Elektrischer Kleinstmotor Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Kleinstmotor, insbesondere für Spannungen unterhalb von etwa 6 Volt, mit im Luftspalt zwischen einem fest stehenden Kernmagneten und einem ebenfalls feststehen den, den Anker umgebenden magnetischen Rückschluss- mantel angeordneter zylindrischer, frei tragender Anker wicklung mit schräg zu den Mantellinien verlaufenden Windungen.
Nach der Erfindung gemäss dem Haupt patent Nr. 401<B>235</B> ist bei einem solchen Motor die Ankerwicklung zumindest in jeder Lage aus einem ein zigen Draht zickzackförmig hin- und herlaufend und sich Windung neben Windung legend zwei- oder mehrlagig gewickelt, wobei dieser Draht mit seinem Anfang und seinem Ende zu einem gemeinsamen Stromzuführungs- organ und mit ein oder mehreren Anzapfungen zu an deren Stromzuführungsorganen geführt ist.
Um diese Wicklung für elektrische Kleinstmotoren besonders gut auszunutzen und einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, wird in Weiterbildung der Er findung des Hauptpatentes bei der hier vorliegenden Zusatzerfindung ein Kollektor mit einer ungeraden An zahl von Lamellen, namlich fünf oder sieben oder neun, verwendet. Mit diesen Kollektorlamellen sind also die Strom- Zuführungs- und Abführungsleitungen der An kerwicklung verbunden.
Es ist zwar bereits bei dem beim Gegenstand des Haupt patentes vorausgesetzten Stande der Technik bekannt, nach dem bekannten Stromlaufschema zickzackförmig am Anker hin- und herlaufende Wicklungen an einen Kommutator mit ungeradzahliger Lamellenzahl - näm lich 79 bzw. 63 Lamellen - anzuschliessen; die vorlie gende Erfindung nützt jedoch die Erkenntnis aus, dass bei elektrischen Kleinstmotoren die Anwendung der ge ringen ungeradzahligen Kollektorlamellenzahl von fünf bis neun auf die im Hauptpatent vorgeschlagene Wick lungsart besonders vorteilhaft ist.
Die nachfolgende Beschreibung erläutert die dieser Zusatzerfindung zugrunde liegenden Erkenntnisse anhand von Ausführungsbeispielen der Erfindung und gibt dazu konstruktive Baumerkmale an. Dabei erhellt, dass eine grössere Anzahl als neun Kollektorlamellen bei den der Erfindung zugrundeliegenden Kleinstmotoren keine wei teren Vorteile erbringt.
Bevor die Erfindung selbst erläutert wird, sei anhand von Fig. 1 nochmals der im Hauptpatent vorgeschlagene Wicklungsaufbau dargestellt. Es gibt darin die Strecke 1 den Umfang der Wicklung an, die aufgeschnitten und in die Zeichenebene umgebogen dargestellt ist. Am Punkt 2 wird der Strom zugeführt und - um 180 dazu verscho ben - an Punkt 3 abgeführt. Wie beim Gegenstand des Hauptpatentes verlaufen die Wicklungsdrähte schräg und es sind jeweils diejenigen Drähte, in denen der Strom nach unten fliesst, dick ausgezogen, während diejenigen, in denen der Strom nach oben fliesst, gestrichelt gezeich net sind.
Der Wicklungsschritt, d.h. die Rückkehr des zick- zackförmig geführten Drahtes beträgt in bekannter Weise n 1, wobei n die Gesamtwindungszahl über den Um fang der Wicklung ist. In der schematischen Fig. 1 ist ein Wicklungsschritt gezeichnet, der etwas kleiner als 360 ist. Er beträgt demnach n - 1.
Vom Punkt 2 aus fliessen, wie im Hauptpatent näher dargelegt, in der in sich geschlossenen ringförmigen Wicklung die Ströme nach beiden Seiten ab und es ergibt sich das auch dort schon gezeigte Bild der Strombelagzonen, in welchen der Strom, und zwar die drehmomentbildende Komponente des schräg fliessenden Stromes, nach oben bzw. nach unten gerichtet ist, was durch Pfeile in der Fig. 1 darge stellt ist.
In Fig. 1 wurden die Strombelagzonen durch den Verlauf der Ströme in den Wicklungsdrähten gezeigt. In Fig. 2 wird die Gestalt und Verteilung der Strombelag zonen durch eine geometrische Konstruktion erreicht, die aus Fig. 1 hervorgeht und die bei den folgenden Über legungen zugrunde gelegt ist, um nicht jedesmal die Strombelagzonen aus dem Stromverlauf in den Wick lungsdrähten aufs neue konstruieren zu müssen.
In Fig. 2 erkennt man in der Mitte liegend die Strom belagzone 4, innerhalb welcher der Strom aufwärts fliesst, und seitlich daran anschliessend die Strombelagzonen 5, innerhalb welcher der Strom abwärts fliesst. Dazwischen befinden sich die dreieckförmigen Zonen 6, in welchen die Ströme in aus Fig. 1 ersichtlicher Weise in gleicher Stärke sowohl aufwärts als auch abwärts fliessen, so dass in diesen Zonen keinerlei Kraftwirkung im sinusförmi- gen Magnetfeld des Kernmagneten, in welchem sich die Wicklung dreht, entsteht.
Die über den Umfang differentielle Stärke des Strom belages, in Fig.2 in dem rhombenförmigen Belag 4 als schmaler Streifen 7 schraffiert gezeichnet, ergibt sich jeweils als Höhe des Strombelagfeldes an der betreffen den Stelle. Trägt man in Fig. 3 diese Höhen über der Grundlinie 8 fortlaufend auf, wie dies für den heraus gehobenen Streifen 7 geschehen ist, dann erhält man die Linie 9 als den Verlauf der jeweiligen Stärke des Strom belages an den einzelnen Stellen des Umfanges der Wick lung.
In Fig. 4 stellt die Kurve 10 den Verlauf des magneti schen Feldes in dem im Hauptpatent angegebenen Kern magnetsystem der Erfindung dar. Bekanntlich ist der Verlauf der Induktion über den Umfang eines Kern magnetsystems etwa sinusförmig.
Das Zustandekommen des Drehmomentes eines Kleinstmotors mit dem beschriebenen Aufbau kann man nun durch Multiplikation der Ordinaten von Kurve 9 und Kurve 10 berechnen, das Ergebnis wird durch die Kurve<B>11</B> der Fig. 5 wiedergegeben. Diese Figur zeigt, wie das wirkende Drehmoment über den Umfang ver teilt ist.
(Die Kurve 11 gibt also nicht etwa die zeitliche Schwankung des Drehmomentes während einer Um drehung wieder.) Nach diesen allgemeinen Erläuterungen ist zur Klar stellung der Erfindung in Fig. 6 eine Wicklung gezeigt, die, unterschiedlich von Fig. 2, nicht an den Punkten 2 und 3, sondern an den Punkten 2 und 12 gespeist wird, welche auf dem Umfang um 120 auseinanderliegen. Nach der geometrischen Konstruktion, ähnlich wie in Fig. 2,
werden die Strombelagzonen ermittelt und es ist analog den Verhältnissen der Fig. 2 und 3 in Fig. 7 durch die Kurve 13 der Verlauf des Strombelages einer nach Fig. 6 gespeisten Wicklung über den Umfang wie dergegeben. Man erkennt, dass die Stromzuführung nicht an um 180 e1. auf dem Durchmesser verschobenen Punkten erfolgt, wie in Fig. 1 und in Fig. 2, und somit der Strombelag trapezförmig verläuft.
Ausserdem werden die in Fig. 2 gezeigten dreieckigen neutralen Zonen 6 in Fig. 6 wesentlich grösser, was darauf hindeutet, dass die Wicklung nicht so gut ausgenutzt wird wie in Fig. 2. Man sollte also stets die sogenannte Durchmesserspei sung anstreben. Beim Aufbau eines Kleinstmotors sind notwendigerweise durch die Bewegung des Kollektors innerhalb der Bürsten beim Umlauf jeweils ein oder zwei Kollektorlamellenpaare kurzgeschlossen.
In Fig. 8 beim fünfteiligen Kollektor ist ein Lamellenpaar, in Fig. 9 beim sechsteiligen Kollektor sind zwei Lamellenpaare gerade kurzgeschlossen. Untersucht man die Wirkung der kurzgeschlossenen Lamellenpaare auf die Wicklung, dann findet man gemäss Fig. 10 im schematischen Auf bau, dass sich nunmehr fünf Arten von Strornbelagzonen ausbilden, nämlich die Strombelagzonen 4, ähnlich Fig. 2, Stromrichtung nach oben, die Strombelagzonen 5, Strom richtung nach unten, die Zonen 6, die sich nach aussen neutral verhalten,
und zusätzlich die Zonen 14, in denen der Strom zwar nach oben fliesst, jedoch mit halber Stärke, und die Zonen 15, in denen der Strom nach unten fliesst, ebenfalls mit halber Stärke. Dies ist bei den Zonen 14 und 15 durch die verkürzten Pfeile angedeutet. Überträgt man, wie von Fig. 2 nach Fig. 3, den wirk lichen Verlauf des Strombelages auf eine Abszisse, dann findet man einen Verlauf nach Kurve 16 (Fig. 11). Diese Kurve zeigt einen Verlauf, der symmetrisch zum halben Umfang liegt. Man vergleiche hierzu Fig. 7, wo ein tra- pezförmiger Verlauf nicht symmetrisch zu der Stelle des halben Umfanges erscheint.
In Fig. 12 ist ein fünfteiliger Kollektor gezeigt in einer Stellung, in welcher kein Lamellenpaar kurzge schlossen ist. Dagegen erfolgt die Speisung hier nicht an zwei um 180 versetzten Punkten, sondern an zwei Punk ten, die um 144 auseinanderstehen. Es ergibt sich bei dieser Speisung ein Strombelag ähnlich der Fig. 7. Bei Weiterdrehung des Kollektors (Fig. 8) ergibt sich ein Strombelag mit Kurzschluss nach Fig. <B>11.</B> Zwischen diesen in Fig. 7 und Fig. 11 angegebenen Kurven für den Strombelag pendelt nun das Drehmoment in seinem zeit lichen Verlauf während einer Umdrehung.
Diese Erläuterungen machen klar, dass die Wahl von fünf, sieben bzw. neun Kollektorlamellen besonders gün stig ist. Beim fünfteiligen Kollektor pendelt das Dreh moment, wie bereits erwähnt, und wie die Verschieden heit der Strombeläge der Fig. 7 und Fig. 11 zeigt, hin und her, und zwar bei einem Umlauf des Ankers zehn Mal. Selbstverständlich ist bei der gedanklichen über setzung von der Strombelagkurve auf die Drehmomen- tenkurve stets zu beachten, dass die Induktion nach Fig. 4 sinusförmig verläuft.
Würde man hingegen eine geradzahlige Kollektor lamellenzahl wählen, dann hätte die Strombelagkurve einmal den aus Fig. 3 ersichtlichen Verlauf, das andere Mal den in Fig. 14 angegebenen, der aus Fig. 13 heraus gezeichnet wurde. Man erkennt, dass die Unterschiede zwischen Fig. 3 und Fig. 14 grösser sind, also der Un- gleichförmigkeitsgrad im Drehmoment grösser ist und dass zum anderen bei einer Umdrehung das Drehmoment nunmehr sechs Mal schwankt.
Dies sind die Gründe, welche den Vorteil der Erfin dung bilden. Bei ungeradzahliger Kollektorlamellenan- zahl ist die dem gleichförmigen vom Motor abgegebenen Nutzdrehmoment überlagerte Störschwankung des Dreh momentes in der Frequenz höher und in der Amplitude niedriger als bei Wahl einer geradzahligen Kollektor lamellenanzahl. Es werden deshalb nach der Erfindung ungerade Kollektorlamellenzahlen gewählt und zwar fünf, sieben oder neun.
Wie man sich leicht überlegen kann, gibt es dabei eine wirtschaftliche Grenze, die bei der Kol- lektorzahl neun liegt, oberhalb welcher die Aufwendun gen für weitere Kollektorlamellen nicht mehr durch we sentliche Erhöhungen des Drehmomentes und bessere Betriebsbedingungen ausgeglichen werden, da bei einem neunteiligen Kollektor die Speisung bereits an zwei Punk ten erfolgt, welche um 160 auseinanderliegen. Diese Überlegung gilt selbstverständlich für Kleinstmotoren für die der Erfindung vorzugsweise zugrunde liegenden nied rigen Spannungen zwischen 0 bis 6 Volt.
Verwendet man eine ungeradzahlige Kollektorlamel- lenzahl, dann nehmen die Kurven des Strombelags einmal den in Fig. 7 und einmal den in Fig. 11 gezeigten Verlauf an. Damit nun stets die beste Ausnützung be züglich des Drehmoments gegeben ist, kann die Feld kurve relativ zu den feststehenden Bürsten derart gelegt werden, dass das Produkt der magnetischen Induktion mit den Ordinaten der Strombelagskurven nach Fig. 7 und Fig. 11 in der Summe einen Maximalwert annimmt. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 15 gezeigt.
In dieser Figur sind die beiden Kurven des Strombelags 13 und 16 eingezeichnet und darüber gestrichelt die Sinuskurve 10 des Feldverlaufes, deren Scheitel nicht wie in Fig. 4 symmetrisch liegt, sondern um den Betrag 17 verscho ben ist.