DE19950370B4

DE19950370B4 - Dynamoelektrische Maschine

Info

Publication number: DE19950370B4
Application number: DE19950370A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Daikoku; Toshinori Tanaka; Kiyohide Okamoto; Shuji Isono; Akihiko Imagi; Yoshio Yoshikumi; Masafumi Okazaki; Kyouhei Yamamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-01-08
Filing date: 1999-10-19
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2019-10-20
Also published as: DE19950370A1; FR2788384A1; JP3450732B2; JP2000209819A; FR2788384B1; US6075305A

Abstract

Dynamoelektrische Maschine,
die folgendes aufweist:
– einen Anker mit einem Kern (4), der eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Nuten hat, und mit einer Ankerspule (5), die durch Wickeln eines Drahtes in die Nuten gebildet ist;
– eine Kommutatoreinheit (8) mit einer Vielzahl von daran angeordneten Kommutatorstegen (9), mit Verbindungsfahnen (11), die an Endbereichen der Kommutatorstege (9) angeordnet sind, und mit Bürsten (7), die mit den Kommutatorstegen (9) in Kontakt sind;
– Ausgleichsverbinder (6; 16; 26), die Bereiche von Ankerschaltkreisen elektrisch verbinden, welche die Ankerspule (5), die Verbindungsfahnen (11) und die Kommutatorstege (9) aufweisen, die das gleiche elektrische Potential haben sollen,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Widerstandswert der jeweiligen Ausgleichsverbinder (6; 16; 26) in der dynamoelektrische Maschine der folgenden Relation genügt: Req ≥ (ρ0·(r1*τ) / (S/3)) * (2,5) wobei
ρ₀ (Ohm·m) = spezifischer Widerstand des Drahtes der Ankerwicklung (5),
S (m²) = Querschnittsfläche der...

Description

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine, die folgendes
einen Anker mit einem Kern, der eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Nuten hat, und mit einer Ankerspule, die durch Wickeln eines Drahtes in die Nuten gebildet ist; eine Kommutatoreinheit mit einer Vielzahl von daran angeordneten Kommutatorstegen, mit Verbindungsfahnen, die an Endbereichen der Kommutatorstege angeordnet sind, und mit Bürsten, die mit den Kommutatorstegen in Kontakt sind; und Ausgleichsverbinder, die Bereiche von Ankerschaltkreisen elektrisch verbinden, welche die Ankerspule, die Verbindungsfahnen und die Kommutatorstege aufweisen, die das gleiche elektrische Potential haben sollen.

Eine derartige dynamoelektrische Maschine ist aus der US-3 484 634 bekannt. Die Übergangsbereiche der Ausgleichsverbinder sind dort vorher isoliert und längs im allgemeinen wendelförmiger Bahnen mit konstanter Krümmung ausgebildet, um eine Beanspruchung des leitenden Metalls in den Ausgleichsverbindern zu reduzieren und Beschädigungen der Isolierung während der Herstellung der Ausgleichsverbinder zu verhindern. Damit werden zwar mechanische Maßnahmen ergriffen, um eine funktionsfähige Anordnung zu erhalten. Es finden sich jedoch keinerlei Angaben über die elektrische Dimensionierung der Ausgleichsverbinder.

12 zeigt einen Teilquerschnitt eines vielpoligen, schleifengewickelten Gleichstrom-Elektromotors, der ein Beispiel einer herkömmlichen dynamoelektrischen Maschine ist. Bei diesem Elektromotor ist eine Kommutatoreinheit 101 in der Nähe eines Ankers 100 angeordnet.

Der Anker 100 weist folgendes auf: einen Kern 102 mit in Längsrichtung verlaufenden Nuten; und eine Ankerspule 103, die aus einem Leiter besteht, der durch Schleifenwicklungen durch die Nuten gewickelt ist.

Die Kommutatoreinheit 101 weist folgendes auf: eine Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Kommutatorsegmenten bzw. Kommutatorstegen 104; Kommutator- bzw. Verbindungsfahnen 106, die an Endbereichen der Kommutatorstege 104 angeordnet sind; Bürsten (nicht gezeigt), die mit den Kommutatorstegen 104 in Kontakt sind; und Ausgleichsverbinder 107, die Kommutatorstege 104, die das gleiche elektrische Potential haben sollen, über die Verbindungsfahnen 106 elektrisch verbinden.

Wenn bei dem obigen Elektromotor der Ankerwicklung 103 von außen über die Bürsten, die mit den Kommutatorstegen 104 in Kontakt sind, elektrischer Strom zugeführt wird, drehen sich der Anker 100 und die Kommutatoreinheit 101, die auf einer Läuferwelle (nicht gezeigt) angeordnet sind, gemeinsam mit der Läuferwelle aufgrund der elektromagnetischen Wirkung.

Die Ausgleichsverbinder 107 sind mit dem Ziel angeordnet, das Fließen von unsymmetrischen Strömen durch die Bürsten zu verhindern, und da sie mit Kommutatorstegen verbunden sind, die das gleiche elektrische Potential haben sollen, fließt normalerweise kein Strom durch sie. Unsymmetrie-Erscheinungen können jedoch aus verschiedenen Gründen, wie etwa Bearbeitungsfehlern auftreten, und infolgedessen kann ein Kommutatorbürstenfeuer usw. erzeugt werden, und dann fließt Strom durch die Ausgleichsverbinder 107, um diese Unsymmetrien zu unterdrücken.

In 13 gezeigte Endbereiche 108 der Ausgleichsverbinder 107 sind durch Hartlöten usw. an den Verbindungsfahnen 106 befestigt. Die Ausgleichsverbinder 107 sind über Befestigungselemente 109 befestigt und abgestützt, wie 12 zeigt, so daß die Ausgleichsverbinder 107 einer Zentrifugalkraft standhalten können. Ebenso wie die Ankerspule bestehen die Ausgleichsverbinder 107 ferner normalerweise aus Kupferdraht oder einem Leiter, und es ist bekannt, daß der Querschnitt des Leiterbereichs der Ausgleichsverbinder 107 am besten der Hälfte bis einem Drittel der Querschnittsfläche des Leiterbereichs des Drahts der Ankerspule 103 entspricht (siehe beispielsweise "Electrical Machines Compendium, Direct-Current Machines, Chapter 10 Armature Windings, 10.3 Lap Windings and Wave Windings, Institute of Electrical Engineers", veröffentlicht am 20.12. 1960, oder "Equalizing Coils and Commutation, RM-98-11, Institute of Electrical Engineers, Dynamo Workshop Data", veröffentlicht am 11.03. 1998).

Um die Materialmenge in den Ausgleichsverbindern 107 zu minimieren oder um den Platz, den sie einnehmen, möglichst weitgehend zu reduzieren, ist es üblich, zu verbindende Punkte über die kürzestmögliche Distanz zu verbinden, während gleichzeitig eine ausreichende Trennung sichergestellt wird, so daß die Ausgleichsverbinder 107 einander nicht stören.

Dabei bezieht sich "zu verbindende Punkte" auf Punkte an einem Ankerkreis (bestehend aus der Ankerspule, den Verbindungsfahnen und den Kommutatorstegen), die unabhängig von ihrer Position an dem Anker 100 immer von gleichem Potential sind, wie etwa Ausgleichsverbindersegmente 104, die beispielsweise mit der gleichen Teilung wie die Polpaare voneinander getrennt sind.

Die Widerstandswerte der Ausgleichsverbinder 107 in solchen Fällen werden unter Bezugnahme auf 14 erläutert.

14 zeigt schematisch die Verbindungsfahnen und einen der Ausgleichsverbinder 107 in der Nähe des Kommutators 105, gesehen von der Seite des Ankers 100. Wie 14 zeigt, ist der Mittelwert des Rotationsradius der Verbindungsbereiche zwischen dem Ausgleichsverbinder 107 und den Ankerkreisen (in diesem Fall den Verbindungsfahnen 106) als r1 (m) definiert, und die Teilung der Polpaare ist als τ (rad) definiert. Wenn ferner der spezifische Widerstand der Ankerspule 103 ρ₀(Ω·m) und die Querschnittsfläche der Leiterbereiche der Ankerspule 103 S (m²) ist und wenn der Referenz-Widerstandswert R₀(Ω) definiert ist als R0 = (ρ0·(r1*τ)/(S/3)),dann ist der Widerstandswert der Ausgleichsverbinder R_eq (Ω), die aus dem gleichen Material wie die Ankerspule bestehen, im allgemeinen so ausgelegt, daß er höchstens ungefähr das Doppelte dieses Werts ist. Anders ausgedrückt, es genügt der Wert dem Ausdruck: Req ≤ R0*2.

Die elektrische Schaltung in diesem Fall ist in 15 gezeigt. 15 ist ein Beispiel, bei dem Ausgleichsverbinder 107 an sämtlichen Kommutatorstegen 104 angeordnet sind, wenn vier Pole und 22 Kommutatorstege vorhanden sind. Bei einer Schleifenwicklung ist es üblich, ebenso viele Bürsten wie Pole vorzusehen, also vier Bürsten 110 im Fall von 15, und zwar zwei für jede (positive und negative) Polarität.

Wenn es absolut keine Gründe für eine Unsymmetrie aufgrund einer ungleichmäßigen Bearbeitung usw. gibt, ist in diesem Fall das elektrische Potential an beiden Enden aller Ausgleichsverbinder 107 gleich, und es fließt kein Strom durch die Ausgleichsverbinder 107.

Wenn ferner die Ströme, die durch die unter dem Hauptpol vorhandenen vier parallelen Schaltkreise fließen, mit i1, i2, i3 bzw. i4 bezeichnet werden, sind die Werte der durch jede der Bürsten 110 gehenden Ströme sämtlich gleich, weil die Werte von i1 bzw. i2 gleich wie die von i3 bzw. i4 sind.

Bei einem herkömmlichen Gleichstrom-Elektromotor wie dem oben beschriebenen können Unterschiede zwischen einzelnen Bürsten 110 der gleichen Polarität bestehen, und wenn zwischen den Spannungsabfällen in den Bürsten 110 (den Spannungsabnahmen, die aus dem Widerstand und dem Kontaktwiderstand der Bürsten 110 resultieren) eine Unsymmetrie auftritt, fließt Strom durch die Ausgleichsverbinder 107 und wirkt in einer Richtung, die das elektrische Potential an beiden Enden der Ausgleichsverbinder 107 gleich macht.

16 ist ein Schaltbild und zeigt einen Fall, bei dem zwischen den Kontaktwiderstandswerten einzelner Bürsten 110 Unterschiede vorhanden sind und zwischen den Parallelkreisen eine Unsymmetrie aufgetreten ist. In dem Schaltbild sind die Kontaktwiderstandswerte zwischen den Bürsten 110 auf der positiven Seite und den Kommutatorstegen als RB1, RB2, RB3 und RB4 angegeben, und die Widerstandswerte der Ausgleichsverbinder sind als R_eq1 und R_eq2 angegeben. Normalerweise sind RB1 und RB3 sowie RB2 und RB4 konstant gleich, und es fließen keine Ströme durch die Ausgleichsverbinder R_eq1 und R_eq2 .

Es soll nun angenommen werden, daß zwischen RB1 und RB3 eine Unsymmetrie vorliegt, so daß RB1 << RB3.

Wenn R_eq1 hinreichend klein ist, wird der Strom i3 über den Kontaktbereich (Widerstandswert RB3) der oberen Bürste 110 anstatt über den Kontaktbereich RB3 der unteren Bürste zugeführt. Infolgedessen ist der durch die obere Bürste 110 gehende Strom ungefähr das Dreifache des durch die untere Bürste 110 gehenden Stroms, und der tolerierbare Stromwert der oberen Bürste wird überschritten, was aufgrund der Erzeugung von Wärme durch die obere Bürste 110 nicht nur zum Abschmelzen von Elementen führt, die sich außerhalb der Bürsten 110 befinden, sondern letztlich auch zum Abschmelzen der oberen Bürste 110 selbst führt.

Um das zu verhindern, ist es bisher notwendig, Maßnahmen, wie etwa die Ausmittelung der Differenzen zwischen Spannungsabfällen in einzelnen Bürsten 110 und die Verringerung von Unsymmetrien in den Schaltkreisen zu ergreifen, indem die Bürsten 110 mit einer größeren Stromtoleranz als notwendig ausgelegt werden, damit sie für Stromunsymmetrien infolge von Differenzen zwischen den Kontaktwiderständen einzelner Bürsten 110 vorbereitet sind, oder indem eine Vielzahl von Bürstensegmenten 110a bis 110d in Kontakt mit demselben Kommutatorsteg 104 angeordnet wird, wie 17 zeigt.

Bei einem herkömmlichen Gleichstrom-Elektromotor ist daher ein Problem die Notwendigkeit, eine ausreichende Stromtoleranz in den Bürsten 110 sicherzustellen oder die Bearbeitungspräzision zu steigern, um individuelle Differenzen zu vermindern, was natürlich zu Kostensteigerungen, größeren Abmessungen und geringer Produktivität führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dynamoelektrische Maschine mit verbesserten elektrischen Eigenschaften anzugeben, bei der insbesondere verhindert wird, daß die Bürstenströme tolerierbare Werte übersteigen.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine dynamoelektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 auszubilden.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Auf diese Weise wird der Widerstandswert der Ausgleichsverbinder erhöht, so daß Unsymmetrien in den Bürstenströmen zwischen einer Vielzahl von Bürsten gleicher Polarität aufgehoben werden, so daß ein Verschmelzen von am Außenrand der Bürsten befindlichen Elementen und der Bürsten selbst infolge der Erzeugung von Wärme durch die Bürsten verhindert wird.

Auch die Maßnahmen des Anspruchs 2 tragen dazu bei, daß der Widerstandswert der Ausgleichsverbinder vergrößert wird. Zugleich wird zweckmäßigerweise das gleiche Drahtmaterial in den Ausgleichsverbinder wie in der Ankerspule verwendet, so daß sich die Produktivität verbessern läßt.

Wenn in Weiterbildung der erfindungsgemäßen Maschine der spezifische Widerstand der Ausgleichsverbinder größer als der spezifische Widerstand des Drahtes der Ankerspule ist, kann in vorteilhafter Weise ein kompakter Ausgleichsverbinder mit hohem Widerstandswert erhalten werden.

Die Maßnahmen der Ansprüche 4, 5 und 6 tragen ebenfalls dazu bei, daß ein kompakter Ausgleichsverbinder mit hohem Widerstandswert zur Verfügung steht.

Wenn in Weiterbildung der erfindungsgemäßen Maschine der Ausgleichsverbinder und die Verbindungsfahnen aus selbständigen Elementen bestehen, kann der Ausgleichsverbinder so ausgebildet werden, daß seine Strombelastbarkeit geringer als diejenige der Verbindungsfahnen und der Ankerspule ist. Damit ist es möglich, auf einfache Weise einen Ausgleichsverbinder mit hohem Widerstandswert zu erhalten.

Wenn in Weiterbildung der erfindungsgemäßen Maschine nur eine einzige Bürste mit jeweils einem der Kommutatorstege in Kontakt steht, wird die Anzahl der Teile verringert, so daß es möglich ist, die Kosten der Maschine zu reduzieren bzw. die Produktivität bei der Herstellung zu verbessern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in.
1 ein Schema der kompletten Konstruktion eines Elektromotors gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung;
2 eine Vorderansicht der Kommutatoreinheit von 1 sowie ihrer unmittelbaren Umgebung;
3 eine Seitenansicht der Kommutatoreinheit von 1, gesehen von der Ankerseite;
4 eine Vorderansicht der Kommutatoreinheit von 1 sowie ihrer unmittelbaren Umgebung;
5 eine Seitenansicht der Kommutatoreinheit von 1, von der Ankerseite gesehen;
6 eine Vorderansicht einer Kommutatoreinheit eines Elektromotors gemäß Ausführungsform 2 sowie der unmittelbaren Umgebung;
7 eine Seitenansicht der Kommutatoreinheit von 6, von der Ankerseite gesehen;
8 eine Vorderansicht einer Kommutatoreinheit eines Elektromotors und der unmittelbaren Umgebung gemäß Ausführungsform 3;
9 eine Seitenansicht der Kommutatoreinheit von 8, von der Ankerseite gesehen;
10 ein Diagramm, das den Durchmesser des Drahts in der Ankerspule mit demjenigen der Ausgleichsverbinder in dem Elektromotor gemäß Ausführungsform 3 vergleicht;
11 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Bürstenstrom-Unsymmetrien und Widerstandswerten der Ausgleichsverbinder gemäß der Erfindung zeigt;
12 einen Teilquerschnitt eines herkömmlichen Gleichstrom-Elektromotors;
13 eine Perspektivansicht eines Ausgleichsverbinders von 12;
14 ein Schema, das die Anordnung der Verbindungsfahnen und eines Ausgleichsverbinders von 12 zeigt;
15 ein elektrisches Schaltbild eines herkömmlichen Gleichstrom-Elektromotors;
16 ein elektrisches Schaltbild zur Erläuterung von Bürstenstrom-Unsymmetrien in den elektrischen Schaltkreisen eines herkömmlichen Gleichstrom-Elektromotors; und
17 ein Konstruktionsschema, das ein Beispiel einer Vielzahl von Bürstensegmenten zeigt, die in gleichzeitigem Kontakt mit einem Kommutatorsteg in den elektrischen Schaltkreisen eines herkömmlichen Gleichstrom-Elektromotors sind.
Ausführungsform 1
Die Ausführungsform 1 wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 erläutert.
1 zeigt schematisch den kompletten Aufbau eines Gleichstrom-Elektromotors, der eine dynamoelektrische Maschine ist, gemäß der Ausführungsform 1; dabei bezeichnet 1 ein Ständerjoch; 2 bezeichnet Permanentmagnete, die um die innere Umfangsfläche des Ständerjochs 1 herum befestigt sind; 3 ist eine Läuferwelle, die so angeordnet ist, daß sie in dem Ständerjoch 1 frei drehbar ist; 4 ist ein Kern oder Ankereisen, das auf der Läuferwelle 3 befestigt ist; 5 ist eine Ankerspule, die aus in Nuten in dem Ankereisen 4 gewickeltem Draht besteht; 7 bezeichnet Bürsten, die an die Oberfläche eines Kommutators 8 gepreßt sind; und 6 sind Ausgleichsverbinder, die an einem Ende des Kommutators 8 angeordnet sind.
Der Kommutator 8 umfaßt eine Vielzahl von Kommutatorsegmenten oder Kommutatorstegen 9, die mit gleicher Teilung um seinen Umfang herum angeordnet sind, Verbindungsfahnen 11, die an Endbereichen der Kommutatorstege 9 angeordnet sind, und ein Kommutatorformteil 10, das innerhalb der Kommutatorstege 9 angeordnet ist, um die Kommutatorstege 9 festzulegen und zwischen den Kommutatorstegen 9 isolierend zu wirken.
Ferner bilden das Ankereisen 4 und die Ankerspule 5 einen Anker, und der Kommutator 8 und die Bürsten 7 bilden eine Kommutatoreinheit.
Die Ankerspule 5 besteht aus einem emaillierten Kupferdraht, der maschinengewickelt werden kann, und ist mit den Kommutatorstegen 9 mittels hakenförmiger Verbindungsfahnen 11 elektrisch verbunden, die an Endbereichen der Kommutatorstege 9 angeordnet sind. Mit dem Ziel der Verbesserung der Wickelfähigkeit der Ankerspule 5 beim automatischen Wickelvorgang, der Verhinderung von übermäßiger Beanspruchung an den Verbindungsfahnen 11 und der Verkürzung der axialen Länge von Endbereichen der Ankerspule sind die Wicklungen der Ankerspule 5 "Doppelwicklungen", wobei Feindraht mit einem Durchmesser, der ungefähr der halben erforderlichen Querschnittsfläche des Leiterbereichs entspricht, doppelt gewickelt ist.
Die 2 und 4 sind Vorderansichten des Kommutators 8 von 1 und seiner Umgebung, und die 3 und 5 sind Seitenansichten des Kommutators 8, von der Ankerseite gesehen. Ferner ist in den 4 und 5 nur einer der Ausgleichsverbinder 6 gezeigt. Die Ankerspule 5 usw. sind weggelassen, und es sind nur relevante Teile dargestellt.
Die Ausgleichsverbinder 6 bilden von den Verbindungsfahnen 11 separate Elemente und bestehen aus dem gleichen Drahtmaterial wie die Ankerspule 5, d. h. aus emailliertem Kupferdraht. Da die Ankerspule 5 aus Doppelwicklungen besteht und die Ausgleichsverbinder 6 einzeln sind, ist die Querschnittsfläche der Leiterbereiche der Ausgleichsverbinder 6 die halbe Querschnittsfläche der Leiterbereiche der Ankerspule 5. Da die Ausgleichsverbinder 6 auf diese Weise von den Verbindungsfahnen getrennte Elemente sind, können sie mit einer kleineren Strombelastbarkeit als die Ankerspule 5 ausgebildet werden.
Die Enden der Ausgleichsverbinder sind jeweils an den hakenförmigen Verbindungsfahnen 11 angebracht, die an den Kommutatorstegen angeordnet sind. Nach dem Anbringen der Ausgleichsverbinder 6 wird der Draht der Ankerspule 5 gleichermaßen an den Verbindungsfahnen 11 angebracht, und dann werden alle durch Verschmelzen oder dergleichen elektrisch miteinander verbunden. Dabei wird das Verschmelzen oder dergleichen mit dem Draht der Ankerspule 5 und den mit denselben Verbindungsfahnen 11 verbundenen Ausgleichsverbindern 6 durchgeführt.
Die Ausgleichsverbinder 6 stellen unabhängig von der Position des Ankers eine konstante Verbindung zwischen Kommuta torstegen 9 her, die das gleiche elektrische Potential haben sollen. Diese Ausführungsform ist ein Beispiel einer vierpoligen Maschine mit 22 Nuten und verbindet Kommutatorstege 9, die unter einem mechanischen Winkel π (rad) voneinander positioniert sind.
Dabei sind die Ausgleichsverbinder 6 mehrmals um die Läuferwelle 3 herumgewickelt. Bei Verwendung dieser Konstruktion können die Widerstandswerte erhöht werden, während gleichzeitig die gleichen Drahtmaterialien wie in der Ankerspule 5 verwendet werden. Wenn beispielsweise der Rotationsradius der Verbindungsfahnen 11, die an den Kommutatorstegen 9 angeordnet sind, 12 mm ist und der Durchmesser der Läuferwelle 3 einen Wert von 12 mm hat, ist die Länge jedes der Ausgleichsverbinder 6, wenn die Ausgleichsverbinder 6 in Halbkreisen um den Kommutator 8 herum angeordnet sind, 40 mm, aber da sie dreifach um die Läuferwelle 3 herumgewickelt werden, kann die Länge der Ausgleichsverbinder 6 auf ungefähr 150 mm oder ungefähr die 3,75fache Länge vergrößert werden.
Unter der Annahme, daß das gleiche Material verwendet wird, können, weil der spezifische Widerstand gleich ist, selbst unter Berücksichtigung des Verhältnisses der Querschnittsflächen der Leiterbereiche Widerstandswerte erzielt werden, die mehr als das 2,5fache des Referenz-Widerstandswerts betragen. In diesem Fall war es möglich, Strom-Unsymmetrien zwischen zwei Sätzen von Bürsten 7 mit gleicher positiver bzw. negativer Polarität auf einen Wert innerhalb eines tolerierbaren Bereichs zu unterdrücken.
Durch geeignete Wahl der Widerstandswerte der Ausgleichsverbinder in der angegebenen Weise ist es möglich, Differenzen der Spannungsabfälle in einzelnen Bürsten 7 zu absorbieren, so daß der mittlere Strom durch jede der Bürsten geht, um gleich gemacht zu werden. Infolgedessen ist es nicht mehr erforderlich, die Bürsten 7 mit einer größeren Stromtoleranz als notwendig auszubilden, so daß die Größe der Bürsten verringert werden kann.
Da außerdem bei dieser Ausführungsform Differenzen zwischen einzelnen Bürsten 7 absorbiert werden können, ist es nicht mehr erforderlich, eine Vielzahl von Bürstensegmenten 110a bis 110d in Kontakt mit demselben Kommutatorsteg 104 anzuordnen, wie in 17 gezeigt ist, so daß die Zahl der Bürstensegmente, die mit demselben Kommutatorsteg in Kontakt sind, auf ein Bürstensegment verringert werden kann. Infolgedessen kann die Anzahl Teile und die Zahl der Montageschritte verringert werden, was die Realisierung von geringeren Größen und Kostensenkungen bei dem Motor ermöglicht.
Ausführungsform 2
6 ist eine teilweise Vorderansicht eines Gleichstrom-Elektromotors gemäß Ausführungsform 2, und 7 ist eine Seitenansicht von 6 von der Ankerseite gesehen. Gleiche oder entsprechende Teile bzw. Bereiche wie in den 1 bis 5 werden unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen erläutert.
Bei dieser Ausführungsform unterscheidet sich der Draht der Ausgleichsverbinder 16 von dem Draht der Ankerspule 5 insofern, als er aus emailliertem Messing besteht. Die Verbin dung mit den Kommutatorstegen 9 und anderen Teilen der Konstruktion entspricht der Ausführungsform 1.
Da der spezifische Widerstand von Messing ungefähr das Vierfache desjenigen von Kupfer ist, kann bei dieser Ausführungsform der Widerstandswert der Ausgleichsverbinder 16 erhöht werden, und ferner ordnet die Konstruktion die Ausgleichsverbinder 16 in Halbkreisen um den Kommutator 8 an, um ihre Länge zu minimieren.
Durch Verwendung von Messingdraht auf diese Weise war es möglich, die Widerstandswerte der Ausgleichsverbinder 16 größer als das 2,5fache des Referenz-Widerstandswerts zu machen, während gleichzeitig der von den Ausgleichsverbindern 6 eingenommene Platz minimiert wurde. In diesem Fall war es möglich, Strom-Unsymmetrien zwischen Bürsten 7 gleicher Polarität auf einen Wert innerhalb eines tolerierbaren Bereichs zu unterdrücken.
Bei dieser Ausführungsform werden zwar Messing-Ausgleichsverbinder 16 verwendet, aber das Material der Ausgleichsverbinder ist nicht darauf beschränkt und kann beispielsweise Rotmessing, Kupfernickel oder Eisen sein. Durch die Verwendung eines Materials mit einem spezifischen Widerstand, der das 2,5fache desjenigen der Ankerspule beträgt, ist es möglich, Strom-Unsymmetrien zwischen Bürsten 7 gleicher Polarität auf einen Wert innerhalb eines tolerierbaren Bereichs zu unterdrücken unter gleichzeitiger Sicherstellung einer ausreichenden Querschnittsfläche der Leiterbereiche der Ausgleichsverbinder und einer verbesserten Produktivität.
Ausführungsform 3
8 ist eine teilweise Vorderansicht eines Gleichstrom-Elektromotors gemäß Ausführungsform 3, 9 ist eine Seitenansicht von 8 von der Ankerseite gesehen, und 10 ist ein Diagramm, das den Durchmesser des Drahts in der Ankerspule mit dem Durchmesser des Drahts in den Ausgleichsverbindern von 8 vergleicht. Gleiche oder entsprechende Bereiche wie in Ausführungsform 1 werden unter Verwendung derselben Bezugszeichen erläutert.
Bei dieser Ausführungsform haben die Ausgleichsverbinder 26 einen Drahtdurchmesser, bei dem das Verhältnis der Querschnittsfläche ihrer Leiterbereiche zu denen der Ankerspule 5 einen Wert von 0,13 (2/15) oder kleiner hat. Wenn man beispielsweise annimmt, daß die Ankerspule 5 eine Doppelwicklung mit dem Durchmesser von 1,1 mm ist, dann hat die Querschnittsfläche der Leiterbereiche der Ankerspule 5 einen Wert von 1,9 mm², und wenn Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,55 mm zur Ausbildung der Ausgleichsverbinder 26 verwendet wird, ist die Querschnittsfläche ihrer Leiterbereiche 0,238 mm², so daß das Verhältnis der Querschnittsfläche der Leiterbereiche zu 0,125 (1/8) wird.
In diesem Fall waren die Widerstandswerte der Ausgleichsverbinder 26 mehr als das 2,5fache des Referenz-Widerstandswerts unter gleichzeitiger Minimierung des von den Ausgleichsverbindern 26 eingenommenen Raums, und es war möglich, Strom-Unsymmetrien zwischen Bürsten 7 gleicher Polarität auf einen Wert innerhalb eines tolerierbaren Bereichs zu unterdrücken.
Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, den Widerstandswert der Ausgleichsverbinder 26 zu erhöhen und gleichzeitig die Kommutatorstege, die das gleiche elektrische Potential haben sollen, über die kürzestmögliche Distanz zu verbinden unter Verwendung von Draht aus dem gleichen Material wie die Ankerspule 5.
Daher ist es möglich, das Betriebsverhalten der Ausgleichsverbinder zu verbessern und gleichzeitig die notwendigen Kosten zu verringern. Da ferner die Ankerspule 5, die Ausgleichsverbinder 26 und die Kommutatorstege 9 sämtlich aus dem gleichen Kupfermaterial hergestellt sind, haben die verschmolzenen Bereiche eine gute Affinität, was eine Verbesserung der Produktivität im Verschmelzungsvorgang ermöglicht.
Die Erfindung ist nicht auf die Gleichstrom-Elektromotoren der Ausführungsformen 1 bis 3 beschränkt, sondern kann auch bei Generatoren angewandt werden. Innerhalb des Bereichs, in dem die Widerstandswerte der Ausgleichsverbinder den vorgegebenen Bedingungen genügen, können ferner die Faktoren Länge, spezifischer Widerstand und Querschnittsfläche der Leiterbereiche ebenfalls kombiniert werden.
Bei den vorstehenden Ausführungsformen sind die Ausgleichsverbinder und die Ankerschaltkreise mittels der Verbindungsfahnen verbunden, sie sind aber nicht darauf beschränkt, und die Ausgleichsverbinder können auch mit den Kommutatorstegen oder mit der Ankerspule verbunden sein.
Die Ergebnisse einer Untersuchung der Beziehung zwischen Strom-Unsymmetrien in einer Vielzahl von Bürsten der glei chen Polarität relativ zu den Widerstandswerten der Ausgleichsverbinder sind in 11 gezeigt.
In 11 gibt die Horizontalachse das Verhältnis der Widerstandswerte der Ausgleichsverbinder zu dem Referenz-Widerstandswert an, und die Vertikalachse bezeichnet das Verhältnis des Bürstenstromwerts an der Seite, an der der Strom konzentriert ist, zu den Bürstenströmen bei gleichmäßiger Verteilung.
Wie aus 11 hervorgeht, nahmen Unsymmetrien in den Bürstenströmen zu, wenn die Widerstandswerte der Ausgleichsverbinder weniger als das 2,5fache des Referenz-Widerstandswerts waren. Die Ankerspule bestand aus Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,7 mm und war in zehn Windungen für zwei Überlappungen gewickelt, und die verwendeten Bürsten waren metallische Graphitbürsten, die aus ungefähr 60 % Kohlenstoff und 40 % Kupfer bestanden.
Diese Beziehung war praktisch die gleiche im Fall aller Ausführungsformen 1 bis 3 und war durch die Widerstandswerte der Ausgleichsverbinder definiert.

Claims

Dynamoelektrische Maschine, die folgendes aufweist: – einen Anker mit einem Kern (4), der eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Nuten hat, und mit einer Ankerspule (5), die durch Wickeln eines Drahtes in die Nuten gebildet ist; – eine Kommutatoreinheit (8) mit einer Vielzahl von daran angeordneten Kommutatorstegen (9), mit Verbindungsfahnen (11), die an Endbereichen der Kommutatorstege (9) angeordnet sind, und mit Bürsten (7), die mit den Kommutatorstegen (9) in Kontakt sind; – Ausgleichsverbinder (6; 16; 26), die Bereiche von Ankerschaltkreisen elektrisch verbinden, welche die Ankerspule (5), die Verbindungsfahnen (11) und die Kommutatorstege (9) aufweisen, die das gleiche elektrische Potential haben sollen, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert der jeweiligen Ausgleichsverbinder (6; 16; 26) in der dynamoelektrische Maschine der folgenden Relation genügt: Req ≥ (ρ0·(r1*τ) / (S/3)) * (2,5) wobei ρ₀ (Ohm·m) = spezifischer Widerstand des Drahtes der Ankerwicklung (5), S (m²) = Querschnittsfläche der Leiterbereiche des Drahtes, r1 (m) = Rotationsradius der Verbindungsbereiche zwischen den Ankerschaltkreisen und den Ausgleichsverbindern (6; 16; 26), τ (rad) = Teilung der Polpaare und R_eq (Ohm) = Widerstandswert des Ausgleichsverbinders (6; 16; 26).
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der jeweiligen Ausgleichsverbinder der folgenden Relation genügt: L ≥ (r1 * τ * 2,5),wobei L (m) = Länge der Ausgleichsverbinder (6; 16; 26), r1 (m) = Mittelwert des Rotationsradius der Verbindungsbereiche zwischen den Ankerschaltkreisen und dem Ausgleichsverbinder (6; 16; 26) und τ (rad) = Teilung der Polpaare.
Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand der Ausgleichsverbinder (6; 16; 26) größer als der spezifische Widerstand des Drahtes der Ankerspule (5) ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsverbinder (16) aus einem emaillierten Messingdraht bestehen und der Draht der Ankerspule (5) ein emaillierter Kupferdraht ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsverbinder (16) aus einem emaillierten Rotmessingdraht bestehen und der Draht der Ankerspule (5) ein emaillierter Kupferdraht ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Leiterbereiche der Ausgleichsverbinder (26) kleiner als 0,13 (2/15) der Querschnittsfläche der Leiterbereiche des Drahtes der Ankerspule (5) ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsverbinder (6; 16; 26) und die Verbindungsfahnen (11) aus unabhängigen Elementen bestehen.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine einzige Bürste (7) mit jeweils einem der Kommutatorstege (9) in Kontakt ist.