DE10129823A1 - Rotierende elektrische Maschine mit geringem Bauraumbedarf und hohen Leistungen - Google Patents

Abstract

Rotierende elektrische Maschine, umfassend einen ortsfesten Teil oder Ständer (10, 110) und einen rotierenden Teil oder Läufer (30, 130), wobei der Ständer (10, 110) wenigstens eine elektrische Wicklung (20, 120) trägt und wobei ein ortsfester Kommutator (40, 140) mit mehreren Lamellen (41, 141) und mit zwei Schleifringen (43-44, 143-144) vorgesehen ist, wobei die Wicklung (20, 120) des Ständers (10, 110) mit den Lamellen (41, 141) verbunden ist, und wobei außerdem ein fest mit dem Läufer (30, 130) verbundener rotierender Kohlebürstenhalter (50, 150) vorgesehen ist, wobei die Lamellen (41, 141) einerseits und jeder der Schleifringe (43-44, 143-144) andererseits mit einer Kohlebürste (54-55, 154-155) zusammenwirken, die an dem Kohlebürstenhalter (50, 150) angebracht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein rotierende elektrische Maschinen. Sie betrifft insbesondere rotierende elektrische Maschinen, die einen ortsfesten Teil oder Ständer und einen rotierenden Teil oder Läufer umfassen, wobei der Ständer wenigstens eine elektrische Wicklung trägt.

Unter einer rotierenden elektrischen Maschine ist eine Maschine zu verstehen, die einen ortsfesten Teil oder Ständer und einen rotierenden Teil oder Läufer umfaßt und die für den Betrieb als Elektromotor, wobei der Läufer rotiert, wenn die Maschine mit Strom versorgt wird, oder für den Betrieb als Generator oder Wechselstromgenerator gestaltet ist, wenn ihr Läufer mechanisch drehend angetrieben wird.

Bekanntlich gibt es für derartige Maschinen zahlreiche und unterschiedliche Anwendungen. Insoweit es sich beispielsweise um Elektromotoren handelt, werden sie immer häufiger für die Ausführung von Regelungssystemen verwendet, insbesondere in Kraftfahrzeugen, in denen sie mit verschiedenen Organen wie etwa Kupplung, Getriebe, Bremsen, Servolenkung und anderen verbunden sind.

Es dürfte verständlich sein, daß insbesondere bei derartigen Anwendungen der Bauraumbedarf der elektrischen Maschinen und ihre Leistungen eine wichtige Rolle spielen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine konstruktiv einfache, preiswerte herzustellende und leicht handhabbare rotierende elektrische Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei geringen Außenabmessungen und geringem Gewicht eine hohe Leistung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Maschine nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es, daß ein ortsfester Kommutator mit mehreren Lamellen und mit zwei Schleifringen vorgesehen ist, wobei die Wicklung des Ständers mit den Lamellen verbunden ist, und daß ein fest mit dem Läufer verbundener rotierender Kohlebürstenhalter vorgesehen ist, wobei die Lamellen einerseits und jeder der Schleifringe andererseits mit einer Kohlebürste zusammenwirken, die an dem Kohlebürstenhalter angebracht ist.

Der Hauptvorteil liegt dabei darin, daß auf diese Weise eine rotierende elektrische Maschine geschaffen wird, die sich bei einem geringen Bauraumbedarf durch hohe Leistungen auszeichnet. Auch ist die erfindungsgemäße elektrische Maschine bei einfacher Konstruktion kostengünstig herzustellen und leicht zu montieren und handzuhaben.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Läufer mit Magneten ausgeführt ist.

Der Ständer kann vorzugsweise aus zwei zusammengefügten hohlen Ständerhälften bestehen.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn der Ständer wenigstens eine radiale Buchse trägt, die ein Magnetteil aufnimmt, wobei die besagte Wicklung die besagte Buchse umgibt.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn der Ständer mit Querflanschen versehen ist, die mittig Lagerböcke tragen, die durch rohrförmige Verlängerungen nach außen verlängert werden.

Vorteilhafterweise kann der Ständer durch ein Magnetgestell getragen bzw. gelagert sein.

Der Läufer ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet und trägt durch Verkleben angefügte Magnete.

Alternativ kann der Läufer auch zylindrisch ausgeführt sein und sein Randbereich bzw. sein Umfang aus einem Gemisch aus Kunststoff und Magnetpulver bestehen.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn die Lamellen und die Schleifringe des Kommutators zylindrisch ausgeführt sind.

Besonders vorteilhaft ist es außerdem, wenn die Schleifringe mit Leitungsbändern elektrisch verbunden sind, die sich in einer der rohrförmigen Verlängerungen erstrecken, auf der der Kommutator fest aufgepreßt ist.

Der Kohlebürstenhalter kann vorteilhafterweise eine ringförmige Platte aufweisen, die auf einer ihrer Flächen Schächte für Kohlebürsten trägt, die jeweils radial an den Lamellen und einem der Schleifringe anliegen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform erstrecken sich die Lamellen und die Schleifringe des Kommutators radial, wobei der Kommutator flach ausgeführt ist.

Der Kohlebürstenhalter kann sich dabei vorteilhafterweise axial zwischen den Lamellen und den Schleifringen, die konzentrisch vorgesehen sind, erstrecken, wobei Schächte für Kohlebürsten vorzugsweise doppelt vorgesehen sind und jeweils zwei aufeinander ausgerichtete Kohlebürstenhälften enthalten, die auf Entfernung voneinander beaufschlagt werden, um zum einen mit den radialen Lamellen und zum anderen mit einem der Schleifringe zusammenzuwirken.

Die Schleifringe sind vorzugsweise an einem Deckel angebracht.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn eine Verschlußwand einen dichten Raum für den Ständer und den Läufer definiert, der eine Kühlflüssigkeit enthält.

Gemäß einer besonders bevorzugten Anwendung werden die Schleif­ ringe mit Strom versorgt, wobei die Maschine als Elektromotor arbeitet.

Es ist jedoch in vorteilhafter Weise auch möglich, den Läufer mechanisch drehend anzutreiben, wobei die Maschine als Stromgenerator arbeitet.

Ein besonders einfach, schnell und kostengünstig durchzuführendes Verfahren zum Herstellen einer rotierenden Maschine der vorangehend beschriebenen Art kann dadurch erhalten werden, daß die Draht­ wicklungen, die die Spulen bilden, von außen aufgewickelt werden.

Zum besseren Verständnis des Gegenstands der Erfindung folgt nun als Beispiel, nur zu Veranschaulichungszwecken und ohne einschränkende Wirkung eine Beschreibung von Ausführungsarten, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.

Darin zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Teilansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;

Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Teilansicht des Ständers und des Läufers der Maschine von Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der Verbindung des Ständers der Fig. 1 und 2 und seines Kommutators mit Lamellen und Schleifringen;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der Verbindung des Kommutators mit Lamellen und Schleifringen und des Kohlebürstenhalters;

die Fig. 5 und 6 perspektivische Teilansichten einer Variante einer erfindungsgemäßen rotierenden Maschine unter zwei verschiedenen Blickwinkeln.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 ist zu erkennen, daß der Ständer 10 aus zwei hohlen Ständerhälften 11 besteht, die rückseitig an ihrem Umfang radiale Buchsen 12 tragen, die in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet sind.

Diese radialen Buchsen 12 nehmen Magnetteile 13 auf, die Elemente des Magnetkreises für in Fig. 1 bei 20 schematisch dargestellte Spulen oder Wicklungen bilden, die die radialen Buchsen 12 umgeben. Die Magnetteile 13 sind vorteilhafterweise geblecht, um die Verluste zu minimieren.

Abschlußflansche 14, 15 der beiden Ständerhälften 11 sind mit formschlüssigen Rastmitteln 16, 17 für die Zusammenfügung der beiden den Ständer 10 bildenden Ständerhälften 11 versehen.

Die Flansche 14, 15 tragen mittig nach außen gerichtete Lagerböcke 18, 19, die jeweils für die Aufnahme eines Lagers 21 bestimmt sind, das hier als Kugelgelenk ausgeführt ist, um die drehbare Lagerung der Welle 31 eines Läufers 30 zu ermöglichen, deren Enden jenseits der Lagerböcke 18, 10 durch rohrförmige Verlängerungen 22, 23 hindurch­ gehen, über die der Ständer 10 durch ein zylindrisches Gestell 24 ge­ lagert ist, genauer gesagt: durch den Boden 25 dieses Gestells 24 und durch eine fest mit diesem Gestell 24 verbundene Verschlußwand 26, die axial in einem Abstand von seinem freien Rand 27 angeordnet ist.

Das Gestell 24 besteht aus Metall, um den Magnetkreis zu schließen. Ebenso wie die Magnetteile 13 ist das Gestell 24 vorteilhafterweise geblecht.

Der Ständer 10 besteht, natürlich mit Ausnahme der Magnetteile 13, vorteilhafterweise aus Kunststoff, und er umfaßt zwei aufgeformte Leitungsbänder 28, 29 für die Stromversorgung der rotierenden Maschine, wenn sie als Elektromotor betrieben wird. Diese Leitungs­ bänder 28, 29 erstrecken sich axial in der rohrförmigen Verlängerung 22 auf der Seite des freien Rands 27 des Gestells 24, über den sie etwas vorstehen. Auf der anderen Seite erstrecken sie sich radial in der radialen Wand einer Buchse 12, aus der sie für ihren Anschluß an eine Stromquelle heraustreten.

Der Läufer 30 umfaßt außer seiner Welle 31 einen zylindrischen Körper 32, der Magnete trägt. Diese können durch Verkleben angebracht sein oder aus einem Kunststoff 33 wie Polypropylen bestehen, in den magnetische Elemente wie Eisen, Neodym oder Bor eingelassen sind. Dadurch befindet sich der magnetische Werkstoff in der Nähe der Spulen.

Die Wicklungen 20, die die Buchsen 12 umgeben, sind auf herkömm­ liche Weise elektrisch an die U-förmigen Klemmen 42 angeschlossen, die endseitig isolierte Lamellen 41 des in Fig. 3 deutlicher erkenn­ baren Kommutators 40 tragen, der außerdem zwei Schleifringe trägt, und zwar einen ersten Schleifring 43 und einen zweiten Schleifring 44, die ebenfalls sowohl gegeneinander als auch gegen die Lamellen 41 isoliert sind. Der Kommutator 40 ist hier zylindrisch ausgeführt, wobei sich die Lamellen 41 und die Schleifringe 43, 44 an der zylindrischen Außenfläche des Körpers des Kommutators erstrecken, der eine Innen­ bohrung 47 aufweist. Durch diese Bohrung 47 ist der Kommutator 40 fest an der rohrförmigen Verlängerung 22 des Ständers 10 angebracht. Jeder Schleifring 43, 44 trägt einen axialen Ansatz 45 bzw. 46, der axial, wenn der Kommutator 40 eingebaut ist, in Höhe der Teile der Leitungsbänder 28, 29 hervortritt, die leicht über die rohrförmige Verlängerung 22 vorsteht, wobei sie mit diesen Teilen beispielsweise durch Schweißen verbunden sind.

Der Kommutator 40 mit Lamellen und Schleifringen ist mit einem Kohlebürstenhalter 50 verbunden.

Der in Fig. 4 deutlicher erkennbare Kohlebürstenhalter 50 weist eine insgesamt in Form einer ringförmigen Scheibe ausgeführte Platte 51 auf, die auf einer ihrer Flächen Kohlebürstenschächte trägt, hier zwei diametral gegenüberliegende erste Schächte 52 und zwei ebenfalls diametral gegenüberliegende zweite Schächte 53.

Die ersten Schächte 52 nehmen jeweils radial verschiebbar eine erste Kohlebürste 54 auf, die reibschlüssig mit den Lamellen 41 und dem ersten Schleifring 43 des Kommutators 40 zusammenwirken kann. Die zweiten Schächte 53 nehmen radial verschiebbar eine zweite Kohlebürste 55 auf, die axial länger als die erste Kohlebürste 54 ist und reibschlüssig mit den Lamellen 41 und mit dem zweiten Schleifring 44 zusammenwirken kann. Die Kohlebürsten 54 und 55 werden axial durch Schnappfedern 56 beaufschlagt, die an Stiften 57 und in Anlage an Sockeln 58 gelagert sind.

Der Kohlebürstenhalter 50 ist fest auf der Welle 31 des Läufers 30 aufgesteckt und kann sich daher zusammen mit diesem drehen.

Die Funktionsweise einer solchen Maschine ist mit derjenigen einer herkömmlichen Maschine identisch, bis auf die Tatsache, daß hier der Kommutator 40 ortsfest und der Kohlebürstenhalter 50 drehbar gelagert ist, wobei die Schleifringe 43, 44 mit den Lamellen 41 des Kommutators 40 verbunden sind.

Dank der Erfindung kann der Läufer 30 der rotierenden Maschine mit Magneten versehen sein und daher eine geringe Trägheit aufweisen. Dadurch lassen sich, insbesondere wenn die Maschine ein Elektro­ motor ist, sehr kurze Ansprechzeiten erzielen, was für Regelungs­ systeme besonders gut geeignet ist.

Die Verschlußwand 26 kann so vorgesehen sein, daß in Kombination mit dem Gestell 24 ein dichter Raum für den Ständer und den Läufer geschaffen wird, wobei dieser Raum eine Kühlflüssigkeit wie beispielsweise Öl enthalten kann.

Eine Besonderheit bei der Anbringung der Wicklungen 20 an den radialen Buchsen 12 mit dem angefügten Metallgestell 24 besteht darin, daß das Aufwickeln dieser Wicklungen einfach von außen und mit gängigen Fertigungsmitteln vorgenommen wird. Eine herkömmliche Anordnung ist die Verbindung des äußeren Gestells mit den radial ausgerichteten Magnetteilen 13, woraus sich anschließend die Notwendigkeit ergibt, den Draht von innen aufzuwickeln, indem er nacheinander in die Nuten einzuführen ist, wobei es sich um eine zeitaufwendigere und kompliziertere Vorgehensweise handelt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Variante einer erfindungsgemäßen rotierenden Maschine.

In diesen Figuren werden identische Teile wie bei der vorangehenden Variante oder Teile mit der gleichen Funktion jeweils durch die gleichen Bezugsnummern, erhöht um hundert, bezeichnet.

Nach dieser Variante ist der Kommutator 140 flach ausgeführt: Die isolierten Lamellen 141 erstrecken sich radial ebenso wie die Schleifringe 143, 144, die in Form von konzentrischen ringförmigen Scheiben ausgeführt sind, die an einem Deckel 135 angebracht sind, der das Gestell 124 verschließt.

Hier erstreckt sich der Kohlebürstenhalter 150 axial zwischen den Lamellen 141 und den Schleifringen 143, 144. Die ersten Schächte 152 sind doppelt vorgesehen und enthalten jeweils zwei axial aufeinander ausgerichtete Kohlebürstenhälften, von denen eine mit dem Schleifring 144 und die andere mit den Lamellen 141 zusammenwirkt, wobei die zwei Kohlebürstenhälften 154 axial auf Entfernung voneinander durch eine zwischen ihnen angeordnete Feder beaufschlagt werden. Ebenso sind die zweiten Schächte 153 doppelt vorgesehen, und sie enthalten jeweils zwei axial aufeinander ausgerichtete Kohlebürstenhälften 155, von denen eine mit dem Schleifring 143 und die andere mit den Lamellen 141 zusammenwirkt, wobei die beiden Kohlebürstenhälften 155 axial auf Entfernung voneinander durch eine zwischen ihnen angeordnete Feder beaufschlagt werden.

Um das Verständnis der Zeichnungen zu erleichtern, ist die Verschlu β­ wand 126 in Fig. 5 und der Deckel 135 in Fig. 6 weggelassen worden.

Abgesehen von ihrem geringen, insbesondere radialen, Bauraumbedarf und von ihrer niedrigen Läuferträgheit, weist die erfindungsgemäße rotierende Maschine hohe Leistungen aufgrund ihres niedrigen Stromverbrauchs und ihrer begrenzten Erwärmung auf. Darüber hinaus sind ihre Leistungen temperaturstabil.

Claims (19)

1. Rotierende elektrische Maschine, umfassend einen ortsfesten Teil oder Ständer (10, 110) und einen rotierenden Teil oder Läufer (30, 130), wobei der Ständer (10, 110) wenigstens eine elektrische Wicklung (20, 120) trägt, dadurch gekennzeichnet,
daß ein ortsfester Kommutator (40, 140) mit mehreren Lamellen (41, 141) und mit zwei Schleifringen (43-44, 143-144) vorgesehen ist,
wobei die Wicklung (20, 120) des Ständers (10, 110) mit den Lamellen (41, 141) verbunden ist,
und daß ein fest mit dem Läufer (30, 130) verbundener rotierender Kohlebürstenhalter (50, 150) vorgesehen ist,
wobei die Lamellen (41, 141) einerseits und jeder der Schleifringe (43-44, 143-144) andererseits mit einer Kohlebürste (54-55, 154-155) zusammenwirken, die an dem Kohlebürstenhalter (50, 150) angebracht ist.

2. Rotierende Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (30, 130) mit Magneten ausgeführt ist.

3. Rotierende Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (10, 110) aus zwei zusammengefügten hohlen Ständerhälften (11) besteht.

4. Rotierende Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (10) wenigstens eine radiale Buchse (12) trägt, die ein Magnetteil (13) aufnimmt, wobei die besagte Wicklung (20) die besagte Buchse (12) umgibt.

5. Rotierende Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (10, 110) mit Querflanschen (14, 15) versehen ist, die mittig Lagerböcke (18, 19) tragen, die durch rohrförmige Verlängerungen (22, 23) nach außen verlängert werden.

6. Rotierende Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (10, 110) durch ein Magnetgestell (24, 124) getragen ist.

7. Rotierende Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (30, 130) zylindrisch ausgebildet ist und Magnete trägt, die durch Verkleben angefügt sind.

8. Rotierende Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (30, 130) zylindrisch ausgebildet ist und sein Randbereich aus einem Gemisch aus Kunststoff (33) und Magnetpulver besteht.

9. Rotierende Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (41) und die Schleifringe (43, 44) des Kommutators (40) zylindrisch ausgeführt sind.

10. Rotierende Maschine nach den Ansprüchen 5 und 9 in Kombination, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifringe (43, 44) mit Leitungsbändern (28, 29) elektrisch verbunden sind, die sich in einer (22) der rohrförmigen Verlängerungen erstrecken, auf der der Kommutator (40) fest aufgepreßt ist.

11. Rotierende Maschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlebürstenhalter (50) eine ringförmige Platte (51) aufweist, die auf einer ihrer Flächen Schächte (52, 53) für Kohlebürsten (54, 55) trägt, die jeweils radial an den Lamellen (41) und einem der Schleifringe (43, 44) anliegen.

12. Rotierende Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Lamellen (141) und die Schleifringe (143, 144) des Kommutators (140) radial bzw. in einer senkrecht zur Rotationsachse angeordneten Ebene erstrecken, wobei der Kommutator (140) flach ausgeführt ist.

13. Rotierende Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kohlebürstenhalter (150) axial zwischen den Lamellen (141) und den konzentrisch angeordneten Schleifringen (143, 144) erstreckt, wobei mindestens ein Paar von Schächten (152, 153) für Kohlebürsten vorgesehen ist, und wobei jeder Schacht (152, 153) jeweils zwei aufeinander ausgerichtete Kohlebürstenhälften (154, 155) enthält, die in Richtung einer Entfernung voneinander insbesondere durch ein Federelement beaufschlagt sind, um einerseits mit den radialen Lamellen (141) und andererseits mit einem der Schleifringe (143, 144) zusammenzuwirken.

14. Rotierende Maschine nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifringe (143, 144) an einem Deckel (135) angebracht sind.

15. Rotierende Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verschlußwand (26, 126) einen dichten Raum für den Ständer (10, 110) und den Läufer (130) definiert, der eine Kühlflüssigkeit enthält.

16. Rotierende Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtwicklungen; die die Spulen (20) bilden, von außen angefügt sind, wobei ein Metallgestell um die Magnetteile (13) herum gefügt ist.

17. Rotierende Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifringe (43-44, 143-144) mit Strom versorgbar bzw. versorgt sind, wobei die Maschine als Elektromotor arbeitet.

18. Rotierende Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (30, 130) mechanisch drehend antreibbar bzw. angetrieben ist, wobei die Maschine als Stromgenerator arbeitet.

19. Verfahren zum Herstellen einer rotierenden Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Drahtwicklungen, die die Spulen (20) bilden, von außen aufgewickelt werden.