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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer zweipoligen
elektrischen Wicklung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1.
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Mit
der US Re 27,893 ist eine Ankerwicklung an einer elektrischen Maschine
bekannt geworden, bei der näherungsweise
zwei Spulen geometrische parallel auf einem Ankerblechpaket angeordnet
sind. Eine solche Anordnung der beiden Spulen ergibt sich aufgrund
einer Wickelmaschine, die mittels zwei Flyern zwei Spulen zeitgleich
wickeln kann. Diese näherungsweise
parallelen Spulen werden jedoch unabhängig voneinander bestromt,
sodass bei der bestromung der Spulen im Betrieb radiale Kraftkomponenten
auf den Anker auftreten, die störende
Motorgeräusche
verursachen.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße 2-polige
elektrische Maschine, sowie deren Herstellungsverfahren mit den
kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben
den Vorteil, dass durch die gleichzeitige Kommutierung der beiden
symmetrisch angeordneten Teilspulen die radialen Kraftkomponenten der
beiden Teilspulen bei deren Bestromung kompensiert werden. Durch
eine solche symmetrische Anordnung der beiden gesehnten Teilspulen
bezüglich
der Drehachse lässt
sich bei gleichzeitigem Stromfluss durch die Teilspulen ein ruhigerer
Motorlauf erzielen, wodurch die Motorgeräusche deutlich reduziert werden.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Besonders einfach lassen sich
die störenden
radialen Kraftkomponenten kompensieren, indem die beiden Teilspulen
geometrisch in etwa parallel zueinander, in gleichem Abstand zur Drehachse
angeordnet werden und eine gleiche Anzahl von Windungen aufweisen.
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Werden
die beiden Teilspulen im umgekehrten Wickelsinn zueinander auf das
Ankerpaket gewickelt, sind die jeweiligen radialen Kraftkomponenten der
Teilspulen bei deren Bestromung genau entgegengesetzt zur Ankerwelle
gerichtet. Dadurch lassen sich diese Radialkräfte optimal kompensieren.
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In
einer bevorzugten Ausführung
sind die beiden Teilspulen elektrisch in Reihe geschaltet, sodass
diese durchgehend mit einem Draht hintereinander weg gewickelt werden
können.
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Dabei
weisen die in Reihe hintereinander geschalteten Teilspulen zwei
Enden auf, die jeweils direkt mit einer Lamelle des Kollektors – insbesondere nebeneinanderliegenden
Lamellen – verbunden
werden können.
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In
einer alternativen Ausführung
sind die beiden Teilspulen elektrisch parallel geschaltet, wodurch die
beiden Teilspulen beispielsweise zeitgleich miteinander gewickelt
werden können.
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Bei
den parallel geschalteten Teilspulen werden jeweils die Enden der
ersten Teilspule und die beiden Enden der zweiten Teilspule elektrisch
mit den selben zwei Lamellen verbunden, sodass beide Teilspulen
zeitgleich kommutiert werden können.
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Die
symmetrische Anordnung der beiden Teilspulen zueinander wird auf
dem Ankerpaket derart optimiert, dass sich beim gleichzeitigen Stromfluss
durch die beiden Teilspulen die radial wirkenden Kräfte möglichst
gut kompensieren.
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Erfindungsgemäß weist
der Kollektor eine gerade Anzahl von Lamellen auf, beispielsweise
8 oder 10 Lamellen, wobei die beiden Bürsten, vorzugsweise etwa 180° zueinander
versetzt an den Lamellen anliegen. Dabei ist jeweils ein Paar Teilspulen mit
einem Lamellen-Paar verbunden.
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Um
bei der Kommutierung einen möglichst gleichmäßigen Stromfluss
zu gewährleisten,
sind die Bürsten
derart ausgebildet, dass sie bei der Drehung des Kommutators jeweils
zwei benachbarte Lamellen überdecken,
um diese miteinander kurz zu schließen. Dadurch kann das Bürstenfeuer
deutlich reduziert werden.
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Von
Vorteil ist es, die Teilspulen in Form Doppelwicklung mit zwei etwa
parallelen Spulendrähten mit
reduziertem Querschnitt auszubilden. Dadurch lässt sich ein höherer Füllfaktor
der Nuten, und damit eine Leistungssteigerung des Elektromotors
erzielen, ohne dass sich die Fertigungszeit erhöht.
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Durch
das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
einer 2-poligen elektrischen Maschine mit jeweils symmetrisch zueinander
angeordneten Teilspulen kann auf einfache Weise ein geräuschreduzierter
elektrischer Antriebsmotor hergestellt werden, wie er beispielsweise
für Verstellanwendungen
im Kraftfahrzeug Anwendung findet. Dabei ist gegenüber herkömmlichen
Wickelverfahren kein nennenswerter Mehraufwand notwendig, sodass
auf diese Weise kostenneutral eine deutliche Qualitätssteigerung
der elektrischen Maschine durch deren Geräuschreduzierung erzielt werden
kann.
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Zeichnungen
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In
den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 den
schematischen Querschnitt durch eine elektrische Maschine,
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2 eine
schematische Darstellung der Stromzweige in den Spulen,
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3 einen
Querschnitt durch die Ankerwicklung gemäß dem Stand der Technik,
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4 einen
schematischen Ankerquerschnitt mit in Reihe geschalteter Teilspulen,
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5 einen
schematischen Ankerquerschnitt mit parallel geschalteter Teilspulen,
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6 einen
erfindungsgemäßen Querschnitt
durch die Ankerwicklung,
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7–11 verschiedene
Wickelschemata für
einen Kommutator mit 10 Lamellen,
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12 einen
schematischen Querschnitt zur Veranschaulichung der Kommutatorverdrehung,
und
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13 und 14 Wickelschemata
für einen
Kommutator mit 8 Lamellen.
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Beschreibung
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In 1 ist
schematisch ein Querschnitt durch eine elektrische Maschine 10 dargestellt,
die im Ausführungsbeispiel
als zweipoliger Gleichstrommotor 12 ausgebildet ist. In
einem Gehäuse 14 ist
ein Stator 16 mit zwei Permanentmagneten 18 angeordnet,
der mit einem Rotor 20 zusammenwirkt, der drehbar im Gehäuse 14 gelagert
ist. Der Rotor 20 weist eine Rotorwelle 22 und
einen Anker-Lamellenpaket 24 auf, auf dem Spulen 26 in
Form von Sehnen aufgewickelt sind. Auf der Ankerwelle 22 ist
des Weiteren ein Kommutator 28 angeordnet, der über Bürsten 30 elektrische
kommutierbar ist. Im Ausführungsbeispiel
sind die beiden Bürsten 30 etwa
180° zueinander
versetzt angeordnet und sind derart ausgebildet, dass sie bei einer
Drehung des Kommutators 28 gegenüber den Bürsten 30 beim Übergang
von einer Kommutatorlamelle 32 zu benachbarten Kommutatorlamelle 32 diese
beiden miteinander kurzschließen.
Die beiden Bürsten 30 sind
mit einem Plus und einem Minus gekennzeichnet, die den Stromfluss symbolisieren
und die elektrischen Anschlüsse
der in den 3 und 6 dargestellten
Spulen 26 wiedergibt. Der Kommutator 28 weist
eine gerade Anzahl von Lamellen 32 auf, die mit den Ziffern
0 bis 9 (also 10 St.) gekennzeichnet sind. Die Lamellen 32 sind elektrisch
gegeneinander isoliert ausgebildet.
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In 2 ist
schematisch der Stromfluss gemäß der Überdeckung
der Bürsten 30 gegenüber der Lamellen 32 in 1 dargestellt.
Durch den Kurzschluss zweier Kommutatorlamellen 32 wird
beispielsweise unter der Plus-Bürste 30 ein
Strom I1 durch eine Spule 26 zwischen den beiden benachbarten
Lamellen 32 (9 und 0) generiert. Zwischen der Plus-Bürste 32 und
der Minus-Bürste 32 ergibt
sich ein Stromzweig I2, der in einer Weiteren Spule 26 zwischen
den Lamellen 32 (0 und 4) danach wiederum ein Strom I3
zwischen zwei benachbarten Lamellen 32 (4 und 5) und wiederum
ein Stromzweig I4 zwischen der Minus- und der Plus-Bürste 30 (Lamellen 5
und 9).
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3 zeigt
den Stromfluss gemäß 2 in einem
schematischen Querschnitt durch das Ankerpaket 24 mit einer
gesehnten Schleifenwicklung nach dem Stand der Technik. Entsprechend
den 10 Lamellen 32 des Kommutators 28 weist das
Ankerpaket 24 zehn Nuten 34 auf, in denen insgesamt
10 Spulen gewickelt sind. Daher ist jede Nut 34 mit zwei
Strängen 29 von
unterschielichen Spulen 26 belegt. Durch die Unterschiede
im Bürstenspannungsabfall
zwischen der Plus- und der Minus-Bürste 32, sowie durch
die aufgrund Fertigungstoleranzen bedingter Unsymmetrie der Positionierung
der Bürsten 30 sind die
Strombeträge
sowohl von I1 und I3 als auch I2 und I4 in den gegenüberliegenen
Nuten 34 nicht gleich. Beispielsweise verläuft der
Strom I1 in einer sehnenartig angeordneten Spule 26', wobei deren Windungen
durch die beiden Kreise +I1 und –I1 dargestellt ist. Gleichzeitig
fließt
der Strom I3 im Kurzschlussfall nach 2 in der
Spule 26'', dargestellt durch
die Kreise +I3 und –I3.
Es ist in 3 ersichtlich, dass nach dem
Stand der Technik in den jeweils gegenüber liegenden Nuten 34,
in denen die Ströme I1
und I3 fließen
der Strombelag ungleich ist, wodurch radial wirkende Kräfte 36 auf
den Rotor 20 entstehen.
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In 4 ist
nun ein schematischer Querschnitt durch ein Ankerpaket 24 dargestellt,
bei dem eine Spule 26 erfindungsgemäß als zwei Teilspulen 27 in
unterschiedlichen Nuten 34 gewickelt sind. Die beiden Teilspulen 27 sind
in näherungsweisen
parallelen Ebenen 38 angeordnet, die in gleichem Abstand zur
Ankerwelle 22, bzw. zur Drehachse 23, symmetrisch
zu dieser verlaufen (gesehnte Wicklung). Die beiden Teilspulen 27 sind
elektrisch in Reihe geschaltet, sodass der Strom ausgehend von der
ersten Lamelle 32 zuerst durch die erste Teilspule 27 und
anschließend
durch die zweite Teilspule 27 und dann zu einer zweiten
Lamelle 32 verläuft.
Werden diese beiden Lamellen 32 über die Bürsten 30 bestromt,
kompensieren sich die jeweiligen Radialkräfte 36 der beiden
symmetrischen Teilspulen 27. In 4 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
schematisch nur zwei Lamellen und ein Paar Teilspulen 27 dargestellt.
In der realen Aufführung
sind jeweils mehrere Paare von Teilspulen 27 mit jeweils
zwei Lamellen 32 verbunden. Die in 4 dargestellte
Spule 26, die aus zwei Teilspulen 27 besteht könnte beispielsweise dem
Stromfluss I1 zwischen den Lamellen 32 (9 und 0) aus 2 und 1 zugeordnet
werden.
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Gemäß der Ausführung nach 5 sind
die beiden Teilspulen 27 wiederum symmetrisch zur Drehachse 23 angeordnet.
Die beiden Teilspulen 27 sind in jeweils unterschiedlichen
Nutenpaare 34 gewickelt, wobei sich eine geometrisch parallele
Anordnung der Teilspulen 27 mit etwa gleichem Abstand zur
Drehachse 23 ergibt. Bei solchen gesehnten Wicklungen verlaufen
die Windungen 54 nicht durch die Drehachse 23.
Bei dieser Ausführung
sind die beiden Teilspulen 27 jedoch elektrisch parallel
geschaltet, sodass die jeweiligen Enden 42 der ersten Teilspule 41 und
die beiden Enden 44 der zweiten Teilspule 43 jeweils
in gleicher Weise elektrisch mit den beiden Lamellen 32 (9
und 0) verbunden sind. Auch bei diesen parallel geschalteten Teilspulen 27 wird
jeweils ein Paar Teilspulen 27 über die beiden Lamellen 32 gleichzeitig
kommutiert. Gemäß einer bevorzugten
Ausführung
der Erfindung sind die beiden Teilspulen 27 sowohl bei
der Reihenschaltung als auch bei der Parallelschaltung in unterschiedlichem
Drehsinn zueinander gewickelt sein. D.h. dass beim Wickeln der Ankerwicklung 25 nach
der Drehung des Rotors 20 um ca. 180° die zweite Teilspule 27 bezüglich der
Wickelmaschine in entgegengesetzter Richtung gewickelt wird.
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In 6 ist
ein schematischer Querschnitt durch das Ankerpaket 24 dargestellt,
bei dem die jeweiligen Spulen 26 als zwei symmetrisch zueinander angeordnete
Teilspulen 27 ausgebildet sind, wodurch in jeder Nut 34 jetzt
vier Stränge 29 angeordnet
sind. Dies wird besonders deutlich, in dem man die erfindungsgemäße Spulenanordnung
gemäß 6 mit der
Spulenanordnung nach dem Stand der Technik gemäß 3 vergleicht.
Dabei wird jede Spule aus 3 in zwei
symmetrisch angeordnete Teilspulen 27', 27'' zerlegt,
wobei bei einer Reihenschaltung der teilpulen 27' und 27'' die Gesamtanzahl der Windungen 54 der
beiden Teilspulen 27', 27'' identisch ist mit der Anzahl der
Windungen 54 der Spule 26 gemäß 3. Jedoch
ist jetzt die Strombelegung in den gegenüberliegenden Nuten 34 in
denen die Ströme
I1 und I3 verlaufen identisch. Dabei kompensieren sich jetzt die
Ströme
+I3, –I1,
+I2, –I4
der Nut 34' mit
den Strömen –I3, +I1, –I2, +I4
der gegenüberliegenden Nut 34''. Dadurch werden die störende Radialkräfte 36 weitgehend
eliminiert.
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Bei
einer Parallelschaltung der Teilspulen 27' und 27'' verdoppelt
sich in der Summe die Anzahl der Windungen 54 gegenüber der
in Reihe geschalteter Teilspulen 27, wobei der Drahtquerschnitte
der Spulendrähte 48 entsprechen
halbiert wird, wodurch die gleiche Strombelegung resultiert. Dies
entspricht einer Doppelwicklung, bei der die beiden Teilspulen 27 jedoch
nicht in die gleichen Nuten 34 gewickelt werden, sondern
als zwei symetrische, mit gleichem Abstand zur Drehachse 23 angeordnete,
Teilspulen 27 gewickelt werden. Wickelschemata für diese
Doppelwicklung sind in den 11 und 14 dargestellt.
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In
den 7–11 sind
verschiedene Varianten für
eine Wicklung mit symmetrischen Teilspulen 27 dargestellt,
von der beispielhaft das Schema gemäß 7 erläutert wird.
Am unteren Bildrand sind schematisch die 10 Lamellen 32 des
Kommutators als Kästchen
dargestellt, wobei zwei abgewickelte Umdrehungen des Kommutators 28 dargestellt sind.
Darüber
liegend sind schematisch die Nuten 34 des Ankerpakets 24 dargestellt,
ebenfalls als zwei abgewickelte Umdrehungen. In der unteren Bildhälfte ist
schematisch ein Paar Teilspulen 27 dargestellt, die der
zweiten Zeile der oberen Tabelle entspricht. Ausgehend von der Lamelle 1 (rechts)
ist der Spulendraht 48 zuerst in der Nut 1 und
anschließend
in Nut 5 gelegt, sodass dies eine Teilspule 27 mit
7 Windungen 54 (Wdg) beschreibt. Nach der siebten kompletten
Windung 54 liegt der Spulendraht 48 nochmals in der
Nut 1, um dann nach links zur zweiten Teilspule 27 zur
Nut 6 zu gelangen. Zwischen Nut 6 und Nut 10 wird
die zweite Teilspule 27 mit 8 Windungen gewickelt, wobei
danach nochmals eine Windung zwischen Nut 10 und Nut 5 auf
die erste Teilspule 27 gewickelt wird, um dann den Spulendraht 48 an
der Lamelle 2 (links) zu kontaktieren. Auf diese Weise
ist eine symmetrische Anordnung von zwei Teilspulen 27 mit
gleicher Anzahl von Windungen 54 geschaffen. Nach diesem
Schema werden Zeile für
Zeile gemäß der obigen
Tabelle die jeweiligen Teilspulen 27 gewickelt, sodass
insgesamt 10 Teilspulen-Paare 27 zwischen zwei benachbart
liegenden Lamellen angeordnet sind.
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So
sind in 7–10 verschiedene
Variationen mit jeweils 10 Teilspulen-Paaren 27 zwischen zwei
Lamellen 32 dargestellt. Der Spulendraht 48 weist
hierbei beispielsweise einen Drahtdurchmesser von 0,5 mm auf. In 11 sind
die Teilspulen 27 als Doppelwicklung in einer ersten und
einer zweiten Lage angeordnet, wobei hier der Drahtdurchmesser beispielsweise
2 × 0,355
mm beträgt.
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In 12 ist
schematisch die Drehung des Kommutators 28 gegenüber dem
Ankerpaket 24 dargestellt. Dabei wird ein Drehwinkel 50 definiert,
der sich von der Mitte der Nut 34 bis zur Mitte eines Schlitzes 52 zwischen
zwei Lamellen 32 verstrickt. Bei den Ausführungsbeispielen
gemäß 7 bis 11 beträgt dieser
Winkel 50 der Kommutatorverdrehung näherungsweise 0°. Bei den
Ausführungsbeispielen
gemäß 13 und 14 beträgt dieser Winkel 50 beispielsweise
209°.
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Gemäß 13 und 14 weist
der Kommutator 28 beispielsweise 8 Lamellen 32 und
entsprechend 8 Nuten 34 im Ankerpaket 24 auf.
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In 13 sind
gemäß der 8
Zeilen der obigen Tabelle 8 Mal jeweils zwischen zwei Lamellen 32 zwei
symmetrische Teilspulen 27 angeordnet. Dabei kann die Anzahl
der einzelnen Windungen 54 (wdg) und der Spulendrahtdurchmesser
den jeweiligen Anwendungen angepasst werden. In 14 ist
analog zur 11 wieder eine Doppelwicklung
dargestellt, bei der gegenüber 13 die
Gesamtanzahl der Wicklungen (wdg) der beiden Teilspulen erhöht wird, und
dafür der
Drahtdurchmesser reduziert wird (beispielsweise von 0,425 mm auf
2 × 0,3
mm).
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Es
sei angemerkt, dass hinsichtlich der in allen Figuren gezeigten
Ausführungsbeispiele
der Beschreibung vielfältige
Kombinationsmöglichkeiten der
einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise
die Anzahl der Lamellen 32 und der Nuten 34 sowie
deren konkrete Ausgestaltung variiert werden. Ebenso stellt die
Vielzahl der dargestellten Wickelschemata keine Einschränkung bezüglich der
Wicklung der symmetrischen Teilspulen 27 dar, sondern es
sind verschiedene Übergänge von
einer Teilspule 27 zur anderen möglich. Die Ausführungsbeispiele
gemäß den 7–14 beschreiben
sowohl die konkrete Ausgestaltung der verschiedenen elektrischen
Maschinen 10, als auch deren Herstellungsverfahren. Insbesondere
ist durch die Figuren das Verfahren zum Wickeln von symmetrischen
Teilspulen 27 gemäß unserer
Erfindung beschrieben.