DE2117049A1 - Elektromagnetischer Motor - Google Patents

Description

KOLLMORGEN CORPORATION
Holyoke, Massachusetts/V.St.A.

Unser Zeichen; K 948

Elektromagnetischer Motor

Die Erfindung betrifft elektromagnetische Motore, deren Wirkung aiif der Anziehung und Abstossung zwischen den gewickelten oder permanentmagnetischen Polen eines Erregers und den jeweils aus einer Elektromagnebspule bestehenden Polen eines Ankers beruhen. Der Anker ist mit einem umlaufenden Stromabnehmer oder Kollektor mechanisch fest verbunden, auf dessen Lamellen Bürsten zur Versorgung der Slektromagnetspulen mit Gleichstrom oder gleichgerichtetem Strom schleifen. Das Drehmoment wird also durch Ansiehung und Abstossung zwischen den Polen des Ankers und den Polen des Erregers erzeugt, wenn diese Pole aneinander vorbeilaufen. Wenn beispielsweise ein Nordpol des Ankers von einem Südpol des Erregers angezogen wird, so nimmt der magnetische Widerstand ab, bis die beiden Pole in Flucht sind; der umlaufende Stromabnehmer kehrt nun die magnetische Polarität des Ankerpols um, der Südpol wird und von dem Südpol des Erregers abgestossen wird u.s.w., sofern die Verteilung der Pole und der La-

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mellen des Kollektors die Aufrechterhaltung der Drehung ■ des Ankers ohne Totpunkte gestattet. Der magnetische Widerstand zwischen Anker und Erreger und der durch die Bürsten fließende Strom ändern sieh periodisch und sind durch die Frequenz, rait welcher die Pole des Ankers unter den Polen des Erregers vorbeilaufen und mit welcher die Umschaltung durch die Bürsten vor sich geht, moduliert, wobei die Gleichstromkomponente des Produktes aus elektric schein Strom und Hagnetfluss das Drehmoment erzeugt.

Derartige Motoren besitzen im allgemeinen kleine Abmessungen und sind mit einem zweipoligen Erreger ausgeführt, wobei der umlaufende Anker eine ungerade * aufweist.

Ziel der Erfindung ist es, derartige Motoren wl£ höherem Wirkungsgrad zu schaffen, die eich wie eine Überlagerung mehrerer zweipoliger Motoren verhalten,* die ayawietriech an der Erzeugung des Drehmoments an der Antriebswelle teilnehmen«

Zu diesem Zweck ist ein erfindung3geroitsser elektromagnetischer Motor, dessen Wirkung auf der Anziehung und Abstossung zwischen Erregerpolen und Ankerpolen beruht, dadurch gekennzeichnet, dass 2p Erregerpole auf einer Luftspaltseite vorhanden sind (p = ganze Zahl>l), dass der Anker 2n Elektromagnetspulen aufweist, wobei 2n grosser als 2p ist und das Verhältnis zwischen η und ρ keine ganze Zahl ist, und dass die Anzahl der Kollektorlaraellen gleich der Anzahl der Ankerspulen ist.

V/eitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der. folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, von welchen sich alle im Rahmen der Erfindung möglichen Abwand»

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lungen ableiten lassen. Diese Ausführungsbeispiele sind auf der beiliegenden Zeichnung dargestellt. Auf dieser Zeichnung zeigen:

Fig. 1 bis J5 drei schematische Abwicklungen von erfindungsgemässen Maschinen,

Fig. 4 ein Beispiel der Annrendung der Erfindung auf eine umlaufende Hadialluftspaltmaschine,

Fig. 5* 6 und 7 Beispiele der Anwendung der Erfindung auf Axialluf ts paltmaschinen,

Fig. 8 und 9 Darstellungen eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässein ausgeführten umlaufenden Axialluftspaltmaschine,

Fig.Io eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Axialluftspaltmaschine.

Die auf Fig. 1 in einer Abwicklung dargestellte Maschine besitzt zwei Polpaare unddrei Spulenpaare sowie einen Kollektor mit sechs Lamellen a bis f, von denen die Lamelle a mit der Lamelle d, die Lamelle b mit der Lamelle e und die Lamelle c mit der Lamelle f verbunden ist. Ein Bürstenpaar B, dessen Büisten um eine Polteilung voneinander entfernt sind, ist so angebracht, dass es auf den Lamellen des Kollektors schleift, die mit der Ankerwicklung auf folgende Weise verbunden sind: Ein Spulenpaar 1-2 und 7-8 verbindet die Lamellen b und f; diese Spulen sind um zwei Polteilungen voneinander entfernt und erstrecken sich jeweils über etwa zwei Drittel einer Polteilung. Der Einfachheit halber sind diese Spulen auf der Zeichnung jeweils nur mit einer Windung dargestellt.

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Ein ähnlich ausgebildetes und angeordnetes Spülenpaar 3-4 und 9-Io verbindet die Lamellen d und f. Das dritte, auf ähnliche Weise ausgebildete und angeordnete Spulenpaar 5~6 und 11-12 verbindet die Lamellen b und d.

Die auf Fig. 2 in Abwicklung dargestellte Maschine besitzt zwei Polpaare und fünf Spulenpaare, denen zehn Kollektorlamellen a, b, c, d, e, f, g, h und k beigegeben sind. Jede Spule erstreckt sich etwa über eine Polteilung und ist jeweils von der anderen Spule des Paares etwa zwei Polteilungen entfernt. Wie die Abwicklung zeigt, können sich die Spulen teilweise überlappen. Der Einfachheit halber ist jede Spule nur mit zwei Leitern dargestellt. Das erste Spulenpaar 1-4 und 11-14 verbindet die Lamellen a und g, das zweite Spulenpaar 5-8 und I5-I8 die Lamellen c und j, das dritte Spulenpaar 9-12 und 19-2 die Lamellen e und a, das vierte Spulenpaar IJ-16 und 3-6 die Lamellen g und c und das fünfte Spulenpaar 17-2o und 7-lo die Lamellen j und e. Die Lamellen a und f, die Lamellen b und g, die Lamellen c und h, die Lamellen d und j und die Lamellen e und k sind jeweils miteinander verbunden. Dem Kollektor sind zwei Bürstenpaare B zugeordnet, deren Bürsten jeweils von der darauffolgenden um eine PoI-teilung entfernt sind. Die Bürstenpaare sind bezüglich der Stromversorgungspole des Ankers ineinandergeschachtelt.

Die auf Fig. 3 in Abwicklung dargestellte Maschine besitzt ebenfalls zwei Erregerpolpaare sowie einen Anker mit sieben Spulenpaaren, denen vierzehn Kollektorlamellen beigegeben sind. Das erste Spulenpaar 1-4 und 15-18 verbindet die Lamellen a und j, das zweite Spulenpaar 5-8 und 19-22 die Lamellen c und in, das dritte Spulenpaar"9-12 und 23-26 die Lamellen a und p, das vierte Spulenpaar 13-l6 und 27-2 die Lamellen g und a, das fünfte Spülenpaar 17~2o und 3-6 die Lamellen j und

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c, das sechste Spulenpaar 21-24 und J-Io die Lamellen m und e, das siebente Spulenpaar 25-28 und 11-14 die Lamellen ρ und g. Bei diesem Ausführungsbeispiel überlappen sich die Spulen teilweise und erstrecken sich etwa nur über ein Drittel des Mittenabstandes der Erregerpole. Wie im vorhergehenden Beispiel schleifen zwei Bürstenpaare B auf den Lamellen des Kollektors, die auch auf ähnliche Weise angeordnet und untereinander verbunden sind.

Bei ρ = 2 darf also nicht η = 4, 6, 8 ... genommen werden. Bei ρ s* j5 müsste η = 4, 5, J ..., jedoch nicht 6, 9 ... sein. Im Fall von ρ = 4 kann η gleich 5* 6, 7 ··· sein, jedoch nicht 8, 12 ... Die Zweckmässigkeit einer Überlappung der Ankerspulen in manchen Fällen soll noch erläutert werden.

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

Fig. 4. zeigt im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer vierpoligen Radialluftspaltmaschine, die gemäss dem Schema von Fig. Ϊ ausgeführt ist. Der Erreger besitzt ein zylindrisches Magnetjoch Jo mit vier Polen abwechselnder Benennung. Diese Pole können gewickelte Pole sein; in diesem Fall können ihre Polschenkel mit dem Poljoch zusammen geformt sein. Eine bevorzugte Möglichkeit besteht darin, dass sie aus Permanentmagnetpolen bestehen, wobei " der Erreger aus orientierten Ferritstücken besteht, deren öffnungswinkel geometrisch 68°, d.h. also elektrisch Ij36° bei dieser vierpoligen Ausführungsform erreichen

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kann. Anstelle von vier Stücken können auch nur zwei Stücke derselben Polarität (Folgepole) angebracht werden, wobei die beiden anderen Pole aus Weicheisen bestehen.

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

Die Fig. 5 bis 7 zeigen eine Ausführung der Maschine von Fig. 4 als Axialluftspaltmaschine. Fig. 5 zeigt die Seite des Ankers mit dem Kollektor C, Fig. 6 die Seite des Luftspalts des Erregers und Fig. 7 einen Schnitt durch die Maschine, wobei die Montage auf der Ankerwelle weggelassen wurde. Der Anker besitzt drei Spulenpaare 6l bis 66, die in einem gegossenen Träger 4o geringer Dicke sitzen, in welchem sie nötigenfalls durch zwei haftende Scheiben (nicht dargestellt) an ihrem Platz gehalten werden können. Der scheibenförmige Träger 4o kann aus einem isolierenden und magnetischen Werkstoff (Hartferrit oder Magnetpulver enthaltendes Dielektrikum) bestehen, wodurch der nutzbare Magnetfluss in dem Luftspalt erhöht wird. Der Erreger kann ausgeprägte Permanentmagnetpole aufweisen oder, wie Fig. 7 zeigt, aus einem Ferritring 2o bestehen, in welchen· die jeweiligen Magnetpole auf an sich bekannte Weise eingeprägt sind. Ferner ist eine Platte 21 aus Weicheisen vorgesehen, welche den den Anker in dem Luftspalt durch-

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querenden Magnetfluss schliesst. Stattdessen kann auch ein zweiter, Erregerpole tragender Ring vorgesehen sein, wobei die einander gegenüberstehenden Pole des ersten und des zweiten Rings entgegengesetzter magnetischer Benennung sind.

Die Pig. 8 und 9 zeigen eine Axialluftspaltmaschine desselben Typs wie die auf den Fig. 5 bis 1 dargestellte Maschine, bei welcher jedoch jedes Ankerspulenpaar die Form einer einzigen, sich diametral erstreckenden Flachspule besitzt, deren Endteile der Ausbildung der jeweiligen Polflächen entsprechend geformt sind. Bei dem Zusammenbau der vorgeformten Spulen kreuzen sich ihre mittleren Teile und überlagern sich, so dass im mittleren Teil des Ankers eine Verdickung entsteht (vgl. Fig. 9). Die Spulen sind mit einer beispielsweise hitzehärtenden Ummantelung im Druckguss umgössen. Die Welle 22 kann auf Wunsch mit eingegossen sein und der Kollektor C kann an dem mittleren Teil angebracht sein. Seine Lamellen sind mit den austretenden Drahtenden dieser Spulen 7o-71, 72-73, 7^-75 verbunden.

Fig. Io zeigt eine Maschine im Fall von ρ = *i und η = 5* die sich direkt von dem auf den Fig. 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ableitet. Je grosser die Polzahl ist, umso weniger ist es zweckdienlich, die Köpfe der Spulenpaare speziell zu formen. Die Maschine besitzt fünf Spulenpaare 80-85, 81-86, 82-87, 83-88 und 8^-89, deren jedes eine sich bezüglich der endgültigen Scheibenform des Anlrers diametral erstreckende Flachspule bildet. Ferner sind zehn Kollektorlamellen a, b, c, d, e, f, g, h, j, k vorgesehen. Die Lamellen a und f, b und g, c land h, d und j sowie c und Ic sind jeweils miteinander verbunden. Die Spielen 80 und 8l sind mit der Lamelle b, die Spulen

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82 und 85 mit der Lamelle d, die Spulen 84 und 85 mit der Lamelle f, die Spulen 86 und 87 mit der Lamelle h und die Spulen 88 und 89 mit der Lamelle k verbunden.

Die Ankerspulen können aus dünnem emaillierten Draht bestehen und somit mehrschichtig sein oder sie können aus dickerem isolierten Draht bestehen, der sich in konzentrischen, nebeneinandergelegten Flachwindungen erstreckt. Nach provisorischer Befestigung der auf diese Weise gebildeten Drahtschicht beispielsweise mittels eines hitzehaftenden Überzugs werden die Spulen und der Kollektor auf einem Dorn mit einem geeigneten hitzehärtenden Harz ! umgössen. Anstelle von Spulen aus isoliertem Draht kön- j nen zweischichtige gedruckte Spiralen auf einem dünnen Träger benutzt werden. Diese werden anschliessend übereinandergelegt und zusammen gewalzt, so dass ihre mittle- * ren Teile einen klassischen vielschichtigen Körper mit radialem Kollektor bilden.

Die Arbeitsvreise der erfindungsgemassen Maschinen versteht sich von selbst. Gegenüber den bekannten zweipoligen Maschinen multipliziert sich jedoch die induzierte elektromotorische Kraft bei gleicher Windungszahl pro Ankerspule mit p, wie es auch bei den vielpoligen Maschinen mit klassischen Wellenwicklungen der Fall ist. Ferner besitzen die erfindungsgemassen Maschinen einen höheren Wirkungsgrad, da sich die Kupferverluste infolge der Verringerung der Polbögen sowohl bei dem Läufer als auch bei dem Ständer elektrisch auf etwa 90⁰ verringern (wodurch ausserdem der zur Aufnahme des Kupfers der Ankerspulen verfügbare Raum vergrössert wird). Ferner multi-^ . pliziert sich die Modulationsfrequenz des Drehmoments und damit der elektromotorischen Kraft mit p, wodurch die Filtrierung im Falle der Verwendung der Maschine als Ge-

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nerator vereinfacht wird. Diese Modulation wird umso geringer, je grosser die Spulenzahl pro zwei Pole wird, jedoch durch entsprechende Wahl der gegenseitigen Überlappung der Ankerspulen kann eine maximale Verringerung der Oberwellen der Grundwelle der Anziehung und Abstossung erreicht werden oder im Gegenteil nach Bedarf die systematische Erzeugung von Oberwellen zur Erhöhung der elektromotorischen Kraft und des erzeugten"mittleren" Momentes begünstigt werden.

Die praktische Durchführung der Erfindung führt andererseits zu verschiedenen Vorteilen bezüglich der Herstellung der Anker. Wenn sich nämlich die Spulen nicht überlappen, verringert sich die Länge der mittleren Windung, wodurch die Montage auf dem Läufer vereinfacht wird.

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

Wenn ferner ρ eine gerade Zahl ist,' besitzen die diametral einander entgegengesetzten Spulenpaare dieselbe Polarität, so dass sie, wie beschrieben, zusammen gewickelt werden können.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Elektromagnetischer Motor, dessen Wirkung auf der nziehung und Abstossung zwischen Erregerpolen und Ankerpolen beruht, dadurch gekennzeichnet, dass 2p Erregerpole auf einer Luftspaltseite vorhanden sind (p = ganze Zahl ^ l), dass der Anker 2n Elektromagnetspulen aufweist, wobei 2n grosser als 2p ist und das Verhältnis zwischen η und ρ keine ganze Zahl ist, und dass die Anzahl der Kollektorlamellen gleich der Anzahl der Ankerspulen ist. .

   2. · Elektromagnetischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t, dass die bezüglich der Drehachse der Maschine einander diametral entgegengesetzten Ankerspulen (1 bis 28, 5o bis 55, 6o bis 66, Jo bis 75, 8o bis 89) zwischen zwei Kollektorlamellen (a bis q.) in Reihe geschaltet sind, wobei jede zweite Kollektorlamelle bei dieser Schaltung benutzt wird und mit der ihr bezüglich dieser Drehachse dlamecral entgegengesetzten Lamelle elektrisch verbunden ist.

   5. Elektromagnetischer Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerspulen (60 bis 65) im Falle einer Axialluftspaltmaschine in Ausschnitten einer diese Spulen und die Lamellen des Kollektors (C) tragenden Scheibe (4o) sitzen.

   4. Elektromagnetischer Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerspulen (6o bis 66, 7o bis 75j 80 bis 89) im Falle einer Axialluftspaltmaschine zweiseitig in eine Trägerscheibe

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   eingedruckt sind.

   5. Elektromagnetischer Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einander diametral entgegengesetzten Spulenpaare (Jo bis 75* 80 bis 89) im Falle einer Axialluftspaltmaschine aus einem durchgehenden elektrischen Kreis bestehen, der abwechselnd von einer Spule zur anderen Spule des Paares führt, und dass der Anker aus einem Stapel derartiger Spulenpaare besteht, die sich in ihrem mittleren Teil zumindest ausserhalb des Luftspalts überlagern.

   6. Elektromagnetischer Motor nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichne t , dass die Spulenpaare (70 bis 75* 80 bis 89) durch Aufdrucken von Leitern auf dünnen dielektrischen Folien gebildet sind und dass der Stapel dieser Folien unter Einsetzen eines Klebstoffs zwischen die Folien gewalzt ist.

   7. Elektromagnetischer Motor nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichne t, dass die Spulenpaare (7o bis 75, 80 bis 89) aus Flachspulen aus Leiterdraht bestehen und dass ihr Stapel mit einem ausgehärteten Kunststoff vergossen ist.

   8. Elektromagnetischer Motor nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (C) aus flachen Lamellen besteht, die direkt auf eine Seite des Stapels in seinem mittleren, ausserhalb des Luftspalts liegenden Teil aufgebracht sind.

   9. Elektromagnetischer Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinanderfolgenden Ankerspulenpaare (l bis 2o, 1 bis 28) sich in dem Anker teilx^eise überlappen.

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