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Die Erfindung betrifft einen bürstenkommutierten Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger bürstenkommutierter Gleichstrommotor umfasst einen Stator mit mehreren Erregerpolen und einen um eine Drehachse zum Stator drehbaren Rotor. Der Rotor weist mehrere Polzähne und zwischen den Polzähnen angeordnete Nuten, die die Polzähne entlang einer Umfangsrichtung um die Drehachse voneinander trennen, auf. An den Polzähnen sind Spulenwicklungen angeordnet, die im Betrieb des bürstenkommutierten Gleichstrommotors über einen an dem Rotor angeordneten Kommutator bestromt werden und auf diese Weise in Wechselwirkung mit den Erregerpolen des Stators eine elektromotorische Kraft auf den Rotor bewirken. Der Kommutator umfasst mehrere Lamellen, an die die Spulenwicklungen des Rotors über Anschlussarme angeschlossen sind.
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Bei der Herstellung von bürstenkommutierten Gleichstrommotoren kann vorgesehen sein, mehrere Spulenwicklungen an jedem Polzahn anzubringen, um auf diese Weise die für die Herstellung der Spulenwicklungen erforderliche Drahtdicke zu reduzieren. Würde an jedem Polzahn lediglich eine Spulenwicklung angeordnet werden, würde diese einen Draht mit vergleichsweise großer Drahtdicke erfordern, was eine Verarbeitung des Drahts zur Wicklungen um die Polzähne vergleichsweise schwierig macht. Durch Anbringen von mehreren Spulenwicklungen an jedem Polzahn kann die Drahtdicke des verwendeten Drahts reduziert werden, so dass sich der Herstellungsprozess insgesamt leichter gestaltet.
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Wie in der
FR 2 841 399 A beschrieben, werden hierbei herkömmlich ein erster Wickelumlauf und ein zweiter Wickelumlauf, in denen jeweils eine Spulenwicklung an jedem Polzahn angeordnet wird, in identischer Weise ausgeführt.
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Weil die Spulenwicklungen an den Polzähnen in unterschiedlichen Wickelumläufen gewickelt werden, ergeben sich jedoch an jedem Polzahn Spulenwicklungen, die sich in ihrer Lage unterscheiden. So ist eine nachfolgende Spulenwicklung eines späteren Wickelumlaufs auf eine Spulenwicklung aus einem vorangegangenen Wickelumlauf gewickelt, was zur Folge hat, dass die Drahtlänge der später gewickelten, außen liegenden Spulenwicklung größer ist und somit sich im Betrieb parallele Zweige von Spulenwicklungen ergeben, die sich in ihrem elektrischen Widerstand – bedingt durch die unterschiedliche Drahtlänge – unterscheiden können. Dies kann Asymmetrien im Kommutierungsstrom zur Folge haben.
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Darüber hinaus sind heutzutage hybride Wicklungsanordnungen bekannt, bei denen die an einem Polzahn angeordneten Spulenwicklungen nicht mit den gleichen Lamellen verbunden sind, sondern an unterschiedliche Lamellen angeschlossen sind. So sind aus der
US 7,821,170 B2 und der
EP 1 489 724 B1 bürstenkommutierte Gleichstrommotoren bekannt, bei denen an jedem Polzahn eine erste Spulenwicklung in einer ersten Wickelrichtung und eine zweite Spulenwicklung in eine entgegengesetzte, zweite Wickelrichtung angebracht ist. Weil sich bei solchen Wicklungsanordnungen die Anschlussarme, mit denen die unterschiedlichen Spulenwicklungen eines Polzahns an die jeweils zugeordneten Lamellen angeschlossen sind, unter Umständen kreuzen, kann die Verlegung der Anschlussarme hin zu den zugeordneten Lamellen unter Umständen – insbesondere mit Blick auf den zur Verfügung stehenden Bauraum – nicht ganz einfach sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen bürstenkommutierten Gleichstrommotor zur Verfügung zu stellen, der bei gutem Betriebsverhalten in einfacher, den zur Verfügung stehenden Bauraum ausnutzender Weise herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach trägt jeder Polzahn eine in eine erste Wickelrichtung um den Polzahn gewickelte, erste Spulenwicklung und eine in eine der ersten Wickelrichtung entgegengesetzte, zweite Wickelrichtung um den Polzahn gewickelte, zweite Spulenwicklung. Hierbei sind der erste Anschlussarm und/oder der zweite Anschlussarm der ersten Spulenwicklung um zumindest einen anderen Polzahn herum hin zu einer jeweils zugeordneten Lamelle verlegt.
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Die vorliegende Erfindung geht von dem Gedanken aus, einen Anschlussarm einer Spulenwicklung nicht direkt von der auf einen Polzahn gewickelten Spulenwicklung hin zu der zugeordneten Lamelle zu verlegen, sondern um einen oder mehrere Pohlzähne herum. Insbesondere bei solchen Spulenwicklungen, bei denen ein Anschluss nicht an eine unmittelbar radial innerhalb der Spulenwicklung angeordnete Lamelle vorgesehen ist, sondern die zugeordnete Lamelle in Umfangsrichtung zur Spulenwicklung versetzt ist, kann die Verlegung des Anschlussarms hin zu der Lamelle um einen oder mehrere Polzähne herum vorteilhaft sein, weil auf diese Weise Kreuzungen von Anschlussarmen unterschiedlicher Spulenwicklungen vermieden werden können. Die Verlegung der Anschlussarme kann somit in günstiger, Bauraum sparender Weise erfolgen.
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In einer konkreten Ausgestaltung ist der erste Wicklungsarm der ersten Spulenwicklung um genau einen dem zugeordneten Polzahn in die Umfangsrichtung benachbarten Polzahn herum und der zweite Wicklungsarm der ersten Spulenwicklung um genau einen dem zugeordneten Polzahn entgegen der Umfangsrichtung benachbarten Polzahn herum verlegt.
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Hierzu kann sich der erste Anschlussarm der ersten Spulenwicklung beispielsweise durch eine an den zugeordneten Polzahn in die Umfangsrichtung angrenzende, erste Nut, um den dem zugeordneten Polzahn in Umfangsrichtung benachbarten Polzahn herum und durch eine von der ersten Nut unterschiedliche, zweite Nut hin zu der zugeordneten Lamelle erstrecken. In analoger Weise erstreckt sich dann der zweite Anschlussarm der ersten Spulenwicklung durch eine an den zugeordneten Polzahn entgegen der Umfangsrichtung angrenzende, dritte Nut, um den dem zugeordneten Polzahn entgegen der Umfangsrichtung benachbarten Polzahn herum und durch eine von der dritten Nut unterschiedliche, vierte Nut hin zu der ihr zugeordneten Lamelle. Die Anschlussarme der ersten Spulenwicklung an einem Polzahn erstrecken sich somit – betrachtet entlang der Umfangsrichtung – zu unterschiedlichen Richtungen von der Spulenwicklung weg und sind um die Polzähne links und rechts des Polzahns, an dem die Spulenwicklung angeordnet ist, herum verlegt. Die Anschlussarme der ersten Spulenwicklung werden somit von dem Polzahn nicht direkt hin zu den zugeordneten Lamellen geführt, sondern um die benachbarten Polzähne herum verlegt und erst dann hin zu den Lamellen geführt und an diese angeschlossen.
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Während die Anschlussarme der ersten Spulenwicklung somit um andere Polzähne herum verlegt sind, können die Anschlussarme der zweiten Spulenwicklung an benachbarte Lamellen angeschlossen sein, die radial innerhalb der zweiten Spulenwicklung angeordnet sind und sich somit zumindest näherungsweise an gleicher Umfangsposition wie die Spulenwicklung befinden. Die Anschlussarme der zweiten Spulenwicklung sind hierbei vorteilhafterweise an benachbarte Lamellen angeschlossen und kreuzen sich.
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Während die Anschlussarme der zweiten Spulenwicklung an benachbarte Lamellen angeschlossen sind, sind die Anschlussarme der ersten Spulenwicklung mit Lamellen verbunden, die in Umfangsrichtung zu diesen benachbarten Lamellen versetzt sind. Der erste Anschlussarm ist dabei an eine erste Lamelle angeschlossen, die in Umfangsrichtung zu den benachbarten Lamellen versetzt ist, während der zweite Anschlussarm der zweiten Spulenwicklung an eine zweite Lamelle angeschlossen ist, die entgegen der Umfangsrichtung zu den benachbarten Lamellen versetzt ist. Zwischen den benachbarten Lamellen und der ersten Lamelle einerseits und der zweiten Lamelle andererseits können hierbei jeweils ein oder mehrere andere Lamellen angeordnet sein, so dass sowohl die erste Lamelle als auch die zweite Lamelle zu den benachbarten Lamellen in Umfangsrichtung um eine oder mehrere Lamellen beabstandet sind.
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Die Anzahl der Polzähne entspricht, bei einem konkreten Ausführungsbeispiel, einer ungeraden, ganzzahligen Zahl, während die Anzahl der Lamellen der doppelten Anzahl der Polzähne entspricht. Beispielsweise können am Stator sechs Erregerpole angeordnet sein. Die Anzahl der Polzähne kann beispielsweise 7, 9 oder 11 betragen, während die Anzahl der Lamellen entsprechend 14, 18 oder 22 beträgt.
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Vorzugsweise sind die Spulenwicklungen als sogenannte konzentrierte Wicklungen, auch bezeichnet als Einzelzahlwicklungen, ausgebildet. Hierunter ist zu verstehen, dass die Spulenwicklungen jeweils um genau einen Polzahn herum gewickelt sind und somit durch Umwickeln eines Polzahns mittels eines Drahts gefertigt sind. Die Spulenwicklungen können beispielsweise jeweils ein, zwei oder drei oder auch mehr Windungen aufweisen und aus einem geeigneten Wicklungsdraht gefertigt sein.
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In einer Ausführungsform sind Kurzschlussbrücken vorgesehen, die dazu dienen, einzelne Lamellen des Kommutators kurzzuschließen, um auf diese Weise die Anzahl der erforderlichen Bürstenpaare im Idealfall auf 1 zu reduzieren. Beträgt beispielsweise die Anzahl der Erregerpole sechs, so schließt jede Kurzschlussbrücke vorteilhafterweise drei Lamellen kurz, so dass die drei Lamellen bei Kontakt einer der Lamellen mit einer Bürste auf einem gleichen Potential sind. Die kurzgeschlossenen Lamellen weisen hierbei vorteilhafterweise einen gleichen Winkelabstand von 120° zueinander auf, entsprechend der Gleichung α = 720°/P, wobei P der Anzahl der Erregerpole entspricht und ein Vielfaches von 2 ist.
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Die Kurzschlussbrücken erstrecken sich beispielsweise zum Kurzschließen zweier Lamellen jeweils mit zumindest einem Abschnitt um mindestens einen Polzahn herum, indem sie sich jeweils von einer Lamelle durch eine Nut zwischen zwei Polzähnen hindurch, um mindestens einen Polzahn herum und durch eine andere Nut hindurch zu einer anderen Lamelle erstrecken. Dies ermöglicht, die Kurzschlussbrücken derart an dem Rotor anzubringen, dass sie sich zwischen den Nuten zwischen den Polzähnen hindurch erstrecken und dementsprechend in dem Raum verlegt sind, in dem auch die Spulenwicklungen an den Polzähnen angeordnet sind. Dies ermöglicht zum einen eine Reduktion des Bauraums, weil für die Kurzschlussbrücken kein zusätzlicher Bauraum vorgehalten werden muss. Die Kurzschlussbrücken können in einfacher Weise durch die Nuten um einen oder mehrere Polzähne herum verlegt werden, um Lamellen kurzschließend miteinander zu verbinden. Zum anderen wird auf diese Weise möglich, die Spulenwicklungen und Kurzschlussbrücken aus einem einzelnen Wicklungsdraht und somit zusammenhängend zu fertigen, so dass die Spulenwicklungen und Kurzschlussbrücken in einem zusammenhängenden Arbeitsgang an dem Rotor angebracht werden können. Separate Arbeitsgänge einerseits zum Anbringen der Spulenwicklungen und andererseits zum Anbringen der Kurzschlussbrücken entfallen somit.
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Darunter, dass ein Anschlussarm oder eine Kurzschlussbrücke um mindestens einen Polzahn gelegt sind, ist zu verstehen, dass der Anschlussarm oder eine Kurzschlussbrücke zumindest einen Polzahn zumindest abschnittsweise umgreift. Der Anschlussarm oder die Kurzschlussbrücke umgeben den oder die Polzähne dabei umfänglich jedoch nicht vollständig, sondern sind beispielsweise ausgehend von einer Vorderseite des Rotors, an der die Lamellen des Kommutators angeordnet sind, in eine Nut eingelegt, verlaufen an einer Rückseite des Rotors entlang eines oder mehrerer Polzähne und sind durch eine andere Nut zurück zur Vorderseite des Rotors geführt, um an dieser Vorderseite mit einer zugeordneten Lamelle verbunden zu werden.
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Die Spulenwicklungen und die Kurzschlussbrücken sind vorteilhafterweise aus einem durchgehenden Draht gefertigt und können somit in einem zusammenhängenden Arbeitsgang durch kontinuierliche Wicklung und Verlegung an den Polzähnen des Rotors angebracht werden. Es ergibt sich eine einfache Fertigung, die in günstiger Weise durch Einsatz von geeigneten Wickelmaschinen automatisiert werden kann. Insbesondere ist nach dem Anbringen der Spulenwicklungen kein separater Arbeitsschritt mehr erforderlich, um geeignete Kurzschlussbrücken anzubringen. Zudem entfallen zusätzliche Bauteile, die herkömmlich für Kurzschlussbrücken erforderlich sind, so dass die Anzahl der insgesamt erforderlichen Bauteile reduziert werden kann.
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Sind die Spulenwicklungen und die Kurzschlussbrücken aus einem durchgehenden Draht gefertigt, so ergibt sich an dem Rotor vorzugsweise eine Anordnung, bei der zwischen zwei Spulenwicklungen jeweils ein Abschnitt einer Kurzschlussbrücke angeordnet ist. Zur Fertigung wird eine Spulenwicklung an einem Polzahn angebracht und mit jeweils einem Anschlussarm mit einer Lamelle verbunden, wobei dann ausgehend von einem Anschlussarm ein Abschnitt einer Kurzschlussbrücke zu einer anderen Lamelle verlegt wird und an diesen Abschnitt der Kurzschlussbrücke eine weitere Spulenwicklung anschließt.
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In einer Ausgestaltung bildet der durchgehende Draht eine erste Spulenwicklung, daran anschließend einen Abschnitt einer Kurzschlussbrücke, daran anschließend eine zweite Spulenwicklung und daran anschließend einen anderen Abschnitt einer Kurzschlussbrücke, woran wiederum eine erste Spulenwicklung anschließt. Die unterschiedlichen Spulenwicklungen an den Polzähnen und die Abschnitte der Kurzschlussbrücken sind somit durch einen durchgehenden Draht hergestellt und können nacheinander in aufeinanderfolgenden Wickelumläufen auf den Polzähnen angeordnet werden.
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Zur Herstellung der Spulenwicklungen an den Polzähnen des Rotors werden an jedem Polzahn (mindestens) eine erste Spulenwicklung in die erste Wickelrichtung und eine zweite Spulenwicklung in die entgegengesetzte, zweite Wickelrichtung angebracht. Dies erfolgt in unterschiedlichen Wickelumläufen, wobei pro Wickelumlauf an jedem Polzahn eine Spulenwicklung angebracht wird. Vorteilhafterweise werden hierbei in einem ersten Wickelumlauf an einem ersten Teil der Polzähne erste Spulenwicklungen und an einem zweiten Teil der Polzähne zweite Spulenwicklungen angeordnet, während in einem anschließenden, zweiten Wickelumlauf an dem ersten Teil der Polzähne zweite Spulenwicklungen und an dem zweiten Teil der Polzähne erste Spulenwicklungen angebracht werden. Dies hat den Effekt, dass für den ersten Teil der Polzähne die ersten Spulenwicklungen innerhalb der zweiten Spulenwicklungen angeordnet sind, weil die zweiten Spulenwicklungen auf die ersten Spulenwicklungen gewickelt werden, für den zweiten Teil der Polzähne hingegen die zweiten Spulenwicklungen innerhalb der ersten Spulenwicklungen angeordnet sind, weil die ersten Spulenwicklungen auf die zweiten Spulenwicklungen gewickelt werden.
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Weil somit für einige Polzähne die ersten Spulenwicklungen innerhalb und die zweiten Spulenwicklungen außerhalb und für andere Polzähne die zweiten Spulenwicklungen innerhalb und die ersten Spulenwicklungen außerhalb liegen, unterscheiden sich die Drahtlängen zwischen den ersten Spulenwicklungen und den zweiten Spulenwicklungen nicht einheitlich, sondern in unterschiedlicher Weise. So sind bei dem ersten Teil der Polzähne die Drahtlängen der zweiten Spulenwicklungen, die auf die ersten Spulenwicklungen gewickelt sind, länger als die Drahtlängen der ersten Spulenwicklungen, während für den zweiten Teil der Polzähne die Drahtlängen der ersten Spulenwicklungen größer sind als die Drahtlängen der zweiten Spulenwicklungen. Auf diese Weise können Asymmetrien in den sich ergebenden elektrischen Zweigen im Betrieb des Gleichstrommotors zumindest reduziert werden, so dass sich eine zumindest näherungsweise gleichmäßige Höhe im Kommutierungsstrom ergibt, weil parallele Zweige eine in etwa symmetrische Widerstandsverteilung aufweisen können.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines bürstenkommutierten Gleichstrommotors;
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2 eine schematische, abgewickelte Darstellung eines bürstenkommutierten Gleichstrommotors;
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3A eine Beschreibung eines ersten Wickelumlaufs eines Wickelschemas;
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3B eine Beschreibung eines zweiten Wickelumlaufs des Wickelschemas;
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4A eine schematische Darstellung des Wickelprozesses zu Beginn des ersten Wickelumlaufs des Wickelschemas;
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4B eine schematische Darstellung des weiteren Wickelprozesses beim ersten Wickelumlauf des Wickelschemas;
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4C eine schematische Darstellung des Wickelprozesses, nach dem ersten Wickelumlauf des Wickelschemas;
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4D eine schematische Darstellung des zweiten Wickelumlaufs des Wickelprozesses;
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4E eine schematische Darstellung des Wickelprozesses, nach Beendigung des zweiten Wickelumlaufs;
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5 eine schematische Darstellung des Wickelschemas, mit eingezeichneten Stromflüssen; und
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6 eine schematische Einzeldarstellung zweier Spulenwicklungen an zwei Polzähnen.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht einen bürstenkommutierten Gleichstrommotor 1, der einen Stator 10 und einen um eine Drehachse D drehbar an dem Stator 10 angeordneten Rotor 11 aufweist.
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In bekannter Weise weist der Stator 10 eine Anzahl von Erregerpolen M1–M6 auf, die durch Permanentmagnete ausgebildet sind und in gleichverteilter Weise umfänglich am Stator 1 angeordnet sind. Die Erregerpole M1–M6 weisen mit unterschiedlichen, alternierenden Polen N, S hin zum Rotor 11 derart, dass in Umfangsrichtung U auf einen Nordpol N immer ein Südpol S und umgekehrt folgt.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Stator 10 genau sechs Erregerpole M1–M6 auf.
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Der Rotor 11 ist um die Drehachse D drehbar an dem Stator 10 angeordnet und weist, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, neun Polzähne Z1–Z9 auf, die entlang einer Erstreckungsrichtung E radial zur Drehachse D erstreckt sind, hin zum Stator 10 weisen und über Nuten N12, N23, N34, N45, N56, N67, N78, N89, N91 in Umfangsrichtung um die Drehachse D voneinander getrennt sind. Der Rotor 11 kann beispielsweise in an sich bekannter Weise als Blechpaket aus einzelnen Rotorblechen ausgestaltet sein, in die die Polzähne Z1–Z9 eingeformt sind.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Rotor 11 genau neun Polzähne Z1–Z9 auf.
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Jeder Polzahn Z1–Z9 trägt Spulenwicklungen Z1l–Z9l, Z1r–Z9r in Form von konzentrierten Wicklungen, die jeweils um einen Polzahn Z1–Z9 gewickelt sind. Die Spulenwicklungen Z1l–Z9l, Z1r–Z9r sind jeweils mit Lamellen L eines Kommutators 110 verbunden, der fest an dem Rotor 11 angeordnet ist und gleitend mit Bürsten B1, B2, die ortsfest an dem Stator 10 angeordnet sind, in Wirkverbindung steht derart, dass über die Bürsten B1, B2 und den Kommutator 110 die Spulenwicklungen Z1l–Z9l, Z1r–Z9r zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft (EMK) bestromt werden können. Über den Kommutator 110 wird eine Kommutierung des in den Spulenwicklungen Z1l–Z9l, Z1r–Z9r fließenden Stroms bewirkt.
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2 zeigt in einer schematischen Ansicht den bürstenkommutierten Gleichstrommotor 1, wobei zur vereinfachten Übersicht der bürstenkommutierte Gleichstrommotor 1 in einer abgerollten Weise dargestellt ist und entsprechend die Erregerpole M1–M6 und die Polzähne Z1–Z9 sowie der Kommutator 110 mit seinen einzelnen Lamellen L1–L18 nicht entlang eines Kreises, sondern entlang einer Geraden angeordnet sind.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Kommutator 110 achtzehn Lamellen L1–L18 auf.
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Wie aus 2 ersichtlich, sind an jedem Polzahn Z1–Z9 zwei Spulenwicklungen Z1l–Z9l, Z1r–Z9r angeordnet. Die an einem Polzahn Z1–Z9 angeordneten Spulenwicklungen Z1l–Z9l, Z1r–Z9r sind hierbei in unterschiedliche Wickelrichtungen auf den zugeordneten Polzahn Z1–Z9 gewickelt. Jeder Polzahn Z1–Z9 trägt entsprechend eine in eine erste Wickelrichtung gewickelte, erste Spulenwicklung Z1l–Z9l (bezeichnet auch als linksgewickelte Spulenwicklung) und eine in eine entgegengesetzte, zweite Wickelrichtung gewickelte, zweite Spulenwicklung Z1r–Z9r (bezeichnet als rechtsgewickelte Spulenwicklung).
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Jede Spulenwicklung Z1l–Z9l, Z1r–Z9r ist an ihren Anschlussarmen Zl1, Zl2, Zr1, Zr2 mit genau zwei Lamellen L1–L18 des Kommutators 110 des Rotors 11 verbunden. Beispielsweise ist die rechtsgewickelte Spulenwicklung Z1r des ersten Polzahns Z1 über einen ersten Anschlussarm Zr1 mit der Lamelle L1 und über einen zweiten Anschlussarm Zr2 mit der zur Lamelle L1 benachbarten Lamelle L2 verbunden, während die linksgewickelte Spulenwicklung Z1l des ersten Polzahns Z1 über einen ersten Anschlussarm Zl1 mit der Lamelle L17 und über einen zweiten Anschlussarm Zl2 mit der Lamelle L4 verbunden ist. Während die rechtsgewickelte Spulenwicklung Z1r somit mit benachbarten Lamellen L1, L2 verbunden ist, ist die linksgewickelte Spulenwicklung L1l mit in Umfangsrichtung U um die Drehachse D zueinander beabstandeten, beidseits des mit der rechtsgewickelten Spulenwicklung Z1r verbundenen Lamellenpaares L1, L2 angeordneten Lamellen L17, L4 verbunden.
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In analoger Weise sind auch die übrigen Spulenwicklungen Z2l–Z9l, Z2r–Z9r mit Lamellen L1–L18 verbunden.
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Die Bestromung der Spulenwicklungen Z1l–Z9l, Z1r–Z9r im Betrieb des Gleichstrommotors 1 erfolgt über die Bürsten B1, B2, wobei bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel genau zwei Bürsten B1, B2 vorgesehen sind. Um hierbei sicher zu stellen, dass um 120° zueinander versetzte Lamellen L1–L18 auf dem gleichen Potential sind und um auf zusätzliche Bürsten verzichten zu können, sind Kurzschlussbrücken K1–K6 vorgesehen, die jeweils drei um 120° in Umfangsrichtung um die Drehachse D zueinander versetzte Lamellen L1–L18 miteinander kurzschließen und so sicherstellen, dass bei Kontakt einer der drei Lamellen L1–L18 mit einer der Bürsten B1, B2 die entsprechend kurzgeschlossenen Lamellen L1–L18 auf demselben Potenzial liegen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, wie aus der schematischen Ansicht gemäß 2 ersichtlich, folgende Lamellen miteinander kurzgeschlossen:
L1-L7-L13 (Kurzschlussbrücke K1),
L2-L8-L14 (Kurzschlussbrücke K2),
L3-L9-L15 (Kurzschlussbrücke K3),
L4-L10-L16 (Kurzschlussbrücke K4),
L5-L11-L17 (Kurzschlussbrücke K5),
L6-L12-L18 (Kurzschlussbrücke K6).
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Liegt in der in 5 dargestellten Rotorstellung beispielsweise die Bürste B1 an den Lamellen L2, L3 und die Bürste B2 an den Lamellen L5, L6 an und weist die Bürste B1 eine positive Polarität (+) und die Bürste B2 eine negative Polarität (–) auf, so ergeben sich die in 5 an den Anschlussarmen Zl1, Zl2, Zr1, Zr2 der Spulenwicklungen Z1l, Z1r, Z2l, Z2r, Z3l, Z3r durch Pfeile angezeigten Stromflussrichtungen.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Anschlussarme Zr2, Zr2 der zweiten, rechtsgewickelten Spulenwicklung Z1r–Z9r mit benachbarten Lamellen L1–L18 unmittelbar radial innerhalb des zugeordneten Polzahns Z1–Z9 angeordnet, wobei sich die Anschlussarme Zr1, Zr2 kreuzen, wie sich dies aus 2 ergibt. Die ersten, linksgewickelten Spulenwicklungen Z1l–Z9l hingegen sind mit ihren Anschlussarmen Zl1, Zl2 mit Lamellen L1–L18 verbunden, die beidseits des Lamellenpaares L1, L2 angeordnet sind. Für die erste Spulenwicklung Z1l und die zweite Spulenwicklung Z1r auf dem ersten Polzahn Z1 ist die erste Spulenwicklung Z1l beispielsweise mit den Lamellen L17, L4 verbunden, während die zweite Spulenwicklung Z1r mit den Lamellen L1, L2 verbunden ist. Das mit der zweiten Spulenwicklung Z1r verbundene Lamellenpaar L1, L2 ist – betrachtet entlang der Umfangrichtung U – somit zwischen den Lamellen L17, L4 angeordnet, an die die erste Spulenwicklung Z1l angeschlossen ist, wobei die Lamellen L17, L4, an die die erste Spulenwicklung Z1l angeschlossen ist, jeweils um genau eine Lamelle L18, L3 von dem Lamellenpaar L1, L2, an das die zweite Spulenwicklung Z1r angeschlossen ist, beabstandet sind.
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Während die Anschlussarme Zr1, Zr2 der zweiten Spulenwicklung Z1r–Z9r hierbei direkt zu den zugeordneten, benachbarten Lamellen L1–L18 verlegt sind, erstrecken sich die Anschlussarme Zl1, Zl2 der ersten Spulenwicklung Z1l–Z9l jeweils um einen Polzahn Z1–Z9 herum, der zu dem Polzahn Z1–Z9, an dem die Spulenwicklung Z1l–Z9l angeordnet ist, benachbart ist. Es ergibt sich die in 2 dargestellte Verlegung, bei der für die erste Spulenwicklung Z1l des ersten Polzahns Z1 der erste Anschlussarm Zl1 sich um den zum ersten Polzahn Z1 benachbarten neunten Polzahn Z9 herum erstreckt und dazu durch die Nut N91 zwischen dem ersten Polzahn Z1 und dem neunten Polzahn Z9, um den neunten Polzahn Z9 herum und durch die Nut N89 zwischen dem neunten Polzahn Z9 und dem achten Polzahn Z8 hindurch hin zu der zugeordneten Lamelle L17 verlegt ist. Der zweite Anschlussarm Zl2 der ersten Spulenwicklung Z1l des ersten Polzahns Z1 hingegen erstreckt sich um den entgegen der Umfangsrichtung U zu dem ersten Polzahn Z1 benachbarten zweiten Polzahn Z2 und ist dazu durch die Nut N12 zwischen dem ersten Polzahn Z1 und dem zweiten Polzahn Z2 hindurch, um den zweiten Polzahn Z2 herum und durch die Nut N23 zwischen dem zweiten Polzahn Z2 und dem dritten Polzahn Z3 hindurch hin zu der zugeordneten Lamelle L4 verlegt.
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In analoger Weise sind auch die Anschlussarme Zl1, Zl2 der anderen ersten Spulenwicklungen Z2l–Z9l an den anderen Polzähnen Z2–Z9 verlegt, wie sich dies aus 2 ergibt.
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3A, 3B veranschaulichen in Zusammenschau mit 4A–4E den Wickelprozess zum Anbringen der Spulenwicklungen Z1l–Z9l, Z1r–Z9r an den Polzähnen Z1–Z9. Die Spulenwicklungen Z1l–Z9l, Z1r–Z9r werden hierbei zusammen mit den Kurzschlussbrücken K1–K6 durch einen durchgehenden Draht in zwei aufeinanderfolgenden Wickelumläufen gewickelt, wobei pro Wickelumlauf an jedem Polzahn Z1–Z9 eine Spulenwicklung Z1l–Z9l, Z1r–Z9r angebracht wird.
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Der Wickelprozess beginnt, entsprechend der ersten Zeile in 3A, an der Lamelle L3. Die Schritte des Wickelprozesses gemäß den ersten vier Zeilen in 3A sind hierbei in 4A veranschaulicht.
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Ausgehend von der Lamelle L3 wird zunächst der erste Anschlussarm Zl1 der ersten Spulenwicklung Z3L des dritten Polzahns Z3 durch die Nut N12, um den zweiten Polzahn Z2 herum und durch die Nut N23 hin zum dritten Polzahn Z3 verlegt, um die erste Spulenwicklung Z3l auf dem dritten Polzahn Z3 zu wickeln. Sodann wird der zweite Anschlussarm Zl2 der ersten Spulenwicklung Z3l des dritten Polzahns Z3 durch die Nut N34, um den vierten Polzahn Z4 herum und durch die Nut N45 hin zu der Lamelle L8 verlegt und an diese angeschlossen (erste Zeile gemäß 3A).
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Ausgehend von der Lamelle L8 wird dann ein Abschnitt der Kurzschlussbrücke K2 zwischen der Lamelle L8 und der Lamelle L14 verlegt, wobei dieser Abschnitt um die Polzähne Z5, Z6, Z7 herum verlegt wird (zweite Zeile gemäß 3A).
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Ausgehend von der Lamelle L14 wird sodann die zweite Spulenwicklung Z7r auf den siebten Polzahn Z7 gewickelt, wobei sich die Wicklungsrichtung dieser zweiten Spulenwicklung Z7r von der ersten Spulenwicklung Z3l des dritten Polzahns Z3 unterscheidet. Die zweite Spulenwicklung Z7r des siebten Polzahns Z7 wird dann mit der Lamelle L13 verbunden, wobei sich die Anschlussarme Zr1, Zr2 dieser Spulenwicklung Z7r kreuzen (dritte Zeile gemäß 3A).
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Ausgehend von der Lamelle L13 wird dann ein Abschnitt der Kurzschlussbrücke K1 zwischen der Lamelle L13 und der Lamelle L1 verlegt, wobei sich dieser Abschnitt der Kurzschlussbrücke K1 um die Polzähne Z7, Z8, Z9 herum erstreckt (vierte Zeile gemäß 3A).
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4B veranschaulicht die nächsten vier Zeilen gemäß 3A. Zunächst wird die erste Spulenwicklung Z2l auf den zweiten Polzahn Z2 gewickelt (fünfte Zeile gemäß 3A), sodann wird ein Abschnitt der Kurzschlussbrücke K6 zwischen den Lamellen L6, L12 verlegt (sechste Zeile gemäß 3A), die zweite Spulenwicklung Z6r auf den sechsten Polzahn Z6 gewickelt (siebte Zeile gemäß 3A) und schließlich ein Abschnitt der Kurzschlussbrücke K5 zwischen den Lamellen L11, L17 verlegt (achte Zeile gemäß 3A).
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Am Ende des ersten Wicklungsumlaufs, wie er in 3A beschrieben ist, ergibt sich die Spulenanordnung gemäß 4C. Zur vereinfachten Darstellung sind in 4C (und genauso auch in 4D und 4E) hierbei die Kurzschlussbrücken K1–K6 mit ihren Abschnitten hierbei nicht in ihrer um die Polzähne Z1–Z9 herum erstreckten Verlegung dargestellt, sondern außerhalb der Polzähne Z1–Z9 schematisch unter den Lamellen L1–L18 gezeigt.
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Nach Ende des ersten Wickelumlaufs ist an jedem Polzahn Z1–Z9 genau eine Spulenwicklung angeordnet, wobei an einigen Polzähnen Z1–Z3, Z8, Z9 erste Spulenwicklungen Z1l–Z3l, Z8l, Z9l und an anderen Polzähnen Z4–Z7 zweite Spulenwicklungen Z4r–Z7r angeordnet sind. Zudem sind nach Ende des ersten Wickelumlaufs die Kurzschlussbrücken K1–K6 abschnittsweise hergestellt, aber noch nicht vollständig.
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Sodann folgt der in 3B beschriebene zweite Wickelumlauf, in dem die in 4D dargestellten Spulenwicklungen und Abschnitte der Kurzschlussbrücken K1–K6 hergestellt werden. Im zweiten Wickelumlauf werden gerade die Spulenwicklungen und Abschnitte der Kurzschlussbrücken K1–K6 hergestellt, die im ersten Wickelumlauf nicht hergestellt worden sind. So werden im zweiten Wickelumlauf an den Polzähnen Z1–Z3, Z8, Z9 erste Spulenwicklungen Z1r–Z3r, Z8r, Z9r und an den Polzähnen Z4–Z7 erste Spulenwicklungen Z4l–Z7l angebracht. Die nach dem ersten Wickelumlauf fehlenden Abschnitte der Kurzschlussbrücken K1–K6 werden ergänzt.
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Nach dem Ende beider Wickelumläufe ergibt sich die in 4E dargestellte Anordnung, in der auf jedem Polzahn Z1–Z9 genau eine erste Spulenwicklung Z1l–Z9l einer ersten Wickelrichtung (linksgewickelt) und eine zweite Spulenwicklung Z1r–Z9r einer zweiten Wickelrichtung (rechtsgewickelt) angeordnet sind und die Kurzschlussbrücken K1–K6 zum Kurzschließen von jeweils drei Lamellen L1–L18 vervollständigt sind.
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Zur vereinfachten Darstellung sind hierbei die ersten Spulenwicklungen Z1l–Z9l und die zweiten Spulenwicklungen Z1r–Z9r einheitlich dargestellt. Weil die ersten Spulenwicklungen Z1l–Z3l, Z8l, Z9l an den Polzähnen Z1–Z3 Z8, Z9 und die zweiten Spulenwicklungen Z4r–Z7r an den Polzähnen Z4–Z7 im ersten Wickelumlauf angebracht worden sind, liegen diese jedoch innen, während die ersten Spulenwicklungen Z4l–Z7l und die zweiten Spulenwicklungen Z1r–Z3r–Z8r, Z9r im zweiten Wickelumlauf auf die am jeweiligen Polzahn Z1–Z9 bereits angebrachten Spulenwicklungen gewickelt werden und somit radial – mit Bezug auf die Erstreckungsrichtung E eines jeden Polzahns Z1–Z9 – außen liegen.
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Weil die Anschlussarme Zl1, Zl2 der ersten Spulenwicklungen Z1l–Z9l um Polzähne Z1–Z9, die zu dem die Spulenwicklung Z1l–Z9l jeweils tragenden Polzahn Z1–Z9 benachbart sind, herum verlegt sind, ergibt sich eine vorteilhafte Verlegung der Anschlussarme Zl1, Zl2 der ersten Spulenwicklungen Z1l–Z9l. Insbesondere werden Kreuzungen dieser Anschlussarme Zl1, Zl2 mit den Anschlussarmen Zr1, Zr2 der zweiten Spulenwicklungen Z1r–Z9r vermieden, wie dies deutlich aus 4E und aus der vergrößerten Darstellung gemäß 6 ersichtlich ist.
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Dadurch, dass in den unterschiedlichen Wickelumläufen an einigen Polzähnen erste Spulenwicklungen Z1l–Z9l und an anderen Polzähnen Z1–Z9 zweite Spulenwicklungen Z1r–Z9r angebracht werden, ergibt sich, dass für einige Polzähne Z1–Z9 die ersten Spulenwicklungen Z1l–Z9l und für die anderen Polzähne Z1–Z9 die zweiten Spulenwicklungen Z1r–Z9r innenliegen. Es ergibt sich somit, dass für einige Polzähne Z1–Z9 die Drahtlängen der ersten Spulenwicklungen Z1l–Z9l und für andere Polzähne Z1–Z9 die Drahtlängen der zweiten Spulenwicklungen Z1r–Z9r länger sind. Im Betrieb des Gleichstrommotors ergeben sich parallele Zweige mit zumindest näherungsweise symmetrischen Widerstandsverteilungen, was zu einer Vergleichmäßigung des Kommutierungsstroms führt.
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Grundsätzlich können der erste Wickelumlauf und der zweite Wickelumlauf aus einem einzigen durchgehenden Draht gewickelt werden. Denkbar und möglich ist aber auch, den ersten Wickelumlauf aus einem ersten durchgehenden Draht und den zweiten Wickelumlauf aus einem zweiten durchgehenden Draht herzustellen oder gar pro Wickelumlauf für einzelne Wickelschritte einzelne Drähte zu verwenden.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist nicht auf die vorangehend geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt sich grundsätzlich auch bei gänzlich anders gearteten Ausführungsformen verwirklichen.
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Insbesondere kann der bürstenkommutierte Gleichstrommotor grundsätzlich auch andere Anzahlen von Polzähnen und Lamellen aufweisen. Allgemein kann die Anzahl der Polzähne einer ungeraden Zahl entsprechen, wobei die Anzahl der Lamellen der doppelten Anzahl der Polzähne entspricht. Beispielsweise können die Anzahl der Polzähne auch sieben oder elf betragen und die Anzahl der Lamellen entsprechend 14 oder 22.
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Grundsätzlich denkbar ist auch auf Kurzschlussbrücken zu verzichten. In diesem Fall können beispielsweise drei Bürstenpaare mit insgesamt sechs Bürsten eingesetzt werden, die eine parallele Bestromung der Spulenwicklungen bewirken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bürstenkommutierter Gleichstrommotor
- 10
- Stator
- 11
- Rotor
- 110
- Kommutator
- B1, B2
- Bürste
- D
- Drehachse
- K1–K6
- Kurzschlussbrücke
- L, L1–L18
- Lamelle
- M1–M6
- Erregerpol
- N
- Nordpol
- N12–N91
- Nut
- S
- Südpol
- U
- Umfangsrichtung
- Z1l–Z9l, Z1r–Z9r
- Konzentrierte Spulenwicklung
- Zl1, Zl2, Zr1, Zr2
- Anschlussarm
- Z, Z1–Z9
- Polzahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- FR 2841399 A [0004]
- US 7821170 B2 [0006]
- EP 1489724 B1 [0006]