DE4023623A1 - Elektrische maschine, insbesondere elektrischer motor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbe­ sondere einen elektrischen Motor nach der Gattung des Haupt­ anspruchs.

Aus der DE-OS 36 32 014 ist eine derartige elektrische Maschine mit einem als Rotor ausgebildeten hohlzylindrischen Anker­ kern bekannt, der eine als Kommutatorwicklung ausgebildete Ankerwicklung trägt. Diese Ankerwicklung ist mit einem Kommutator über eine Vielzahl von elektrischen Leitungen verbunden, wobei die Stromzufuhr über vier Bürsten erfolgt. Der Nachteil der bekannten Anordnung besteht darin, daß beispielsweise für die Realisierung als Gleichstrommaschine ein Kommutator mit einer aufwendigen Verdrahtung erforder­ lich ist, der den Aufbau der Maschine kompliziert und teuer macht, insbesondere auch im Hinblick auf die erforderlichen Arbeitsschritte bei der Herstellung.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß ein Kommutator vollständig entfallen kann und dennoch auf einfache Weise eine Kommutierung der Ankerwicklung erreicht werden kann. Da die Bürsten des Bürstensatzes direkt schlei­ fend an der Ankerwicklung anliegen, können bessere Kommu­ tierungseigenschaften des Motors erzielt werden, weil die auf die erfindungsgemäße Weise bewirkte Kommutierung der eines Kommutators mit sehr hoher Lamellenzahl entsprechen würde (Windungszahl = Lamellenzahl). Wegen der günstigeren Kommutierung kann auch die Polbedeckung erhöht werden, was zu einer besseren Ausnützung des Motors führt. Schließ­ lich kann auch bei gleicher Leistung die Baugröße der Maschi­ ne infolge des Wegfalls des Kommutators verringert werden, insbesondere die axiale Baulänge. Die Kohlen können jetzt beispielsweise zwischen den Magnetpolen angeordnet werden, wo ohnehin nicht ausgenutzter Platz vorhanden ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.

Durch die fortlaufend um den Ankerkern gewickelten Windungen der toroidartigen Ankerwicklung liegt eine sehr einfache und kostengünstig zu wickelnde Ankerwicklung vor, die keiner­ lei Anschlüsse benötigt.

Der Ankerkern besteht zweckmäßigerweise aus ringscheiben­ förmigen oder teilringscheibenförmigen Blechen, die ein hohlzylindrisches Blechpaket bilden. Hierdurch kann auch der Ankerkern einfach und kostengünstig hergestellt werden.

Um die Windungen der Ankerwicklung am Ankerkern sicher zu fixieren, ist dieser innen und/oder außen mit einer der Windungszahl der Ankerwicklung entsprechenden Anzahl von axialen Längsrillen zur teilweisen Aufnahme der Win­ dungen versehen. Diese Längsrillen können in einfacher Weise dadurch erzeugt werden, daß die gestanzten Blechringe randseitig mit nebeneinanderliegenden, gerundeten Ausneh­ mungen versehen sind. Durch diese Maßnahme wird auch der Wickelvorgang vereinfacht, und die einzelnen Windungen haben feste, unverrückbare Positionen zueinander, und ein Verrutschen im Betrieb ist nicht zu befürchten.

Die von den Bürsten überstrichene Schleiffläche der Anker­ wicklung wird zweckmäßigerweise durch spanenden Abtrag, insbesondere durch Drehen, abisoliert. Hierdurch kann in einem Arbeitsgang eine glatte Schleiffläche erzeugt und die üblicherweise als Lackisolation ausgebildete Isolation der Windungen entfernt werden, um die elektrische Verbindung zwischen den Windungen und der Bürste herzustellen. Dabei erweisen sich die die Windungen aufnehmenden Längsrillen als besonders günstig, da sie ein Verrutschen der Windungen beim Abdrehen verhindern.

Die Magnetpole werden vorzugsweise durch Permanentmagnete gebildet, deren Länge im wesentlichen der axialen Länge des Rotors entspricht, um bei minimaler Baugröße ein opti­ males Erregerfeld zu erzielen.

Zur Verstärkung des magnetischen Flusses wird jeder Magnet­ pol aus jeweils zwei Teilmagnetpolen gebildet, die innen und außen radial gegenüberliegend nahe am Rotor angeordnet sind, wobei sich jeweils gleiche Polaritäten gegenüber­ stehen, die sich in Drehrichtung abwechseln. Hierdurch wird eine Flußführung erreicht, bei der der Magnetfeldfluß durch den laminierten Ankerkern in Umfangsrichtung um eine Polteilung weitergeleitet wird. Die den Hin- und Rückleiter bildenden Wicklungsseiten der Ankerseiten bewirken eine Vortriebskraft und können auf der Innen- und Außenseite des Ankerkerns einander unmittelbar gegenüberliegen. Die Verbindung zwischen den Wicklungsseiten ist dadurch extrem kurz und im wesentlichen nur von der radialen Dicke des Ankerkerns abhängig. Damit vermindern sich bei gleicher Leistung der Maschine die mittlere Windungslänge, das Kupfer­ gewicht und die Ohmschen Verluste beträchtlich. Es ergeben sich geringere Rotationsmassen und kleinere Trägheitsmomente, wozu auch die fehlenden Verbindungsleitungen zu einem Kommu­ tator beitragen.

Der Ankerkern kann in an sich bekannter Weise nach Art eines Glockenankers an einer seiner Stirnseiten an einer mit einer Läuferwelle drehfest verbundenen Nabe gehalten werden. Es ist jedoch auch möglich, daß der Ankerkern in seinem mittleren Bereich an einer solchen Nabe gehalten wird. Hierdurch wird insgesamt eine stabilere Befestigungs­ form für den Rotor erreicht, wodurch axial längere Rotoren hergestellt werden können. Dies führt bei gleichem Außen­ durchmesser des Motors zu mehr Leistung oder bei gleicher Leistung zu einem geringeren Rotations-Trägheitsmoment bei kleinerem Außendurchmesser. Bei dieser Ausführungsform besteht der innere Teilmagnetpol aus zwei zu beiden Seiten der Nabe angeordneten Teilstücken. Diese Nabe ist zweck­ mäßigerweise scheibenförmig ausgebildet.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das erste Ausführungsbeispiel eines elektrischen Motors mit einem stirnseitig gehaltenen Ankerkern im Längsschnitt,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Ankerkerns mit teilweise dargestellten Längsrillen,

Fig. 3 ein Wickelschema einer Ankerwicklung des als Gleichstrommotor ausgebildeten Motors und

Fig. 4 das zweite Ausführungsbeispiel des elektrischen Motors mit mittig gehaltenem Ankerkern im Längs­ schnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1 dargestellten permanentmagneterregten Gleichstrommotor besteht ein als Rotor ausgebildeter Anker 10 aus einem hohlzylindrischen Ankerkern 11, der aus axial geschichteten Blechringen aufgebaut ist, die miteinander verklebt oder vernietet sind. Dieses den Ankerkern 11 bilden­ de Blechpaket ist in Fig. 2 näher dargestellt. Jeder einzel­ ne, das Blechpaket bildende Blechring weist an seinem Außen­ rand und an seinem Innenrand nebeneinanderliegende, ge­ rundete Ausnehmungen 12 auf, die zur Aufnahme der Windungen einer Ankerwicklung 13 dienen. Die Rundungen der Ausnehmungen 12 entsprechen dabei im wesentlichen der Rundung der Win­ dungen der Ankerwicklung 13, wie dies aus dem vergrößerten Ausschnitt in Fig. 2 hervorgeht. Durch die verbundenen Blechringe entstehen somit an der Außenseite und Innenseite des Ankerkerns 11 axiale Längsrillen 14. Die Windungen der Ankerwicklung 13 sind fortlaufend um diesen Ankerkern 11 herum gewickelt, so daß eine toroidartige Wicklungsform entsteht.

Der fertig gewickelte Anker 10 ist mit einer seiner Stirn­ seiten nach Art eines Glockenankers an einer scheibenartigen Kunststoffnabe 15 befestigt, die beispielsweise angespritzt ist. Diese Kunststoffnabe 15 ist drehfest mit einer Läufer­ welle 16 verbunden, die mittels zweier Lager 17, 18 in einem Motorgehäuse 19 drehbar gelagert ist. Der Stator des Gleich­ strommotors ist drehfest mit dem Motorgehäuse 19 verbunden. Er besteht aus einem inneren Polring 20 und einem äußeren Polring 21, die an der von der Kunststoffnabe 15 abgewandten Stirnseite des Motorgehäuses 19 über eine Radialscheibe 22 starr miteinander verbunden sind. Die Radialscheibe 22 bildet dabei eine der Stirnseiten und der äußere Polring 21 die zylindrische Außenwandung des Motorgehäuses 19. Bei dem vierpolig ausgebildeten Gleichstrommotor sind an jedem Polring 20, 21 vier Magnetpole 23, 24 mit in Drehrichtung abwechselnder Polarität angeordnet. Die Magnetpole 23, 24 sind jeweils um 90° zueinander versetzt, so daß in der Schnittdarstellung nur zwei gegenüberliegende Magnetpole erkennbar sind. Jeder dieser vier Magnetpole 23, 24 besteht aus einem inneren Teilmagnetpol 25, 26 und einem äußeren Teilmagnetpol 27, 28. Diese Teilmagnetpole 25-28 werden durch stabförmige Permanentmagnete mit rechteckförmigem bzw. teilringförmigem Querschnitt gebildet. Bei dieser Anordnung dreht sich der mit der Ankerwicklung 13 versehene Ankerkern 11 durch kleine Spalte getrennt zwischen den inneren Teilmagnetpolen 25, 26 und den äußeren Teilmagnet­ polen 27, 28. Die Länge der die Teilmagnetpole 25, 28 bildenden Permanentmagnete entspricht dabei im wesentlichen der axialen Länge des Ankers 10.

Die Teilmagnetpole 25-28 weisen eine radiale Magnetisierungs­ richtung auf, wobei jeweils die dem Anker 10 zugewandten Endbereiche der Teilmagnetpole eine gleichsinnige Magneti­ sierung aufweisen. In Fig. 1 sind beispielsweise jeweils die Südpole der Teilmagnetpole 25-28 dem Anker 10 zugewandt.

Jeweils zwischen zwei Magnetpolen 23, 24 liegt eine Kohle­ bürste 29 federnd und bei der Drehbewegung schleifend am Anker 10 an. Hierzu wird die über den Innenumfang verlaufende Schleifstelle so weit abgedreht, daß keine Lackisolation der Ankerwicklung 13 die elektrische Verbindung zwischen den Windungen und der Kohlebürste 29 verhindert. Gleich­ zeitig wird eine Schleifstelle mit glatter Oberfläche er­ zielt. Da sich die Kohlebürsten 29 jeweils zwischen Magnet­ polen 23, 24 befinden, bilden sie mit diesen jeweils einen Winkel von 45°. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde jedoch eine Kohlebürste 29 in der Bildebene von Fig. 1 eingezeichnet, also in der Ebene zweier einander gegenüber­ stehender Magnetpole 23, 24.

In Fig. 3 ist die elektrische Zuordnung der Ankerwicklung 13 zu den Kohlebürsten 29 schematisch dargestellt. Die dicker gezeichneten Windungsbereiche verlaufen dabei axial an der Außenseite des hohlzylindrischen Ankerkerns und die dünner gezeichneten Windungsbereiche an der Innenseite.

Von den jeweils um eine Polteilung versetzten vier Kohle­ bürsten 29 sind Bürsten gleicher Polarität miteinander verbunden und an die Pole einer Gleichspannungsquelle 30 gelegt. Durch diese Anordnung wird eine Kommutierung er­ reicht, wie wenn jedes Windungsende der einzelnen Windungen mit einer Kommutatorlamelle verbunden wäre.

Das in Fig. 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel ent­ spricht prinzipiell dem ersten Ausführungsbeispiel. Gleiche oder gleich wirkende Bauteile sind mit denselben Bezugs­ zeichen versehen und nicht nochmals beschrieben.

Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist der Anker 10 nicht mit einer seiner Stirnseiten, sondern mittig mit einer entsprechend geformten Kunststoffnabe 31 verbunden. Dies erfordert die Aufteilung des inneren Teilmagnetpols 25 in zwei Teilstücke 25a und 25b zu beiden Seiten der Kunststoffnabe 31. Entsprechend ist der innere Polring 20 in zwei Bereiche 20a und 20b aufgeteilt. Die Kohlebürsten 29 verschieben sich dadurch seitlich in die axiale Position der Teilstücke 25a.

In Abwandlung der beschriebenen Ausführungsbeispiele kann der Ankerkern 11 anstelle aus ringscheibenförmigen Blechen auch aus teilringscheibenförmigen Blechen bestehen, z. B. aus halbringscheibenförmigen Blechen. Die Kunststoffnaben 15, 31 können prinzipiell jede beliebige Gestalt aufweisen, die geeignet ist, den Ankerkern 11 in der dargestellten Position zwischen den Teilmagnetpolen zu halten. Vorzu­ ziehen ist eine geringe Ausdehnung in axialer Richtung, um den Spalt zwischen den Teilstücken 25a und 25b der inneren Teilmagnetpole möglichst klein zu halten. Weiterhin ist es prinzipiell möglich, die Kohlebürsten 29 radial von außen her an den Anker 10 heranzuführen. Sie sind in diesem Falle nicht am inneren Polring 20, sondern am äußeren Polring 21 befestigt.

Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele bezieht sich auf Gleichstrommotoren. Es ist jedoch auch möglich, die Erfindung auf andere elektrische Motoren und Generatoren anzuwenden, die Bürsten und eine Kommutierung aufweisen. Dabei ist es auch möglich, anstelle von aufgeteilten Magnet­ polen in innere und äußere Magnetpole lediglich nur innere oder nur äußere Magnetpole vorzusehen. Die elektrische Maschine muß auch nicht gemäß der vorliegenden Beschreibung vierpolig ausgebildet sein, sondern die Realisierung ist mit jeder bekannten Polzahl möglich.

Im eingangs angegebenen Stand der Technik sind verschiedene Details der beschriebenen Ausführungsbeispiele bereits realisiert. Die dort angegebenen Vorteile dieser Details treffen selbstverständlich auch für die vorliegenden Aus­ führungsbeispiele zu.

Claims (15)

1. Elektrische Maschine, insbesondere elektrischer Motor, mit einem aus einem hohlzylindrischen Ankerkern und einer von diesem getragenen Ankerwicklung bestehenden Rotor, mit einem um gleiche Drehwinkel versetzt angeordnete Magnet­ pole aufweisenden Stator und mit einer einen Bürstensatz aufweisenden Kommutierungseinrichtung, wobei die Anker­ wicklung als Kommutatorwicklung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten (29) des Bürstensatzes schleifend an der Ankerwicklung (13) anliegen.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die toroidartige Ankerwicklung (13) fortlaufend um den Ankerkern (11) gewickelte Windungen aufweist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerkern (11) aus ringscheibenförmigen oder teilring­ scheibenförmigen Blechen besteht, die ein hohlzylindrisches Blechpaket bilden.

4. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerkern (11) innen und/oder außen mit einer der Windungszahl der Ankerwicklung (13) entsprechen­ den Anzahl von axialen Längsrillen (14) zur teilweisen Aufnahme der Windungen versehen ist.

5. Maschine nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Längsrillen (14) die gestanzten Blech­ ringe randseitig mit nebeneinanderliegenden, gerundeten Ausnehmungen (12) versehen sind.

6. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Bürsten (29) überstrichene Schleiffläche der Ankerwicklung (13) durch spanenden Abtrag, insbesondere durch Drehen, abisoliert ist.

7. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Magnetpole (23, 24) durch Permanentmagnete gebildet sind.

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Permanentmagnete im wesentlichen der axialen Länge des Ankerkerns (11) entspricht.

9. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder Magnetpol (23, 24) aus jeweils zwei Teilmagnetpolen (25-28) gebildet wird, die innen und außen radial gegenüberliegend nahe am Rotor angeordnet sind, wobei sich jeweils gleiche Polaritäten gegenüber­ stehen, die sich in Drehrichtung abwechseln.

10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren Teilmagnetpole (25, 26 bzw. 27, 28) jeweils an einem Polring (20, 21) angeordnet sind, die an einer Stirnseite durch eine Radialscheibe (22) verbunden sind.

11. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ankerkern (11) nach Art eines Glockenankers an einer seiner Stirnseiten an einer mit einer Läuferwelle (16) drehfest verbundenen Nabe (15) gehalten wird.

12. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerkern (11) in seinem mittleren Bereich an einer mit einer Läuferwelle (16) drehfest ver­ bundenen Nabe (31) gehalten wird.

13. Maschine nach Anspruch 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teilmagnetpol aus zwei zu beiden Seiten der Nabe (31) angeordneten Teilstücken (25a, 25b) besteht.

14. Maschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (15; 31) scheibenförmig ausge­ bildet ist.

15. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten (29) jeweils zwischen zwei Magnetpolen (23, 24) angeordnet sind.