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Die Erfindung betrifft Elektromotoren.
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In der Kraftfahrzeugbranche werden Gleichstrommotoren für
zwei Drehzahlen gefordert. Solche Motoren werden
beispielsweise als Antriebe für Kühlgebläse von Motoren verwendet,
und allgemein werden als Gebläseantrieb Gleichstrommotoren
mit Permanentmagneten bevorzugt. Ein Motorkühlgebläse wird
normalerweise mit einer kleinen Drehzahl im normalen Betrieb
eines Fahrzeugs angetrieben. Für außergewöhnliche
Bedingungen beispielsweise bei schwerer Zuladung des Fahrzeugs und
hoher Umgebungstemperatur ist jedoch eine hohe
Gebläsedrehzahl erforderlich.
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Es ist bekannt, die beiden Drehzahlen dadurch zu erreichen,
daß man für eine hohe Drehzahl die volle Spannung an den
Motor anlegt und für die untere Drehzahl einen
Spannungsabfall an einem in Reihe mit dem Motor liegenden Widerstand
vorsieht. Dabei tritt aber ein Leistungsverlust im
Widerstand auf, und bei geringer Drehzahl ist der Wirkungsgrad
des Gebläseantriebs erheblich verringert. Dies ist nicht
wünschenswert, insbesondere weil der Motor während seiner
längeren Betriebszeit bei geringer Drehzahl arbeitet.
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GB-A-2 041 677 erläutert einen Elektromotor mit einem
Gehäuse, mit am Gehäuse angeordneten Magneten und einem Anker
in dem Gehäuse, wobei der Anker eine drehbar im Gehäuse
gelagerte Welle und erste und zweite Wicklungen zwecks
Rotation
des Ankers aufweist, und einen an die ersten Wicklungen
angeschlossenen ersten Kommutator und einen an die zweiten
Wicklungen angeschlossenen zweiten Kommutator, erste Bürsten
am Gehäuse für den ersten Kommutator und zweite Bürsten am
Gehäuse für den zweiten Kommutator, wobei Mittel zum
wahlweisen Anlegen einer Spannung entweder allein an die ersten
Bürsten oder mindestens an die zweiten Bürsten vorgesehen
sind, so daß der Anker wahlweise mit einer ersten oder einer
zweiten Drehzahl rotiert.
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So kann bei dem bekannten Elektromotor die gleiche
Gleichspannung an dem Motor für die erste und die zweite Drehzahl
angelegt werden und erhält man damit für beide Drehzahlen
einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad. Die beiden
Kommutatoren sind jedoch axial am Motor angeordnet und verlängern
die axiale Baulänge. Dies ist für viele Anwendungsfälle
nicht erwünscht.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor zu
schaffen, der die Nachteile des bekannten Elektromotors
verringert.
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Erfindungsgemäß ist ein Elektromotor der vorbeschriebenen
Art dadurch gekennzeichnet, daß der Anker eine sich radial
von der Welle erstreckende Montageplatte aufweist, die auf
einer Seite die ersten und zweiten Wicklungen trägt, daß
einer der Kommutatoren eine sich radial erstreckende Fläche
auf der einen Seite der Montageplatte aufweist und daß der
andere Kommutator eine zylindrische Fläche aufweist, die
koaxial zur Welle liegt und auf der gegenüberliegenden Seite
der Montageplatte angeordnet ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Elektromotor
als Gleichstrommotor für zwei Drehzahlen vorgesehen, bei dem
vorzugsweise der erste Kommutator so angeschlossen ist, daß
von den ersten Bürsten Gleichspannung nur an die ersten
Wicklungen zwecks Rotation des Ankers mit einer ersten
Drehzahl angelegt wird und der zweite Kommutator so
angeschlossen ist, daß von den zweiten Bürsten die gleiche Spannung an
beide erste und zweite Wicklungen zwecks Rotation des Ankers
mit einer zweiten Drehzahl angelegt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Magnete
mehrere Permanentmagnete auf und ferner an der Montageplatte
angeordnete Lamellen sowie mehrere sich radial erstreckende
Arme, die zwischen sich mehrere Nuten am Umfang zur Aufnahme
von Spulen bilden und die ersten und zweiten Wicklungen von
in den Nuten eingesetzten ersten und zweiten Spulen gebildet
sind.
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Vorzugsweise wird über die zweiten Bürsten die
Gleichspannung in Reihe an beide erste und zweite Wicklungen derart
angelegt, daß die zweite Drehzahl kleiner ist als die erste
Drehzahl.
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Vorzugsweise sind die Drähte für die zweiten Wicklungen
schwächer als für die ersten Wicklungen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist nachstehend anhand
der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
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Fig. 1 einen Schnitt durch einen
Permanentmagnetgleichstrommotor der Erfindung für zwei Drehzahlen;
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Fig. 2 eine Endansicht des Motors von rechts in Fig. 1
(teilweise weggebrochen), wobei zur Deutlichkeit
die Spulenwicklungen weggelassen sind;
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Fig. 3 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt des
Ankers für den Motor der Fig. 1 und 2 teilweise
zusammengebaut;
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Fig. 4 ein Schaltschema des Anschlusses der
Gleichspannungsquelle an die Motorwicklungen für eine hohe
Drehzahl und
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Fig. 5 ein Schaltschema des Anschlusses der
Gleichstromquelle an die Motorwicklungen für die langsame
Motordrehzahl.
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In der Zeichnung besitzt ein Permanentmagnetgleichstrommotor
für zwei Drehzahlen ein Gehäuse mit einem zylindrischen Teil
12 und Stirnplatten 14, 16. Sechs bogenförmige
Permanentmagnete 18 sind in gleichen Winkelabständen am Inneren des
Gehäuseteils 12 befestigt.
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Ein Anker hat eine Welle 20, die von Lagern 22, 24 in den
Stirnplatten 14, 16 drehbar gelagert ist. Eine
Ankermontageplatte 26 ist an der Welle 20 mittels einer Nabe 28
befestigt. Die Ankermontageplatte 26 hat radiale Arme 30, die
gemäß Fig. 2 ringförmig beabstandete Nuten zur Aufnahme von
Spulen besitzt. Fig. 1 zeigt eine Reihe von ringförmigen
Lamellen 31 ähnlicher Gestalt, die eine axiale Verlängerung
der Arme 30 bilden und Kerne definieren, um die zwei
Spulensätze gewickelt sind, die in den Fig. 1 und 3 in
gestrichelten Linien bei 72 und 74 angedeutet sind. Die Wicklungen für
die untere und obere Drehzahl sind in den Zeichnungen nicht
spezifisch dargestellt, doch wird der Fachmann die Art
dieser Wicklungen aus der folgenden Beschreibung entnehmen.
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Ein radialer Kommutator 32 ist an der Ankermontageplatte 26
angeordnet und seine sich radial erstreckende
Kommutatorfläche besteht aus einer Reihe von Kommutatorlamellen 34, die
paarweise entgegengesetzt von zwei Kommutatorbürsten 36 und
38 abgegriffen werden, die an der Stirnplatte 14 befestigt
sind. Die Bürsten 36 und 38 werden durch Federn 42 in Anlage
an die einander entgegengesetzten radialen
Kommutatorlamellen 34 gedrückt. Die Kommutatorbürsten 36 und 38 sind an
Leitungen 44 und 46 angeschlossen. Wie üblich ist der
radiale Kommutator 32 mit einer Reihe von Kommutatorfahnen
bzw. Haken 48 versehen, deren Anzahl der Anzahl der Lamellen
34 entspricht, über die die Lamellen mit den Spulen 72
verbunden sind. Die Haken 48 ragen aus der dem Kommutator 32
gegenüberliegenden Seite der Ankermontageplatte 26 heraus.
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Ein zylindrischer Kommutator 50 ist auf der Welle 20
zwischen der Nabe 28 und der Stirnplatte 16 angeordnet und hat
eine zylindrische Kommutatorfläche mit einer Reihe von
Kornmutatorlamellen 32, deren gegenüberliegende Paare von zwei
Kommutatorbürsten 54 und 56 abgegriffen werden, die an der
Stirnplatte 16 befestigt sind. Die Bürsten 54 und 56 werden
an die zylindrischen Kommutatorlamellen 52 durch Federn 58
angedrückt. Die Kommutatorbürsten 54 und 56 sind an
Leitungen 62 bzw. 64 angeschlossen. Ebenso sind an der
zylindrischen Kommutatorfläche 52 Anschlußfahnen bzw. Haken 66
vorgesehen, deren Anzahl der Zahl der Lamellen 52 entspricht,
und über die die Lamellen an die Wicklungen 74 angeschlossen
sind. Die Haken 66 liegen neben der Nabe 28.
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Eine Isolierscheibe 68 ist zwischen der Nabe 28 und dem
Kornmutator 50 angeordnet und erstreckt sich radial zwischen den
Haken 48 des radialen Kommutators und den Haken 66 des
zylindrischen Kommutators.
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Die Wicklungen 72 und 74 sind gemäß Fig. 1 und 3 um die Arme
30 des Ankers 26 gewickelt. Ein Satz Wicklungen 72 ist an
die Haken 48 des radialen Kommutators und der andere Satz
Wicklungen 74 an die Haken 66 des zylindrischen Kommutators
angeschlossen. Beim Zusammenbau des Ankers gemäß Fig. 3 wird
der erste Satz Wicklungen 72 um die Ankerarme 30 gewickelt
und erfolgt dann der Anschuß an die Haken 48 des radialen
Kommutators. Die Isolierscheibe 68 wird dann über die Haken
48 angebracht, und der zylindrische Kommutator 50 wird auf
die Welle 20 aufgeschoben.
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Der zweite Satz Wicklungen wird dann um die Ankerarme 30
gewickelt, und die entsprechenden Anschlüsse erfolgen an dem
Haken 66 des zylindrischen Kommutators. Der zylindrische
Kommutator 50 wird dann in seine endgültige Lage neben der
Nabe 28 geschoben. Dann kann der fertige Anker in das
Motorgehäuse eingesetzt werden.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen, daß eine Bürste 36 des Kommutators
32 über eine Leitung 44 und einen Schaltkontakt 76 an den
positiven Pol einer Gleichstromquelle angeschlossen ist und
die andere Bürste 38 über eine Leitung 46 an den negativen
Pol. Eine Bürste 54 des Kommutators 50 ist über die Leitung
62 an die Bürste 36 des Kommutators 32 angeschlossen und die
Bürste 56 über eine Leitung 64 und einen Schaltkontakt 78
des Schalters an den positiven Pol der Gleichstromquelle.
Fig. 4 zeigt die Stellung der Schaltkontakte 76 und 78 für
die hohe Motordrehzahl. Somit steht positive Gleichspannung
an der Bürste 36 des Kommutators 32 über den geschlossenen
Schaltkontakt 76 an, während Schaltkontakt 78 offen ist, so
daß Strom nur durch den ersten Satz Wicklungen 72 flieht und
der Motor mit hoher Drehzahl arbeitet. Fig. 5 zeigt die
Stellung der Schaltkontakte 76 und 78 für die niedrige
Drehzahl. An der Bürste 56 des Kommutators 50 steht über den
geschlossenen Schaltkontakt 78 positive Gleichspannung an,
wobei der Schaltkontakt 76 offen ist, so daß Strom durch den
ersten und zweiten Satz der in Reihe geschalteten Wicklungen
74 und 72 fließt und der Motor mit der niedrigen Drehzahl
arbeitet.
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Die Wicklungen sind passend ausgebildet, beispielsweise als
Wellenwicklungen oder einfach überlappte Wicklungen. Auch
ist die Polzahl der magnetischen Pole wählbar. In dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Wicklungen
Wellenwicklungen und erfordern zwei Bürsten nur für jeden
Kommutator. Es sind drei Polpaare vorgesehen, also insgesamt sechs
Magnetpole. Aus der vorstehenden Beschreibung erkennt der
Fachmann ohne weiteres, in welcher spezifischen Weise die
Wicklungen 72 und 74 in den Ankernuten der Arme 30
angeordnet und elektrisch mit den Anschlußfahnen 48 und 66
verbunden werden.
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Beim Antrieb eines Motorkühlgebläses arbeitet der Motor
gewöhnlich mit der niedrigen Drehzahl. Beim Auftreten
bestimmter außerordentlicher Zustände wird Gleichstrom dem
radialen Kommutator 32 und damit den Wicklungen für die hohe
Drehzahl zugeführt, so daß der Motor mit der hohen Drehzahl
arbeitet. Ein Wechsel von der niedrigen zur hohen Drehzahl
und umgekehrt wird in passender Weise gesteuert,
beispielsweise mit einem Thermostat, der die Notortemperatur oder
Kühlmitteltemperatur erfaßt.
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Da die gleiche Gleichstromspannung an den Motor für beide
Drehzahlen angelegt wird, erhält man einen
zufriedenstellenden Wirkungsgrad für die untere und die obere Drehzahl.
Untersuchungen gaben gezeigt, daß die Wirkungsgrade für die
untere und obere Drehzahl im unteren bis mittleren Bereich
von 60% liegen. Die zweiten Wicklungen 74 können aus Drähten
kleineren Durchmessers als die Drähte der ersten Wicklungen
72 hergestellt sein. Die Kombination aus einer Vergrößerung
der Gesamtzahl der Drahtwindungen pro Spule und der
Verringerung des Drahtdurchmessers hat die Wirkung, daß die
Drehzahl des Ankers im Leerlauf verringert wird und die zum
Anhalten führende Überlastung verkleinert wird, wobei die
Ankerdrehzahl auf Null zurückgeht. Diese Eigenschaft hat die
Wirkung, daß die Ankerdrehzahl für jede Last verringert
wird, wobei der Ankerwirkungsgrad sich wenig ändert. Gleiche
Drahtdurchmesser für beide Wicklungen würden nur eine
kleinere Ankerdrehzahl im Leerlauf bedingen und würden nicht zu
einer Drehmomentänderung führen, um den Anker zum Halten zu
bringen.
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In dem vorbeschriebenen Beispiel erhält man die hohe
Drehzahl mit nur einem einzigen Satz Wicklungen und die niedrige
Drehzahl mit den ersten und zweiten Wicklungen in
Reiheschaltung. Insbesondere dann, wenn die ersten und zweiten
Wicklungen die gleiche Windungszahl pro Spule und gleiche
Drahtdurchmesser besitzen, kann andererseits die hohe
Drehzahl auch durch eine Parallelschaltung der ersten und
zweiten Wicklungen erhalten werden, d. h. die gleiche
Gleichspannung steht an beiden Kommutatoren an, während man die untere
Drehzahl durch Abschalten der Gleichspannung an einem der
Kommutatoren erhält, so daß nur ein Satz Wicklungen benutzt
wird. Dann ist aber der Motorwirkungsgrad bei geringer
Drehzahl kleiner als in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel.
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Andere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich für den
Fachmann, und der Schutzumfang ergibt sich aus den folgenden
Ansprüchen.