CN1319932A - 电动机 - Google Patents

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埃希特勒·卡尔
德格迈尔·安德烈亚斯
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Hilti AG
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Hilti AG
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    • H02K23/40—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the arrangement of the magnet circuits
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Abstract

本发明涉及一种有换向器的电动机,它有可变换的旋转方向,优选地作为手操纵的电动工具机的驱动装置,为了减小电枢交轴磁场和延长电刷寿命,在定子(4)对称轴(9)内设槽(10),其中,换向器有利地对称于此对称轴设置。

Description

电动机
本发明涉及一种有换向器的电动机，优选地涉及一种串励(Reihenschluss)运行开启式空冷(durchzugsbelueften)有高的功率密度尤其用于手操纵的电动手工工具机如螺旋工具机作为驱动装置的通用电机。
这种电动机包括一个绕旋转轴线旋转的转子，设计为电枢的转子设有绕齿的通电的电枢绕组，以及包括一个外套状围绕电枢的定子，定子有通电的定子绕组，用于产生作为总磁场一部分的励磁场，绕齿设置的电枢绕组处于总磁场磁极之间，磁场经定子的极靴、气隙和转子的齿通过电枢绕组。
通过一个在转子旋转时转换电枢线圈基线的换向器，保证电枢绕组的面始终大体垂直于由定子绕组产生的磁场方向。借助于通过磁场作用在通电导线上的力，产生相对于定子驱动电动机转子的扭矩。为此，定子绕组的磁场作为励磁场主要沿极靴通过电枢绕组，为避免涡流损失极靴彼此绝缘并大多由电工薄钢片组成，在这种情况下在极靴内产生大的磁感应。
流入电枢绕组的电流在由薄片和电刷组成的换向器内分成两部分，它们绕过电枢流动，使电枢垂直于定子绕组的励磁场磁化。称为电枢交轴磁场的寄生磁场叠加在励磁场上。总(合成)磁场相对于励磁场以一个锐角移动，而与之垂直的中性区也是如此，在此中性区内不感应电抗电压。
通过电刷暂时将两块薄钢片导电连接，当此短路断开时，促使通过总磁场形成电抗电压，由此引起电刷火花。为了达到无电流转换使电机无火花运行并因而实现电刷最小磨损，将电刷通过电路移动(Schaltverschiebung)设在相对于总磁场为中性的区内，它与励磁绕组构成一个限定的角度。因此，换向器的电刷不再相对于励磁场方向轴对称地布置，其结果是不能沿两个旋转方向最佳地运行。
已知另一种可供选择的方案，其中励磁场的轴线相对于对称地设在定子中的换向器，通过设计为多个部分并按工作类型(驱动、制动)联接的部分励磁绕组，绕非对称的极靴旋转。例如由文献DE 19636519已知此类电动机。这种相对于励磁场的对称轴为非对称的电动机中存在的缺点是，它们只能沿一个旋转方向以最小的电刷磨损运行。此外，与没有电路移动而特性曲线相同的电动机相比，需要通过更多的转子匝数进行有害的绕组匹配。
例如用作螺旋工具机驱动装置的电动机，它的旋转方向大体等分地变换，因此电刷和极的结构对称地设计，然而与单一旋转方向运行的同类非对称电动机相比，这样做导致较高的电刷磨损。在文献DE-OS 1563022中公开了，仍在绕定子极靴的励磁绕组多部分设计并联结的方案中存在的，经沿两个旋转方向足够的换向后限制磨损的可能性。在这种方案中存在的缺点主要是与之相关连的高的生产成本以及有必需附加的而在某种运行方式下却不利用的励磁绕组部分。
由于电枢的齿在较高的功率范围内高的磁饱和度，所以它们处于非线性的特性曲线区内，因此通过由此而受限制的总磁场造成励磁场的减弱，这称为电枢反作用。在冲击式加载时，例如在螺旋操作时所需的那样，励磁场的减弱导致磁场抑制冲击，这危及电动机的稳定性。为了将电枢反作用保持在允许的极限范围内，通常增大极靴与齿之间的气隙，然而这引起需要更强的励磁并因而降低效率。
一种排除电枢交轴磁场的方法是附加地设垂直于励磁绕组的补偿绕组，它被称为辅助极(wendepole)。补偿绕组和电枢绕组就电流而言处于反接串联电路中，所以始终提供补偿。然而出自于制造技术方面的原因，只有大型电动机才配备这种辅助极，因为在小型开启式风冷高功率密度的通用电机中，辅助极的配置技术上几乎不可能实现。因此，对用于手操纵驱动装置并因而需要小而轻的电动机而言，这种方案是不适用的。
本发明的目的是，对于沿两个旋转方向运行的具有换向器的电动机，通过改善换向性能，尤其在电动机具有对称于励磁场或定子轴线设置的换向器电刷的情况下，通过减少由于电枢交轴磁场造成的电刷火花，延长电刷的寿命。这些尤其应能在小和轻的电动机中在制造技术方面有利地实现。
此目的通过独立权利要求达到。由从属权利要求给出有利的进一步发展。对于达到此目的而言重要的是，在定子的极靴之间构成一个平行于励磁场方向的槽，它在材料一侧有比定子小的磁导率或饱和度。槽与励磁场平行，因此实际上对励磁场没有影响，但与对换向性能有不良作用的电枢交轴磁场串联并因而显著减弱了电枢交轴磁场。因此与无槽的定子相比，不仅显著减小了电枢交轴磁场，而且显著减小了与之相关连的电枢反作用。其结果是改善了换向性能和延长了电刷寿命。
因为此用于补偿电枢交轴磁场的解决方案即使在两个旋转方向运行的电动机中和在没有辅助极的电动机中也能采用，所以此方案尤其适用于小和轻的电动机。此外与没有槽的电动机相比不需要绕组匹配。
通过减小电枢交轴磁场达到的使电枢反作用有利地减小，降低了在冲击式加载时，例如尤其在驱动螺旋工具机时出现的冲击式加载的情况下磁场抑制冲击的危险。
有利的是，通常充填空气的开口槽也可以用另一种非铁磁性和非各向同性导电的材料充填，例如用塑料充填，以免槽被松散物质填塞。
下面借助于附图表示的有利的实施例进一步说明本发明。其中
图1带槽的电动机和磁场的磁感应的磁场图形；以及
图2有或没有槽时电枢交轴磁场对比图。
按图1，电动机包括一个绕旋转轴线A旋转的转子1，设计为电枢的转子设有绕齿3的通电的电枢绕组2，以及包括一个外套状围绕转子的定子4，它有通电的定子绕组5，用于产生作为总磁场6一部分的励磁场，绕齿3设置的电枢绕组2处于总磁场的磁极之间，磁场6经定子4的极靴7、气隙8和转子1的齿3通过电枢绕组2。定子4在位于励磁场对称轴9中的极中心内部设一至少部分贯通的槽10，它有利地在两个极处设计为相同的，槽用空气中或其他非铁磁性的材料充填，并因而对励磁场没有影响或没有显著的影响，然而却明显地削弱了总磁场6垂直于对称轴9的磁场分量。槽10的宽度有利地是气隙8宽度的多倍，并因而取决于具体的尺寸，其数量级为几个毫米。
在图2中分别对于按本发明有槽10的电动机12和已知的类似设计的没有槽10的电动机13的要抑制的电枢交轴磁场的磁感应的磁场图形加以比较。由图可见，在按本发明有槽10的电动机12中垂直于对称轴9方向的电枢交轴磁场明显地较弱。因此，即使在相对于对称轴9为对称结构的电动机中，由电枢交轴磁场引起的有害后果大大减小。尤其改善了换向性能并因而延长了电刷寿命。采用对称结构，对于两个可能的旋转方向所获得的这一优点是相同的。因为按本发明有槽10的电动机12没有辅助极也足已满足要求，所以它在制造技术方面尤其对于小型和轻型的电动机是有利的，这种电动机例如应用于手操纵的螺旋工具机驱动装置中。
对于一台具体尺寸的电动机，通过有限元法模拟计算，证实了通过用空气充填的2.5mm宽的槽在转子的两个边界位置电枢交轴磁场的减小。
电枢交轴磁场μVs 有槽  无槽
极中心内的齿 190.6  470.1
极中心内的电枢绕组 127.1  492.1

Claims (10)

1．有换向器的电动机，包括一个绕旋转轴线A旋转的转子(1)，设计为电枢的转子设有通电的电枢绕组(2)，以及包括一个外套状围绕电枢的定子(4)，用于产生作为磁场(6)一部分的励磁场，其特征为：定子(4)在励磁场的对称轴(9)内设计一个至少部分贯通的槽(10)，以及，槽(10)有比定子(4)小的磁导率和/或饱和度。
2．按照权利要求1所述的电动机，其特征为：槽(10)在两个极处有相同的几何尺寸。
3．按照权利要求1或权利要求2所述的电动机，其特征为：换向器垂直于对称轴(9)布置。
4．按照前列诸权利要求之一所述的电动机，其特征为：电动机相对于对称轴(9)设计为对称的。
5．按照前列诸权利要求之一所述的电动机，其特征为：槽(10)设计为沿对称轴(9)贯通。
6．按照前列诸权利要求之一所述的电动机，其特征为：槽(10)充填一种非铁磁性的材料。
7．按照前列诸权利要求之一所述的电动机，其特征为：槽(10)的宽度等于气隙(8)宽度的多倍。
8．按照前列诸权利要求之一所述的电动机，其特征为：电动机没有辅助极。
9．按照前列诸权利要求之一所述的电动机应用于手操纵的电动工具机内，选择串励法。
10．按照权利要求9所述的电动机应用于可变换旋转方向的电动工具机。
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