B1; KR20070093887A; JP2007252187A; US20070216255A1; FR2918515A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine elektrische Maschine, umfassend einen Anker (20) mit Ankernuten (24) zur Aufnahme von Ankerspulen, einen Kommutator (10) mit Kommutatorlamellen (11), eine erste und zweite Hammerbürste (14), welche jeweils mittels eines Federhebels (15) gleitbar an dem Kommutator (10) anliegen, wobei wenigstens eine Ankerspule aus zwei Teilspulen (25, 26) gebildet ist, welche bezüglich der Drehachse (21) des Ankers (10) symmetrisch zueinander angeordnet sind, wobei die Teilspulen (25, 26) mit zwei benachbarten Kommutatorlamellen (11) des Kommutators (10) verbunden sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine Gleichstrommaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist aus dem Stand der Technik, z.B. WO 00/036729 A, bekannt, die Kommutatorbürsten einer elektrischen Maschine als Hammerbürsten auszubilden. Hammerbürsten sind mit Federhebeln ausgestattet, welche zum Kommutator hin vorgespannt sind. Dabei ist ein Hebelende beispielsweise an einem Trägerteil des Bürstenhalters festgelegt, während das andere Hebelende eine auf den Kommutator aufliegende Kohlebürste trägt.

Bei Verwendung von Hammerbürsten tritt das Problem auf dass durch den Verschleiß der Bürsten über die Lebensdauer die Kontaktpunkte der Bürsten auf dem Kommutator gegeneinander verschieben. Dadurch verändern sich die Kommutierungszeitpunkte der beiden Bürsten, so dass die beiden Bürsten nicht mehr gleichzeitig kommutieren. Dabei können Radialkräfte erzeugt werden, die zu einem erhöhten Motorgeräusch führen können.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die symmetrische Wicklung die Radialkräfte, die durch die Verschiebung der Kontaktpunkte der Bürsten auf dem Kommutator aufgrund des Bürstenverschleißes hervorgerufen werden, kompensiert werden. Dies wird dadurch bewirkt, dass der Kurzschlussstrom in den beiden Teilspulen der symmetrischen Wicklung gleichzeitig in gleicher Stärke auftritt, so dass sich die Radialkräfte der jeweiligen Teilspulen gegen seitig kompensieren und somit keine resultierende Radialkraft auf den Anker wirkt. Die Laufruhe des Motors wird dadurch deutlich erhöht.

Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Ankerspule aus zwei bezuglich der Drehachse des Ankers symmetrisch zueinander angeordnete Teilspulen gebildet, wobei die Teilspulen mit zwei benachbarten Kommutatorlamellen eines Kommutators verbinden sind. Dies bedeutet, dass die Ankerspulen so ausgebildet sind, dass jeweils zwei Teilspulen bezüglich der Drehachse des Ankers symmetrisch zueinander angeordnet sind. Die beiden symmetrisch zueinander angeordneten Teilspulen sind mit zwei benachbarten Kommutatorlamellen eines Kommutators verbinden.

Die beiden Teilspulen sind erfindungsgemäß derart symmetrisch zueinander angeordnet, dass bei Bestromung der Teilspulen in einem Magnetfeld im Wesentlichen keine radialen Kräfte auf den Anker wirken. Die beiden Teilspulen sind gleichzeitig kommutierbar, beispielsweise indem sie an benachbarte Kommutatorlamellen angeschlossen sind. Die resultierenden Radialkräfte werden besonders gut dadurch kompensiert, dass die beiden Teilspulen im Wesentlichen geometrisch parallel zueinander und in gleichem Abstand zur Drehachse des Ankers angeordnet sind. Außerdem lassen sich die Radialkräfte besonders gut dadurch kompensieren, dass die beiden Teilspulen gleich viele Windungen aufweisen. Die Radialkräfte lassen sich ferner besonders gut kompensieren, indem die beiden Teilspulen in umgekehrtem Wickelsinn zueinander gewickelt sind. Insbesondere handelt es sich um eine zweipolige elektrische Wicklung.

Die beiden Teilspulen können entweder elektrisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sein. Bei der Reihenschaltung weisen die beiden Teilspulen zwei Enden auf, die mit benachbarten Kommutatorlamellen verbunden sind. Bei der Parallelschaltung hingegen weist jede der beiden Teilspulen zwei Enden auf wobei jeweils die Enden einer Teilspule mit benachbarten Kommutatorlamellen verbinden sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kommutator eine gerade Anzahl an Lamellen auf. Weiterhin ist bevorzugt die Anzahl der Lamellen gleich der Anzahl der Ankernuten.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist mindestens zwei Hammerbürsten auf, welche mittels Federhebel gleitbar an dem Kommutator anliegen. Die beiden Hammer bürsten liegen dabei einander gegenüber. Um bei der Kommutierung einen möglichst gleichmäßigen Stromfluss zu gewährleisten, ist die Bürstenbreite derart gewählt, dass die Bürsten bei der Drehung des Kommutators jeweils zwei benachbarte Lamellen überdecken, um diese kurz zu schließen. Auf diese Weise wird das Bürstenfeuer deutlich reduziert.

In einer weiteren Ausführungsform der elektrischen Maschine kann zur Drehzahlstellung eine dritte Hammerbürste vorgesehen sein, welche radial zwischen den einander gegenüber liegenden Hammerbürsten (nachfolgend auch als die erste und zweite Hammerbürste bezeichnet) angeordnet ist. Demnach ist die dritte Hammerbürste gegenüber der ersten Hammerbürste in Drehrichtung um einen bestimmten Winkel kleiner als 180°, z.B. 70°, versetzt angeordnet. Dabei werden in der niedrigen Drehzahlstufe die beiden einander gegenüber liegenden Hammerbürsten, d.h. die erste und zweite Hammerbürste, bestromt, während die dritte Hammerbürste stromlos ist. In der hohen Drehzahlstufe werden die zweite und die dritte Hammerbürste bestromt, wohingegen die erste Hammerbürste stromlos ist. Die zweite Hammerbürste bildet demnach die gemeinsame Bürste, welche bei niedrigen Drehzahlen mit der ersten Hammerbürste und bei hohen Drehzahlen mit der dritten Hammerbürste zusammenwirkt. Die jeweils unbestromte Hammerbürste verbindet jeweils zwei benachbarte Kommutatorlamellen. Sie schließt dadurch bei einer herkömmlichen Wicklung die dazwischen liegende Spule kurz, wobei sich ein Kurzschlussstrom ausbildet, der dem Speisestrom entgegen gesetzt gerichtet ist und zu einer Radialkraft auf den Anker führt. Diese Radialkraft wird bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine vermieden, da anstelle einer Spule zwei symmetrisch angeordnete Teilspulen an benachbarten Kommutatorlamellen anliegen. Werden zwei benachbarte Kommutatorlamellen durch die jeweils unbestromte Hammerbürste verbunden, tritt ein Kurzschlussstrom in beiden Teilspulen auf, sodass sich die Radialkräfte der beiden Teilspulen kompensieren.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die symmetrisch angeordneten Teilspulen als Doppelwicklung mit reduziertem, z.B. mit dem halben, Spulendrahtquerschnitt in zwei Lagen ausgebildet. Dadurch kann ein erhöhter Nutfüllfaktor erzielt werden.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann beispielsweise ein zweipoliger Gleichstrommotor zum Verstellen bewegbarer Bauteile im Kraftfahrzeug sein, wie z.B. ein Scheibenwischermotor, Fensterhebermotor, Sitzverstellmotor.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a eine elektrische Maschine mit zwei Hammerbürsten im Neuzustand
1b eine elektrische Maschine mit zwei Hammerbürsten am Ende ihrer Lebensdauer
2 eine erste Ausführungsform von Ankerspulen mit zwei symmetrischen Teilspulen in Reihenschaltung
3 eine zweite Ausführungsform von Ankerspulen mit zwei symmetrischen Teilspulen in Parallelschaltung
4 eine Anordnung von drei Hammerbürsten, welche in Drehrichtung versetzt an einem Kommutator angeordnet sind.
Die schematische Darstellung von 1 zeigt, wie sich durch Verschleiß der Hammerbürsten über die Lebensdauer die Kontaktpunkte der Bürsten auf dem Kommutator gegeneinander verschieben. In 1a ist eine elektrische Maschine 100 gezeigt, welche einen Anker 20, zwei Magnetpole 30 und einen Kommutator 10 mit Kommutatorlamellen 11 aufweist. Der Anker 20 und der Kommutator 10 sind auf einer Ankerwelle 22 mit einer Drehachse 21 drehfest gelagert. Eine erste und zweite Hammerbürste 14 liegen mittels Federhebel 15 gleitbar an dem Kommutator 10 an. Die beiden Hammerbürsten 14 stehen einander gegenüber, so dass im Neuzustand der Bürsten 14 die Bürstenmitten 17 die Kommutatoroberfläche 16 in einem Winkel von 180° versetzt berühren. 1b zeigt die Anordnung aus Kommutator 10 und zwei einander gegenüberliegenden Hammerbürsten 14 am Ende der Lebensdauer der Bürsten 14. Durch den Bürstenverschleiß berühren die Bürstenmitten 17 die Kommutatoroberfläche 16 in einem Winkel von mehr als 180°. Dadurch verändert sich der Zeitpunkt der Kommutierung der beiden Hammerbürsten 14 derart, dass die beiden Bürsten 14 nicht mehr gleichzeitig kommutieren und unerwünschte Radialkräfte auf den Anker wirken.
In 2 ist eine teilweise Abwicklung einer ersten Ausführungsform von Ankerspulen mit jeweils zwei symmetrischen Teilspulen schematisch dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform hat der Kommutator 10 zwölf Lamellen 11 und der Anker 20 zwölf Zähne 23 und zwölf Ankernuten 24. Die Ankerspule ist nach Art der Schleifenwicklung in Form einer Sehnenwicklung gewickelt. Die Wicklung einer ersten Teilspule 25 liegt in der ersten Ankernut 24 zwischen dem ersten und zweiten Zahn 23 und der sechsten Ankernut 24 zwischen dem sechsten und siebten Zahn 23. Die Wicklung einer zweiten Teilspule 26 liegt in der zwölften Ankernut 24 zwischen dem zwölften und ersten Zahn 23 und der siebten Ankernut 24 zwischen dem siebten und achten Zahn 23. Die beiden Enden der ersten und zweiten Teilspule 25, 26 sind mit benachbarten (hier der dritten und vierten) Kommutatorlamellen 11 elektrisch verbinden. Die beiden Teilspulen 25, 26 sind demnach in Reihe geschaltet. Die erste und sechste Ankernut 24 sowie die siebte und zwölfte Ankernut 24 liegen einander gegenüber, so dass die beiden Teilspulen 25, 26 bezüglich der Drehachse 13 des Ankers 20 symmetrisch zueinander angeordnet sind, indem sie parallel zueinander verlaufen, wobei die beiden Teilspulen 25, 26 in umgekehrtem Wickelsinn gewickelt sind. In der dargestellten Ausführungsform wird zunächst die erste Teilspule 25 gewickelt, bevor die zweite Teilspule 26 gewickelt wird. Alternativ können jedoch auch die beiden Teilspulen 25, 26 wechselweise gewickelt werden.
In 3 ist eine teilweise Abwicklung einer zweiten Ausführungsform von Ankerspulen mit jeweils zwei symmetrischen Teilspulen schematisch dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform hat wiederum der Kommutator 10 zwölf Lamellen 11 und der Anker 20 zwölf Zähne 23 und zwölf Ankernuten 24. Die Ankerspule ist ebenfalls nach Art der Schleifenwicklung in Form einer Sehnenwicklung gewickelt. Die Wicklung einer ersten Teilspule 25 liegt in der ersten Ankernut 24 zwischen dem ersten und zweiten Zahn 23 und der sechsten Ankernut 24 zwischen dem sechsten und siebten Zahn 23. Die Wicklung einer zweiten Teilspule 26 liegt in der zwölften Ankernut 24 zwischen dem zwölften und ersten Zahn 23 und der siebten Ankernut 24 zwischen dem siebten und achten Zahn 23. Die beiden Teilspulen 25, 26 sind parallel geschaltet, indem die beiden Enden jeder Teilspule 25, 26 mit benachbarten Kommutatorlamellen 11 elektrisch verbunden sind.
2 und 3 zeigen jeweils eine Ausführungsform einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung der beiden Teilspulen 25, 26. Nach dem dargestellten Prinzip der Wicklung zweier symmetrisch angeordneter Teilspulen 25, 26 sind viele weitere Wicklungsschemata realisierbar.
4 zeigt schematisch die Anordnung von drei Hammerbürsten 14', 14'', 14'''. Die Hammerbürsten 14', 14'', 14''' sind hier vereinfacht als Block dargestellt. Eine erste Hammerbürste 14' und eine zweite Hammerbürste 14'' sind einander gegenüberliegend angeordnet. Eine dritte Hammerbürste 14''' ist radial zwischen der ersten und zweiten Hammerbürste 14', 14'' vorgesehen, d.h. die dritte Hammerbürste 14''' ist gegenüber der ersten Hammerbürste 14' in Drehrichtung um einen bestimmten Winkel, hier z.B. 45°, versetzt angeordnet. Dabei werden in der niedrigen Drehzahlstufe die beiden einander gegenüber liegenden Hammerbürsten, d.h. die erste und zweite Hammerbürste 14', 14'', bestromt, in der hohen Drehzahlstufe werden die zweite und die dritte Hammerbürste 14'', 14'''. Die zweite Hammerbürste 14'' bildet demnach die gemeinsame Bürste, welche bei niedrigen Drehzahlen mit der ersten Hammerbürste 14' und bei hohen Drehzahlen mit der dritten Hammerbürste 14''' zusammenwirkt.

Claims

Elektrische Maschine umfassend einen Anker (20) mit Ankernuten (24) zur Aufnahme von Ankerspulen, einen Kommutator (10) mit Kommutatorlamellen (11), eine erste und zweite Hammerbürste (14), welche jeweils mittels eines Federhebels (15) gleitbar an dem Kommutator (10) anliegen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ankerspule aus zwei Teilspulen (25, 26) gebildet ist, welche bezüglich der Drehachse (21) des Ankers (10) symmetrisch zueinander angeordnet sind, wobei die Teilspulen (25, 26) mit zwei benachbarten Kommutatorlamellen (11) des Kommutators (10) verbunden sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilspulen (25, 26) im Wesentlichen geometrisch parallel zueinander angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilspulen (25, 26) gleich viele Windungen aufweisen.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilspulen (25, 26) in umgekehrtem Wickelsinn gewickelt sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilspulen (25, 26) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden in Reihe geschalteten Teilspulen (25, 26) zwei Enden aufweisen, die mit benachbarten Kommutatorlamellen (11) verbunden sind.
Elektrische Maschine nach einem der Anspruche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilspulen (25, 26) elektrisch parallel geschaltet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden parallel geschalteten Teilspulen (25, 26) zwei Enden aufweist, und jeweils die Enden einer Teilspule (25, 26) mit benachbarten Kommutatorlamellen (11) verbunden sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Hammerbürste (14''') vorgesehen ist, wobei die erste und zweite Hammerbürste (14', 14'') einander gegenüberliegend angeordnet sind und in einer ersten Dehzahlstufe zusammenwirken, und die dritte Hammerbürste (14''') radial zwischen der ersten und zweiten Hammerbürste (14', 14'') angeordnet ist und in einer zweiten Drehzahlstufe mit der zweiten Hammerbürste (14'') zusammenwirkt.