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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Vierpolmotor mit einer neuartigen
Ankerwicklung. Derartige Motoren sind insbesondere für eine Auslegung als
Kleinmotoren oder Motoren hoher Leistung insbesondere im Kraftfahrzeugbereich
einsetzbar.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, elektrische Motoren, die über einen Rotor mit einem Anker
mit Ankernuten verfügen,
mit Spulen zu bewickeln, die über
Kommutatorlamellen durch an diesen Kommutatorlamellen anliegende
Kohlebürsten
kontaktiert werden. Die Verbindung der Spulen mit den Kommutatorlamellen
erfolgt dabei so, dass über
die Kommutatorlamellen entweder ein Strom in einzelne Spulen oder
Spulenabschnitte eingespeist werden kann oder aber einzelne Spulen
oder Spulenabschnitte kurzgeschlossen werden können, indem die entsprechenden
Kommutatorlamellen gleichzeitig mit einer einzelnen Kohlebürste in
Kontakt gebracht werden.
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Durch
den Aufbau eines magnetischen Feldes der Spulen erfolgt eine Wechselwirkung
mit einem Magnetfeld eines Stators, wodurch der Rotor in Rotation
versetzt wird. Es ist geometrisch bedingt, dass die antreibende
Kraft außerhalb
der Drehachse des Rotors angreift, da die Spulen meist neben der Drehachse
ausgebildet sind, was zu Schwingungen und damit verbundenen Leistungsverlusten
und Geräuschentwicklungen
führen
kann.
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Es
ist bekannt, dieses Problem dadurch zu mindern, dass die Wicklung
der Spulen so erfolgt, dass jeweils ein Spulenpaar mit bezüglich der
Drehachse des Rotors symmetrischer Anord nung zeitlich möglichst
synchron beschaltet wird. Erfolgt diese Synchronbeschaltung beispielsweise
durch gegenüberliegende
Kohlebürstenanordnungen
und elektrisch unabhängige
Spulen in symmetrischer Anordnung, so werden für eine deutliche Erhöhung der Laufruhe
hohe Anforderungen an die Lagegenauigkeit der Kohlebürste und
der Kommutatorlamellen gestellt. Bereits ein geringfügiger Versatz
führt zu zeitlich
versetzt am Rotor angreifenden Kräften, die dann trotz des symmetrischen
Spulenaufbaus nicht immer ein symmetrisches Kräftepaar bilden und somit nicht
geeignet sind, die bereits angesprochenen Vibrationen und eine damit
verbundene Geräuschentwicklung
zu vermeiden. Das Problem einer sich verändernden Kommutatorgeometrie
kann bereits durch betriebsbedingten Abrieb an den Kohlebürsten aufkommen
und lässt
sich naturgemäß nie ganz
vermeiden.
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Es
ist bekannt, die Vorteile symmetrischer Spulenpaare zu nutzen, indem
man Wickelschemata einsetzt, in denen beide Spulen eines symmetrischen Spulenpaares
jeweils mit den gleichen Kommutatorlamellen in Verbindung stehen,
indem eine Reihenschaltung der beiden Spulen auf gegenüberliegenden
Seiten des Ankers wickeltechnisch angelegt wird und eine Verbindung
der Reihenschaltung mit einem Paar benachbarter Kommutatorlamellen
vorgenommen wird. Dadurch ergibt sich eine absolute Synchronität im elektrischen
Verhalten der beiden Spulen des symmetrischen Spulenpaares unabhängig vom
Zustand des Kontaktbereiches zwischen Kommutatorlamellen und Kohlebürsten. Ein
Nachteil derartiger Anordnungen besteht jedoch darin, dass die beiden Spulen
des symmetrischen Spulenpaares über
unterschiedlich lange Anschlussdrähte mit den Kommutatorlamellen
verbunden werden müssen.
Diese Anschlussdrähte
verlaufen teilweise quer über
größere Bereiche
des Rotorquerschnitts. Bei Anordnung zahlreicher derartiger Spulen
ergibt sich ein relativ großer Platzbedarf
im Bereich eines Wickelkopfes. Des weiteren ist durch unabgestützte Anschlussdrähte mit zunehmender
Länge ein
erhöhtes
Risiko eines Drahtbruches gegeben, wodurch eine Beeinträchtigung
der Funktionssicher heit derart ausgestalteter Elektromotoren angenommen
werden muss. Das Problem längerer
unabgestützt
verlaufender Anschlussdrähte
verschärft
sich noch, wenn derartige Motoren in vibrations- und/oder schockgefährdeter Umgebung
betrieben werden sollen, wie das beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich
der Fall ist. Bereits ein einzelner Drahtbruch führt zu einem teilweisen Feldausfall
und damit verbunden zu einem Leistungsabfall.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektrischen Motor anzugeben,
der sich durch eine erhöhte
Funktionssicherheit, hohe Laufruhe und geringen Platzbedarf auszeichnet.
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Technische Lösung
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch einen elektrischen Vierpolmotor mit den Merkmalen von Anspruch
1. Die Ansprüche
2 bis 10 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Vierpolmotors.
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Die
Erfindung beruht darauf, dass bei einem elektrischen Vierpolmotor
die Kohlebürsten, über die die
Stromeinspeisung in Rotorspulen erfolgt, nicht diametral gegenüberliegend
angeordnet sind. Des weiteren können
jeweils zwei Kohlebürsten
vorhanden sein, die sich auf gleichem Potential befinden und diametral
gegenüberliegend
angeordnet sind. Ein herkömmlich
bewirktes Kurzschließen
einer Spule oder eines Spulenabschnittes in Verbindung zu benachbarten
Kommutatorlamellen durch gleichzeitigen Kontakt dieser benachbarten
Kommutatorlamellen zu ein und derselben Kohlebürste wird gemäß der Erfindung
durch ein Kurzschließen
einer Spule oder eines Spulenabschnittes in Verbindung zu diametral gegenüberliegenden
Kommutatorlamellen ersetzt oder ergänzt, wenn diese Kommuta torlamellen
sich mit jeweils zwei Kohlebürsten,
die sich auf dem gleichen Potenzial befinden, gleichzeitig in Kontakt
befinden.
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Die
Erfindung besteht in einem elektrischen Vierpolmotor, umfassend
einen Anker mit Ankernuten zur Aufnahme von Ankerspulen, wobei mindestens
ein symmetrisch zur Drehachse eines den Anker umfassenden Rotors
angeordnetes Spulenpaar enthalten ist, wobei mindestens eine Spule
dieses symmetrisch angeordneten Spulenpaares mit Kommutatorlamellen
verbunden ist, die sich diametral gegenüberliegen. Das führt zu einer
Verbesserung des Wickelkopfes durch eine Reduzierung der zum Anschluss
der Ankerspulen zu überbrückenden
Distanzen. Auf diese Weise lassen sich Spulengeometrien realisieren,
die mindestens ein symmetrisch zur Drehachse des Rotors angeordnetes
Spulenpaar umfassen, wobei beide Spulen dieses symmetrisch angeordneten
Spulenpaares mit Kommutatorlamellen verbunden sind, die sich diametral
gegenüberliegen
oder nur um eine Kommutatorlamelle von der diametralen Position
abweichen.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Die
Verbindung von Spulen mit gegenüberliegenden
Kommutatorlamellen bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich. Zur
Verbindung einer Spule mit gegenüberliegenden
Kommutatorlamellen sind nur kurze Anschlussdrähte erforderlich. Ein Queren
des Rotorquerschnitts durch unabgestützt verlaufende Anschlussdrähte kann
entfallen, wodurch sich eine erhöhte
Schockfestigkeit erfindungsgemäßer Elektromotoren
bei gleichzeitig verringertem Raum- und Materialbedarf ergibt. Vorteilhafterweise
ist jeweils ein bezüglich
der Drehachse des Rotors symmetrisches Spulenpaar in Reihenschaltung
mit gegenüberliegenden
Kommutatorlamellen verbunden. Auf diese Weise ergibt sich die Möglichkeit,
die Vorteile symmetrischer Spulenanordnungen, wie hohe Laufruhe, lange
Lebensdauer und geringen Ver schleiß, unter Vermeidung des üblicherweise
damit verbunden hohen Materialaufwandes zu nutzen. Gleichzeitig
sinkt das Risiko elektrischer Störungen
durch unerwünschte
Kontaktphänomene
im Bereich des Wickelkopfes, da sich wesentlich weniger Leitungen kreuzen.
In erfindungsgemäßen Vierpolmotoren
ist es des weiteren vorteilhaft, wenn die Zahl der Kommutatorlamellen
gleich der Zahl der Ankernuten ist. Diese Zahl liegt vorzugsweise
zwischen zwölf
und sechzehn, was die Realisierung besonders symmetrischer Spulenpakete
für gute
Gleichlaufeigenschaften des betreffenden Motors ermöglicht.
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Es
ist des weiteren vorteilhaft, wenn die einzelnen Ankerspulen so
gewickelt sind, dass sie mindestens zwei Ankernuten überspringen,
um die durch den Stator des Vierpolmotors vorgegebene Geometrie
des Magnetfeldes optimal nutzen zu können. Erfindungsgemäß ausgelegte
Vierpolmotoren benötigen
aufgrund ihrer spezifischen Wicklungs- und Kontaktierungsschemata
keine gesonderte Ausgleichswicklung.
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Vorteilhafterweise
umfasst ein erfindungsgemäßer Vierpolmotor
mindestens zwei Kohlebürsten, die
sich diametral gegenüberliegen
und auf dem gleichen Potenzial befinden. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
erfolgt die Kommutierung eines derartigen Vierpolmotors ausschließlich über mindestens
zwei sich diametral gegenüberliegende Paare
von Kohlebürsten,
die sich jeweils auf dem gleichen Potenzial befinden und jeweils
um einen Winkel versetzt angeordnet sind, wobei zwischen mindestens
zwei derartigen Paaren von Kohlebürsten eine Potenzialdifferenz
besteht, die zur Einspeisung eines Stromes zumindest in Teile der
Ankerwicklung führt.
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Des
weiteren ist es zur Variation der Drehzahl vorteilhaft, wenn in
derartigen Vierpolmotoren mindestens ein weiteres diametral angeordnetes Paar
von Kohlebürsten
umfasst ist, welches um einen Winkel gegenüber den anderen Paaren von
Kohlebürsten
versetzt angeordnet ist und sich zumindest gegen über einem der anderen Paare
von Kohlebürsten
auf einem abweichenden Potenzial befindet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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An
Ausführungsbeispielen
wird die Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Auszug aus einem erfindungsgemäßen Wickelschema
am Beispiel eines sechzehnnutigen Ankers mit sechzehn Kommutatorlamellen;
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2 ein ähnliches
Wickelschema eines vierzehnnutigen Ankers mit vierzehn Kommutatorlamellen;
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3 einen
Auszug aus einem weiteren erfindungsgemäßen Wickelschema am Beispiel
eines zwölfnutigen
Ankers mit zwölf
Kommutatorlamellen;
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4 eine
schematische Darstellung der Kommutierung eines erfindungsgemäßen Vierpolmotors;
und
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5 eine
schematische Darstellung der Kommutierung eines erfindungsgemäßen Vierpolmotors über sich
diametral gegenüberstehende
Paare von Kohlebürsten
auf jeweils gleichem Potenzial.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt
einen Auszug aus einem erfindungsgemäßen Wickelschema am Beispiel
eines sechzehnnutigen Ankers mit sechzehn Kommutatorlamellen 21.
Die Kommutatorlamellen 21 sowie die Ankernuten 22 sind
fortlaufend durchnummeriert. Die Wicklung beginnt mit einem Anschlussdraht 23 von einer
Kommutatorlamelle 1 zu einer Ankernut 5. Durch
die Ankernut 5 führt
eine Aufwärtsführung des Spulenleiters 24.
Oberhalb des Ankers erfolgt eine Rückführung des Spulenleiters 24 zu
einer Ankernut 1. Durch die Ankernut 1 erfolgt
eine Abwärtsführung des
Spulenleiters 24. Unterhalb des Ankers wird der Spulenleiter 24 zu
einer Kommutatorlamelle 9 geführt und mit dieser elektrisch
verbunden. Damit ist eine erfindungsgemäße Spule 25 ausgebildet,
die mit sich diametral gegenüberliegenden
Kommutatorlamellen 1, 9 verbunden ist. Von der
Kommutatorlamelle 9 erfolgt eine Weiterführung des
Spulenleiters 24 zu einer Ankernut 13. Durch die
Ankernut 13 führt
eine Aufwärtsführung des
Spulenleiters 24. Oberhalb des Ankers erfolgt eine Rückführung des
Spulenleiters 24 zu einer Ankernut 9. Durch die
Ankernut 9 erfolgt eine Abwärtsführung des Spulenleiters 24.
Unterhalb des Ankers wird der Spulenleiter 24 zu einer
Kommutatorlamelle 2 geführt
und mit dieser elektrisch verbunden. Damit ist eine weitere erfindungsgemäße Spule 26 ausgebildet,
die mit einem Paar von Kommutatorlamellen 9, 2 verbunden
ist, die nur um eine Kommutatorlamelle 21 von der diametralen
Position abweichen. Beide auf diese Weise gebildeten Spulen 25, 26 bilden
ein bezüglich
der Drehachse des Rotors symmetrisch angeordnetes Spulenpaar. Jede
der Spulen 25, 26 ist so ausgebildet, dass jeweils
drei Ankernuten 22 übersprungen
werden, wodurch sich ein optimaler Spulenquerschnitt ergibt.
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2 zeigt
ein ähnliches
Wickelschema eines vierzehnnutigen Ankers mit vierzehn Kommutatorlamellen 21.
Die Wicklung beginnt mit einem Anschlussdraht 23 von einer
Kommutatorlamelle 1 zu einer Ankernut 4. Durch
die Ankernut 4 führt
eine Aufwärtsführung des
Spulenleiters 24. Oberhalb des Ankers erfolgt eine Rückführung des
Spulenleiters 24 zu einer Ankernut 1. Durch die
Ankernut 1 erfolgt eine Abwärtsführung des Spulenleiters 24.
Unterhalb des Ankers wird der Spulenleiter 24 zu einer
Kommutatorlamelle 8 geführt
und mit dieser elektrisch verbunden. Von der Kommutatorlamelle 8 erfolgt
eine Weiterführung
des Spulenleiters 24 zu einer Ankernut 11. Durch
die Ankernut 11 führt
eine Aufwärtsführung des
Spulenleiters 24. Oberhalb des Ankers erfolgt eine Rückführung des
Spulenleiters 24 zu einer Ankernut 8. Durch die
Ankernut 8 erfolgt eine Abwärtsführung des Spulenleiters 24.
Unterhalb des Ankers wird der Spulenleiter 24 zu einer
Kommutatorlamelle 2 geführt
und mit dieser elektrisch verbunden. Beide auf diese Weise gebildeten
Spulen 25, 26 bilden ein bezüglich der Drehachse des Rotors
symmetrisch angeordnetes Spulenpaar. Jede der Spulen 25, 26 ist so
ausgebildet, dass jeweils zwei Ankernuten 22 übersprungen
werden, wodurch sich ein optimaler Spulenquerschnitt für vierzehnnutige
Anker ergibt. Anschließend
erfolgt eine Wiederholung dieser Wicklung unter Nutzung von jeweils
um eins versetzten Kommutatorlamellen 21 sowie Ankernuten 22.
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3 zeigt
einen Auszug aus einem weiteren erfindungsgemäßen Wickelschema am Beispiel eines
zwölfnutigen
Ankers mit zwölf
Kommutatorlamellen 21. Im Sinne der Übersichtlichkeit sind die fortlaufenden
Bezeichnungen der Ankernuten 22 nach oben versetzt oberhalb
der dargestellten Ankernuten 22 angeordnet. In diesem Wickelschema
werden zwei Wicklungen eingebracht und anschließend mit sich gegenüberliegenden
Kommutatorlamellen 1 und 7 verbunden. Die Wicklung
beginnt mit einem Anschlussdraht 23 von einer Kommutatorlamelle 1 zu
einer Ankernut 1. Durch die Ankernut 1 führt eine Aufwärtsführung des
Spulenleiters 24. Oberhalb des Ankers erfolgt eine Hinführung des
Spulenleiters 24 zu einer Ankernut 4. Durch die
Ankernut 4 erfolgt eine Abwärtsführung des Spulenleiters 24.
Unterhalb des Ankers wird der Spulenleiter 24 zu einer
Ankernut 7 geführt.
Durch die Ankernut 7 erfolgt eine Aufwärtsführung des Spulenleiters 24.
Oberhalb des Ankers erfolgt eine Hinführung des Spulenleiters 24 zu
einer Ankernut 10. Durch die Ankernut 10 erfolgt
eine Abwärtsführung des
Spulenleiters 24. Unterhalb des Ankers wird der Spulenleiter 24 zu
einer Kommutatorlamelle 7 geführt und mit dieser elektrisch
verbunden. Beide auf diese Weise gebildeten Spulen 25, 26 bilden
ein bezüglich
der Drehachse des Rotors symmetrisch angeordnetes Spulenpaar. Jede
der Spulen 25, 26 ist so ausgebildet, dass jeweils
zwei Ankernuten 22 übersprungen
werden. Die beiden Spulen sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei
diese Reihenschaltung mit sich diametral gegenüberliegenden Kommutatorlamellen 1, 7 verbunden
ist. Die Wicklung wird fortgesetzt mit einer Hinführung des
Spulenleiters 24 von der Kommutatorlamelle 7 zur
Ankernut 7. Durch die Ankernut 7 erfolgt eine
Aufwärtsführung des
Spulenleiters 24. Oberhalb des Ankers erfolgt eine Hinführung des
Spulenleiters 24 zur Ankernut 10. Durch die Ankernut 10 erfolgt
eine Abwärtsführung des
Spulenleiters 24. Unterhalb des Ankers wird der Spulenleiter 24 zur
Ankernut 1 geführt. Durch
die Ankernut 1 erfolgt eine Aufwärtsführung des Spulenleiters 24.
Oberhalb des Ankers erfolgt eine Hinführung des Spulenleiters 24 zur
Ankernut 4. Durch die Ankernut 4 erfolgt eine
Abwärtsführung des
Spulenleiters 24. Unterhalb des Ankers wird der Spulenleiter 24 zu
einer Kommutatorlamelle 2 geführt und mit dieser elektrisch
verbunden. Die beiden Spulen 27, 28 sind elektrisch
in Reihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltung mit Kommutatorlamellen 7, 2 verbunden
ist, die nur um eine Kommutatorlamelle von einer diametralen Position
abweichen.
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In
den Ausführungsbeispielen
gemäß 1 bis 3 erfolgte
die Darstellung in einer Weise, welche zur Ausbildung der Spulen 25, 26, 27, 28 jeweils nur
eine Umschlingung mehrerer Ankerzähne 29 vorgesehen
hat. Es versteht sich, dass es unter Beibehaltung der grundsätzlichen
Wickelschemata in vielen Fällen
vorteilhaft ist, die Umschlingung zur Ausbildung der Spulen 25, 26, 27, 28 mehrfach
vorzunehmen.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung der Kommutierung eines erfindungsgemäßen Vierpolmotors.
Dieser Vierpolmotor ist mit einem zwölfnutigen Anker und einem Kommutator
mit zwölf
Kommutatorlamellen 21 ausgelegt. An den Kommutatorlamellen 21 liegen
Kohlebürsten
an. Eine erste Kohlebürste 30 befindet
sich auf Massepotenzial U0. Eine zweite
Kohlebürste 31 befindet
sich auf einem von Null verschiedenen Potenzial U1.
Die beiden Kohlebürsten 30, 31 weisen
einen Versatz von 90° auf.
Der Betrieb des Vierpolmotors bei Benutzung dieser Kohlebürsten 30, 31 erfolgt
mit einer bestimmten Drehzahl. Zusätzlich umfasst ist eine dritte
Kohlebürste 32,
welche sich zwischen den beiden anderen Kohlebürsten 30, 31 befindet
und in einem Versatz von 45° angeordnet
ist. Diese Kohlebürste 32 befindet
sich bei Beschaltung ebenfalls auf einem von Null verschiedenen
Potenzial U2. Wird statt der gegenüber der
Kohlebürste 30 auf
Massepotenzial U0 um 90° versetzten Kohlebürste 31 die
gegenüber
der Kohlebürste 30 auf
Massepotenzial U0 um 45° versetzte Kohlebürste 32 zum
Betrieb genutzt, erfolgt der Betrieb des Motors mit einer anderen
Drehzahl. Eine derartige Kommutierung eines Vierpolmotors erfordert
gemäß der Stand
der Technik den Einsatz einer Ausgleichswicklung. Durch den Einsatz
eines erfindungsgemäßen Wickelschemas
kann auf eine derartige Ausgleichswicklung verzichtet werden.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung der Kommutierung eines erfindungsgemäßen Vierpolmotors über sich
diametral gegenüberstehende Paare
von Kohlebürsten
auf jeweils gleichem Potenzial. Der Vierpolmotor ist wiederum als
ein Motor mit zwölfnutigem
Anker und einem Kommutator mit zwölf Kommutatorlamellen 21 ausgelegt.
Ein erstes Paar von Kohlebürsten 30, 33 befindet
sich auf Massepotenzial U0 und ist im vorliegenden
Beispiel senkrecht angeordnet. Ein zweites Paar von Kohlebürsten 31, 34 befindet
sich auf einem von Null verschiedenen Potenzial U1 und
ist gegenüber
dem ersten Paar von Kohlebürsten 30, 33 mit
einem Versatz von 90° angeordnet.
In diesem Fall erfolgt der Betrieb des Motors mit einer bestimmten
ersten Drehzahl. Zusätzlich
ist ein drittes Paar von Kohlebürsten 32, 35 angeordnet, welches
sich gegenüber
dem ersten Paar von Kohlebürsten 30, 33 durch
einen Versatz von 45° auszeichnet
und sich bei Beschaltung ebenfalls auf einem von Null verschiedenen
Potenzial U2 befindet. Wird dieses dritte
Paar von Kohlebürsten 32, 35 zum
Betrieb des Motors genutzt, arbeitet dieser mit einer gegenüber der
ersten Drehzahl erhöhten
Drehzahl. Mit einer derartigen Kommutierung lassen sich die Vorteile
insbesondere des erfindungsgemäßen Wickelschemas gemäß 3 besonders
effektiv nutzen. Spulen oder Spulenteile, die mit gegenüberliegenden
Kommutatorlamellen verbunden sind, werden bei Kontakt mit einem
Kohlebürstenpaar kurzgeschlossen.
Gleichzeitig erfolgt die Einspeisung der Elektroenergie in Teile
der Ankerwicklung an zwei verschiedenen Stellen.
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- 21
- Kommutatorlamellen
- 22
- Ankernuten
- 23
- Anschlussdraht
- 24
- Spulenleiter
- 25
- Spule
- 26
- Spule
- 27
- Spule
- 28
- Spule
- 29
- Ankerzähne
- 30
- Kohlebürsten
- 31
- Kohlebürsten
- 32
- Kohlebürsten
- 33
- Kohlebürsten
- 34
- Kohlebürsten
- 35
- Kohlebürsten