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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem gewickelten Rotor
mit einem Kommutator und insbesonder einen Multipol-Permanentmagnet-Gleichstrom(englisch:
permanent magnet direct current, PMDC)-Motor mit einer gebündelten
Wicklung und ein Kühlgebläsemodul, das einen solchen Motor
einschließt. Der Ausdruck „Multipol” wird
hier mit der Bedeutung verwendet, dass Motoren vier oder mehr Statorpole
haben. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei PMDC-Motoren
mit sechs oder acht Statorpolen.
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Hintergrund der Erfindung
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PMDC-Motoren
sind gut bekannt und werden vielfach angewendet. Der durch Kundenwünsche
angetriebene gegenwärtige Trend geht in Richtung kleinerer,
leichterer und/oder leistungsfähigeren Motoren. Eine solche
Anwendung liegt in dem Gebläsemotor eines Kühlmoduls
für einen Fahrzeugmotor. In dem modernen Fahrzeugmotorraum
ist Raum immer wichtig und Gewicht ist ein grundlegendes Ziel zur
Verringerung von Kraftstoffverbrauch. Daher besteht der Wunsch nach
einem kleineren, leichteren Motor ohne eine Verringerung der Leistungsfähigkeit.
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Ein
Vergrößern der Anzahl der Statorpole von beispielsweise
zwei Polen auf vier Pole vergrößert die Leistungsdichte,
was wichtig ist, wenn versucht wird, die Leistungsfähigkeit
des Motors zu vergrößern. Andere Faktoren werden
jedoch ebenfalls beeinflusst. Normalerweise wird, wenn die physikalische
Größe eines Motors verringert wird, die Leistungsfähigkeit
herabgesetzt, wenn keine anderen Gestaltungsänderungen
gemacht werden.
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Gewickelte
Rotoren mit Kommutatoren werden häufig in PMDC-Motoren
verwendet. Dieser Rotortyp hat eine Anzahl von vorspringenden Polen oder
Zähnen, um die die Ankerwicklungen gewickelt sind. Die
Wicklungen bilden Wicklungen um die Zähne und der Rotor
hat eine Anzahl von Schlitzen zum Bilden von Wicklungstunneln, durch
die sich die Wicklungen erstrecken. Daher haben die Wicklungen zwei
sich axial erstreckende Bereiche, die in den Schlitzen liegen, und
zwei Endbereiche, bekannt als Köpfe, die sich quer zu der
axialen Richtung jedes axialen Ende des Rotorkerns erstrecken. Die
Köpfe stellen keine Kraft bereit und dienen nur zum Schaffen
von elektrischen Verbindungen zwischen den sich axial erstreckenden
Bereichen der Wicklung. In den meisten Rotoren bedecken oder kreuzen
manche der Köpfe andere Köpfe wegen der Anordnung der
Wicklungen und der Wicklungstechnik. Daher müssen sich
manche Köpfe axial über eine beträchtliche
Distanz aus dem Rotorkern heraus erstrecken, um einen, zwei oder
mehr zuvor gewickelte Köpfe zu queren. Die Distanz trägt
zu der Motorleistungsfähigkeit nichts bei, aber vergrößert
die axiale Länge des Motors und selbstverständlich
die Gesamtmenge des zur Bildung der Wicklungen verwendeten Drahtes.
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Ein
bekannter Weg zur Verringerung der Kopfhöhe ist in dem
europäischen Patent
EP
109 32 08 von Gate SPA beschrieben und zeigt einen vierpoligen,
zwanzigschlitzigen Motor mit einem als assymetrischem Kern bekannten
Ankerkern. Der assymetrische Kern wurde zur Verringerung der Wicklungskopfhöhe
gebildet, indem ein Wicklungskopfüberlapp verringert oder
beseitigt wurde. Diese Ausgestaltung jedoch ist wegen der komplexen
Schlitzformen schwer erfolgreich zur Produktion zu bringen.
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Ein
anderer Weg ist die Verwendung einer Wicklungstechnik, die bekannt
ist als Bündelwicklung. Eine Bündelwicklung ist
eine Wicklung, die um einen einzelnen Pol gewickelt ist. Auf diese
Weise wird die Kopfhöhe auf einem Minimum gehalten, weil keine
Wicklungen mit Wicklungen eines anderen Poles überlappen.
Für einen Anker jedoch mit vielen Rotorpolen sind Bündelwicklungen
gewöhnlich keine Option, insbesondere für Miniatur-PMDC-Motoren und
PMDC-Motoren mit kleiner Größe.
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Wenn
Rotorpole dadurch hergestellt werden, dass Schlitze in den Rotorkern
gemacht werden, wird die Anzahl der Rotorpole häufig als
Rotorschlitzanzahl bezeichnet oder einfach als die Schlitzanzahl, um
eine Verwechslung mit der Anzahl der Statorpole zu verringern, die
dann einfach als Polanzahl bezeichnet wird. Kommutatorlamellen werden
allgemein als Stäbe bezeichnet. Daher wird ein Motor mit sechs
Statorpolen, neun Rotorpolen und einem Kommutator mit achtzehn Lamellen
als 6-Pol-9-Schlitz-18-Stab-Motor bezeichnet. Diese Konvention wird
dort, wo es angemessen ist, in dieser Beschreibung verwendet. Wenn
die Anzahl von Stäben gleich ist der Anzahl der Schlitze,
ist es üblich, die Anzahl der Stäbe nicht zu erwähnen.
Um eine Verwechslung zwischen Statorpolen und Rotorpolen zu vermeiden,
werden die Ausdrücke Zahn und Zähne mit Bezug
auf die Rotorpole verwendet.
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Darstellung der Erfindung
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Es
besteht somit der Wunsch nach einer Verringerung des Gewichtes und
der Größe eines PMDC-Motors ohne Verringerung
seiner Leistungsfähigkeit oder Kraft. Weiter ist es wünschenswert, dieses
sogar für einen PMDC-Motor mit mehr als vier Statorpolen
zu erreichen. Multipol-Motoren (d. h. Motoren mit mehr als vier
Statorpolen) werden als Lösungsweg zur Handhabung von hohen
Kraftdichteanwendungen immer häufiger verwendet.
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Ein
bevorzugter Weg, dieses zu erreichen, ist die Reduzierung der axialen
Länge des Motors, die kompaktere und leichtere Fertigung
des Motors und die Verringerung der Menge von verwendetem Draht,
wodurch Materialkosten eingespart werden. Ein Weg, dieses durchzuführen,
ist die Verwendung eines Rotors mit gebündelten Wicklungen.
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Die
vorliegende Erfindung hat die Reduktion der mit bekannten Bündelwicklungsmotoren
in Verbindung stehenden Problemen durch Bereitstellen eines einfachen
Wicklungsschemas, das in einem Multipol-PMDC-Motor eine verbesserte
Motorleistungsfähigkeit ergibt, zum Ziel.
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Demgemäß schafft
die vorliegende Erfindung in einem Aspekt davon einen Gleichstrommotor,
umfassend: ein einen Permanentmagnetstator mit 2n Statorpolen beherbergendes
Statorgehäuse; einen drehbar gegenüberliegend
dem Stator befestigten Rotor, wobei der Rotor eine Welle, einen
an der Welle angebrachten Rotorkern, einen benachbart zu einem Ende
des Rotorkerns an der Welle angebrachten Kommutator und um Zähne
des Rotorkerns gewickelte und elektrisch mit Lamellen des Kommutators verbundene
Wicklungen; und einen Bürstenträger, der eine
Mehrzahl von Bürsten in Gleitkontakt mit dem Kommutator
zur Übertragung von elektrischer Kraft auf die Wicklungen
umfasst, wobei der Rotorkern m Rotorzähne hat und die Rotorwicklungen
m Wicklungen haben, wobei jede Wicklung um einen entsprechenden
Rotorzahn gewickelt ist und jeder Rotorzahn eine der Wicklungen
hält und wobei der Kommutator 2m Lamellen hat, wobei jede
Wicklung mit einem entsprechenden Paar von Kommutatorlamellen verbunden
ist und wobei wenigstens eine Lamelle direkt mit nur einer der Wicklungen
verbunden ist, wobei wenigstens eine Lamelle direkt mit zwei der Wicklungen
verbunden ist und wenigstens eine Lamelle direkt mit keiner der
Wicklungen verbunden ist.
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Vorzugsweise
ist jede der Wicklungen mit einem entsprechenden Paar von benachbarten
Kommutatorlamellen verbunden.
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Vorzugsweise
ist die Wicklung derart angeordnet, dass jede Wicklung an einem
Ende mit einer in der gegenüberliegenden Richtung gewickelten Wicklung
verbunden ist.
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Vorzugsweise
sind die beiden Wicklungen, die mit einer gleichen Kommutatorlamelle
direkt verbunden sind, in entgegengesetzte Richtungen gewickelt.
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Vorzugsweise
ist jede Wicklung mit einer weiteren Wicklung, die um einen benachbarten
Zahn gewickelt ist, verbunden.
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Vorzugsweise
sind die beiden mit einer gleichen Kommutatorlamelle direkt verbundenen
Wicklungen jeweils um zwei benachbarte Zähne gewickelt.
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Vorzugsweise
ist m gleich 3n.
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Vorzugsweise
hat der Bürstenträger weniger als n Paare von
Bürsten.
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Vorzugsweise
hat der Rotor eine Mehrzahl von Ausgleichern, die ausgewählte
Lamellen des Kommutators elektrisch miteinander verbinden; die wenigstens
eine mit keiner der Wicklungen direkt verbundene Lamelle ist mit
wenigstens einer der Wicklungen über einen entsprechenden
Ausgleicher verbunden.
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Vorzugsweise
hat der Motor sechs Statorpole, neun Zähne und vier ungleichmäßig
um den Kommutator in Umlaufrichtung beabstandete Bürsten, und
der Kommutator hat achtzehn Lamellen und sechs Ausgleicher, wobei
jeder der Ausgleicher eine entsprechende Gruppe aus vier der Lamellen
elektrisch miteinander verbindet, wobei die vier Lamellen gleichmäßig
in Umlaufrichtung um den Kommutator beabstandet sind.
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Alternativ
hat der Bürstenträger vier oder sechs Bürsten,
der Rotor hat zwölf Zähne und der Stator hat acht
Statorpole, wobei die Bürsten ungleichmäßig
um den Kommutator beabstandet sind, und der Kommutator hat Lamellen
und sechs Ausgleicher, wobei jeder Ausgleicher eine entsprechende
Gruppe aus vier der Lamellen elektrisch miteinander verbindet, wobei
die vier Lamellen gleichmäßig in Umlaufrichtung
um den Kommutator beabstandet sind.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung weiter ein Kühlgebläsemodul für
einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeuges, umfassend: ein Gebläse;
ein Gehäuse; und einen Gleichstrom-Motor, wie oben beschrieben,
wobei das Gebläse durch den Motor angetrieben wird und
der Motor durch das Gehäuse gehalten wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden exemplarisch
mit Bezug auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In den Figuren sind identische Strukturen, Elemente oder Teile,
die in mehr als einer Figur erscheinen, im allgemeinen mit einem
gleichen Bezugszeichen in all den Figuren, in denen sie erscheinen,
gekennzeichnet. Abmessungen von Bauteilen und Merkmalen, die in
den Figuren gezeigt sind, sind im allgemeinen zur Übersichtlichkeit
der Darstellung gewählt und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
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1 zeigt
ein Kühlgebläsemodul für einen Kühler
eines Autos, das einen Motor gemäß der vorliegenden
Erfindung einschließt;
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2 ist
eine Explosionsansicht des Motors des Kühlgebläsemoduls
von 1;
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3 ist
ein schematischer Querschnitt eines 6-Pol-9-Schlitz-18-Stab-Motors
gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
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4 ist
ein Wicklungsschema des Motors aus 3;
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5 ist
ein Querschnitt, ähnlich zu 3, eines
8-Pol-12-Schlitz-24-Stab-Motors gemäß einer zweiten
bevorzugten Ausführungsform; und
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6 ist
ein Wicklungsschema des Motors von 5.
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Detailbeschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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1 zeigt
ein Kühlgebläsemodul 10, wie es beispielsweise
zur Kühlung eines Kühlers eines Fahrzeuges verwendet
wird. Das Modul hat ein eine Gebläsehaube bildendes Gehäuse 11,
das zum Zusammenpassen mit dem Kühler oder dergleichen ausgelegt
ist. Das Gehäuse hält einen elektrischen Motor 12 zum
Antreiben eines Gebläses 13 zum Erzeugen des Durchflusses
von Kühlluft.
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2 ist
eine Explosionsansicht des Motors 12. Der Motor hat eine
erste Endkappe 14, einen Rotor 15, ein Statorgehäuse 16,
einen Bürstenträger in der Form einer Bürsten 26 tragenden
Bürstenkarte 17 und eine zweite Endkappe 18,
die Befestigungsvorsprünge 19 zum Befestigen des
Motors an dem Modulgehäuse hat. Das Statorgehäuse 16 trägt
einen Permanentmagnetstator, der in diesem Fall sechs Permanentmagnete 20 aufweist.
Das Statorgehäuse hat offene Enden, die durch zwei Endkappen 14, 18 geschlossen
sind. Der Rotor 15 hat eine Welle 21, einen an
der Welle 21 befestigten Kern 22, einen an der
zu einem Ende des Kerns benachbarten Welle befestigten Kommutator 23 und
Wicklungen 24, die um Zähne (vorspringende Rotorpole)
des Kerns gewickelt und an dem Kommutator angeschlossen sind. Der
Rotor 15 ist in dem Gehäuse befestigt, wobei der
Kern dem Stator gegenüber liegt und die Welle 21 drehbar
in durch die Endkappen 14, 18 gehaltene Lagern 25 gehalten
wird.
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Die
Welle 21 erstreckt sich durch die erste Endkappe 14 zum
Erfassen des Gebläses. Die Bürstenkarte 17 ist
benachbart zu der zweiten Endkappe 18 angeordnet und wird
vorzugsweise durch diese gehalten. Die Bürstenkarte 17 hält
gleitbar in Bürstenkäfigen aufgenommene Bürsten
zum Herstellen eines Gleitkontaktes mit dem Kommutator 23.
In diesem Beispiel gibt es sechs Permanentmagneten zur Bereitstellung
von sechs Statorpolen und vier Bürsten in Eingriff mit
dem Kommutator an in Umlaufrichtung beabstandenden Stellen.
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Rotorwicklungen
sind in 2 durch die Masse 24 an
dem Kern 22 gezeigt. In der Praxis werden die Wicklungen,
die Wicklungen eines Drahtes sind, um individuelle Zähne
des Kerns gewickelt, eine Wicklung pro Zahn. Jede Wicklung hat zwei
axiale Bereiche und zwei Querbereiche. Die axialen Bereiche erstrecken
sich axial durch den Rotor. Die Querbereiche erstrecken sich in
einer Richtung quer zu der Achse des Rotors und verbinden lediglich
die axialen Bereiche. Die Querbereiche sind auch als die Wicklungsköpfe
bekannt.
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Wie
in 3 gezeigt, weist der Stator das Statorgehäuse 16 und
sechs die Statorpole bildende Magnete 20 auf. Der Rotor 15 weist
auf: einen Rotorkern 22, der neun T-förmige Zähne 27 hat,
Rotorwicklungen 24, die an jedem Zahn gewickelt sind, und
einen 18-Lamellen-Kommutator 23.
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Der
Rotorkern 22 wird durch Zusammenstapeln einer Anzahl von
Ankerkernen gebildet, die aus Metallblechmaterial wie Baustahl oder
Siliciumstahl ausgestanzt sind. Eine isolierende Schicht, bekannt als
Spinne, die nicht gezeigt ist, ist an beiden axialen Enden des Stapels
von Ankerkernen zum Abschirmen der Wicklungen von jeglichen scharfen
Kanten des Rotorkerns angeordnet. Jede Spinne ist aus einem elektrisch
isolierenden Material gefertigt und ist vorzugsweise ein spritzgegossenes
Kunststoffteil. Eine Alternative zu der Spinne ist eine Epoxy-Beschichtung,
die vor Wicklung der Wicklungen auf den Kern aufgebracht wird. Die
Epoxy-Beschichtung ist jedoch teurer und zeitaufwändiger
in ihrer Aufbringung.
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Jeder
Zahn 27 ist identisch und hat eine Fläche, die
dem Stator über eine Luftlücke hinweg gegenüber
liegt. Jeder Zahn 27 hat zwei Nuten 28, die sich
axial entlang der Fläche des Zahnes erstrecken. Jedes Paar
von Nuten 28 ist in Umlaufrichtung von der Mittellinie
des Zahnes gleichmäßig beabstandet.
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4 ist
ein weiter entwickeltes Wicklungsdiagramm des Motors von 3,
wobei die Bauteile des Rotors linear ausgebreitet sind. Die Zähne,
Kommutatorlamellen, Bürsten und die Wicklungen sind schematisch
gezeigt. Die Zähne T1 bis T9 sind entlang der oberen Reihe
flach ausgelegt. Die Kommutatorlamellen C1 bis C18 sind entlang
der zweiten Reihe flach ausgelegt. Kommutatorlamellen C1 bis C3
werden an den Enden der Reihe zur Vereinfachung der Zeichnung der
Wicklungen wiederholt. Jeder Zahn hat eine Einzelwicklung. Die Wicklungen sind
durch Linien W1 bis W9 dargestellt. Bürsten B1 bis B4 sind
zwischen den Kommutatorlamellen an dicht beabstandeten Stellen gezeigt.
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Das
Wicklungsverfahren wird im Folgenden beschrieben. Eine Wicklung
wird durch Verbindung eines Endes des Ankers mit der Kommutatorlamelle, beispielsweise
C1, gestartet. Der Draht wird dann um den Zahn T1 in Uhrzeigerrichtung
(englisch: clockwise, CW) gewickelt und an die Kommutatorlamelle
C2 angeschlossen, wobei die Wicklung W1 gebildet wird. Der Draht
wird dann mit der Lamelle C3 verbunden und zum Bilden der Wicklung
W2 in Uhrzeigerrichtung um den Zahn T2 gewickelt und an der Lamelle
C4 angeschlossen. Der Draht wird dann mit der Lamelle C5 verbunden,
in Umlaufrichtung zum Bilden der Wicklung W3 um den Zahn T3 gewickelt
und an die Lamelle C6 angeschlossen. Der Draht wird dann mit der
Lamelle C10 verbunden, entgegen dem Uhrzeigersinn (englisch: counter-clockwise,
CCW) zum Bilden der Wicklung W4 um den Zahn T4 gewickelt und an
die Lamelle C11 angeschlossen. Der Draht wird dann mit der Lamelle
C12 verbunden, gegen den Uhrzeigersinn um den Zahn T5 zum Bilden
der Wicklung W5 gewickelt, mit der Lamelle C13 verbunden, im Uhrzeigersinn
zum Bilden der Wicklung W7 um den Zahn T7 gewickelt, mit der Lamelle
C14 verbunden, gegen den Uhrzeigersinn um den Zahn T6 zum Bilden
der Wicklung W6 gewickelt, mit der Lamelle C15 verbunden, im Uhrzeigersinn
um den Zahn T8 zum Bilden der Wicklung W8 gewickelt und an der Lamelle
C16 angeschlossen. Der Draht wird dann mit der Lamelle C17 verbunden,
im Uhrzeigersinn um den Zahn T9 zum Bilden der Wicklung W9 gewickelt und
an die Lamelle C18 angeschlossen.
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Wie
in 4 gezeigt, sind alle Wicklungen jeweils mit zwei
benachbarten Lamellen verbunden. Sechs der Wicklungen sind in einer
Vorwärtsrichtung gewickelt, während drei der Wicklungen
in der entgegengesetzten Richtung gewickelt sind. Eine der entgegengesetzt
gewickelten Wicklungen W6 ist zwischen zwei benachbarten Lamellen
C14, C15 verbunden, die mit vorwärtsgewickelten Wicklungen W7,
W8 verbunden sind, und eine der vorwärts gewickelten Wicklungen
W7 ist zwischen zwei benachbarten Lamellen C13, C14 verbunden, die
mit entgegengesetzt gewickelten Wicklungen W5, W6 verbunden sind.
Anders ausgedrückt ist die Lamelle C13 sowie die Lamelle
C14 direkt mit zwei Wicklungen verbunden. Die beiden direkt mit
der Lamelle C13 verbundenen Wicklungen sind jeweils im Uhrzeigersinn bzw.
gegen den Uhrzeigersinn gewickelt. Die beiden direkt mit Lamelle
C14 verbundenen Wicklungen sind jeweils im Uhrzeigersinn bzw. gegen
den Uhrzeigersinn gewickelt.
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Die
Bürsten B1 bis B4 sind nicht gleichmäßig um
den Kommutator beabstandet. Für einen 6-Pol-Motor würde
man sechs Bürsten erwarten, d. h. drei Paare. Dies ist
jedoch teuer und die vorliegende Ausführungsform verwendet
vier Bürsten, d. h. zwei Bürstenpaare. Als solche
sind die Bürsten in diametrisch gegenüberliegenden
Paaren beabstandet, wobei die Paare so beabstandet sind, als ob
drei Bürstenpaare vorhanden seien und dann ein Bürstenpaar entfernt
wurde, d. h. ein Paar, B1 und B3, ist von dem zweiten Paar, B2 und
B4, durch 60° beabstandet. D. h. B1 ist 60° von
B2 beabstandet, das 120° von B3 beabstandet ist, das 60° von
B4 beabstandet ist, das 120° von B1 beabstandet ist. Die
Bürsten B1 und B4 haben die gleiche Polarität
und sind elektrisch miteinander verbunden und können beispielsweise
die positiven Bürsten sein. Ähnlich haben die
Bürsten B2 und B3 die gleiche Polarität und sind
elektrisch miteinander verbunden und können beispielsweise
die negativen Bürsten sein.
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Zum
Ausgleichen des Verlustes des dritten Bürstenpaares werden
sechs Ausgleicher E1 bis E6 verwendet. Jeder Ausgleicher verbindet
elektrisch drei gleichmäßig beabstandete Kommutatorlamellen miteinander,
wobei dem Motor erlaubt wird, zu arbeiten, als ob er drei Bürstenpaare
hätte. Jede der Lamellen, einschließlich der Lamellen
C7, C8 oder C9, die nicht direkt mit einer der Wicklungen verbunden sind,
ist mit einem Ausgleicher verbunden, wobei die Lamellen C7, C8 und
C9 indirekt mit Wicklungen über die Ausgleicher verbunden
sind. In der vorliegenden Ausführungsform sind drei Lamellen
C1, C7 und C13 mit Ausgleicher E1 verbunden und drei Wicklungen W1,
W5 und W7 sind mit drei Lamellen verbunden. Drei Lamellen C2, C8
und C14 sind mit Ausgleicher E2 verbunden und drei Wicklungen W1,
W6 und W7 sind mit den drei Lamellen verbunden usw. In der vorliegenden
Ausführungsform ist die Anzahl von Lamellen, die mit dem
gleichen Ausgleicher verbunden ist, drei, was gleich ist zu der
Anzahl der Wicklungen, die mit den Lamellen verbunden sind.
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Obwohl
theoretisch ein Einzelpaar von Bürsten verwendet werden
könnte, verringert die Verwendung von zwei Bürstenpaaren
den maximalen durch jede Bürste fließenden Strom,
was die Verwendung von Bürsten mit kleineren Querschnittsflächen
erlaubt oder einfach die Stromdichte in den Bürsten verringert.
Die Ausgleicher können extern sein, aber sie sind vorzugsweise
in dem Körper des Kommutators angeordnet.
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5 und 6 zeigen
eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Motor ist ein 8-Pol(8 Stator-Pole)-12-Schlitz(12 Rotor-Pole)-24-Stab(24
Kommutatorlamellen)-PMDC-Motor. Bei einem 8-Pol-Motor würde
man acht Bürsten erwarten, d. h. vier Paare. Diese Ausführungsform
jedoch verwendet vier Bürsten, d. h. zwei Bürstenpaare.
Die Bürsten sind in Umlaufrichtung um den Kommutator beabstandet
und die diagonal gegenüberliegenden Bürsten sind
elektrisch miteinander verbunden. Die Beabstandung der Bürsten
ist so als gäbe es vier Paare diagonal gegenüberliegender
Bürsten, die gleichmäßig um den Kommutator
beabstandet sind und als wären dann zwei der Bürstenpaare
entfernt worden. Daher können die übrigbleibenden Bürstenpaare,
wie in 6 schematisch gezeigt, mit 45° beabstandet
sein. Die diagonal gegenüberliegenden Bürsten
sind elektrisch miteinander verbunden, d. h. Bürsten B1
und B3 haben dieselbe Polarität und sind beispielsweise
die positiven Bürsten und Bürsten B2 und B4 sind
elektrisch miteinander verbunden und sind beispielsweise die negativen
Bürsten.
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Der
Stator weist ein Statorgehäuse und acht Magnetpole auf.
Der Rotor weist einen Rotorkern auf, der zwölf Zähne,
zwölf Wicklungen und einen Kommutator mit 24 Lamellen hat.
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6 ist
ein weiterentwickeltes Wicklungsdiagramm des Ankers von 5, ähnlich
zu dem von 4. Die Zähne, Kommutatorlamellen,
Bürsten und die Wicklungen sind schematisch gezeigt. Die
Zähne T1 bis T12 sind entlang der obersten Reihe flach
ausgelegt. Die Kommutatorlamellen C1 bis C24 sind entlang der zweiten
Reihe flach ausgelegt. Kommutatorlamellen C23 und C24 werden an
dem Beginn der Reihe zur Vereinfachung der Zeichnungen der Wicklungen
wiederholt. Die Wicklungen werden durch Linien W1 bis W12 dargestellt.
Jeder Zahn hat eine Einzelwicklung und jede Wicklung ist um einen
einzelnen Zahn gewickelt. Bürsten B1 bis B4 sind neben den
Kommutatorlamellen an nah beabstandeten Stellen gezeigt.
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Das
Wicklungsverfahren wird im Folgenden beschrieben. Eine Wicklung
wird durch Verbinden eines Endes des Ankersdrahts mit einer Kommutatorlamelle,
beispielsweise C24, gestartet. Der Draht wird dann um den Zahn T2
entgegen dem Uhrzeigersinn zum Bilden der Wicklung W2 gewickelt,
mit der Lamelle C1 verbunden, dann um den Zahn T1 im Uhrzeigersinn
zum Bilden der Wicklung W1 gewickelt und dann an die Lamelle C2
angeschlossen. Der Draht wird dann mit der Lamelle C4 verbunden,
um den Zahn T4 entgegen dem Uhrzeigersinn zum Bilden der Wicklung
W4 gewickelt, mit der Lamelle C5 verbunden, dann um den Zahn T3
im Uhrzeigersinn zum Bilden der Wicklung W3 gewickelt und an die
Lamelle C6 angeschlossen. Der Draht wird dann mit der Lamelle C8
verbunden, um den Zahn T6 entgegen dem Uhrzeigersinn zum Bilden
der Wicklung W6 gewickelt, mit der Lamelle C9 verbunden, dann um
den Zahn T5 im Uhrzeigersinn zum Bilden der Wicklung W5 gewickelt
und an die Lamelle C10 angeschlossen. Der Draht wird dann mit der
Lamelle C12 verbunden, um den Zahn T8 entgegen dem Uhrzeigersinn
zum Bilden der Wicklung W8 gewickelt, mit der Lamelle C13 verbunden,
dann um den Zahn T4 in Uhrzeigerrichtung zum Bilden der Wicklung
W7 gewickelt und dann an die Lamelle C14 angeschlossen. Der Draht
wird dann mit der Lamelle C16 verbunden, um den Zahn T10 entgegen
dem Uhrzeigersinn zum Bilden der Wicklung W10 gewickelt, mit der
Lamelle C17 verbunden, dann um den Zahn T9 im Uhrzeigersinn zum
Bilden der Wicklung W9 gewickelt und an die Lamelle C18 angeschlossen.
Der Draht wird dann mit der Lamelle C20 verbunden, um den Zahn T12 entgegen
dem Uhrzeigersinn zum Bilden der Wicklung W12 gewickelt, mit der
Lamelle C21 verbunden, dann um den Zahn T11 im Uhrzeigersinn zum
Bilden der Wicklung W11 gewickelt und an die Lamelle C22 angeschlossen.
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Zum
Ausgleich des Verlustes des dritten und vierten Bürstenpaares
gibt es sechs Ausgleicher E1 bis E6, wobei jeder vier Kommutatorlamellen
miteinander verbindet. Daher ist jede Lamelle elektrisch mit einer
anderen um 90° beabstandeten Lamelle verbunden, wobei dem
Motor erlaubt wird, zu arbeiten, als ob er vier Bürstenpaare
habe. Beispielsweise sind die Lamellen C1, C7, C13 und C19 über
Ausgleicher E1 elektrisch miteinander verbunden und Wicklungen W1,
W2, W7 und W8 sind mit vier Lamellen elektrisch verbunden usw.
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Mit
zwei Bürstenpaaren stellen die Ausgleicher den Lamellen,
die in Kontakt mit den fehlenden Bürsten sein sollten,
Energie zur Verfügung und erlauben so dem Motor, zu arbeiten,
als ob er vier Bürstenpaare habe. Daher sind die Bürstenpaare
elektrisch parallel verbunden, um die Ladung zu teilen, und die
Ausgleicher verhindern, dass Probleme aufgrund zwischen den Bürsten
fließendem Strom auftreten. Die Verwendung von Ausgleichern
erlaubt dem Motor, ein, zwei oder drei Bürstenpaare zu
verwenden, obwohl zwei Paare bevorzugt sind.
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Wie
in 6 zu sehen, sind die Wicklungen als sequenzielle
Paare gewickelt, die mit sequenziellen Lamellen des Kommutators
verbunden sind. Eine Wicklung jedes Paares ist im Uhrzeigersinn
gewickelt, während die andere Wicklung des Paares gegen
den Uhrzeigersinn gewickelt ist. Auch sind die Lamellen, mit denen
die Wicklung jedes Wicklungspaares verbunden sind, physikalisch
sequenziell gegenüberliegend. Die Wicklungspaare sind mit
drei sequenziellen Lamellen verbunden und die linke Wicklung der
Wicklungspaare ist mit den Lamellen auf der rechten Seiten der benachbarten
Lamellen verbunden, mit welchen die Wicklungen verbunden sind.
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Der
Betrieb des Motors wird im Folgenden beschrieben. Wenn die Motoranschlüsse
mit Energie versorgt werden, fließt Strom durch ausgewählte Wicklungen,
weil die Bürsten ausgewählte Lamellen kontaktieren.
Der Strom fließt durch eine Bürste, durch eine
Lamelle und dann durch verschiedene Wicklungen zum Bilden der Magnetkraft,
die zum Antreiben des Rotors in Verbindung mit dem Magneten des
Stators benötigt wird. Während die Energie von den
positiven Bürsten zu den negativen Bürsten fließt,
werden manche Zähne (Rotorpole) zu Nordpolen und manche
Zähne (Rotorpole) zu Südpolen, die mit den Statorpolen
zum Antreiben des Rotors reagieren.
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Nimmt
man die erste Ausführungsform von 3 und 4 als
erstes Beispiel und nimmt an, dass die Bürsten B1 und B4
die positiven Bürsten sind, wobei die Bürste B1
die Lamelle C1 kontaktiert und die Bürste B4 die Lamelle
C13 kontaktiert, und dass die Bürsten B2 und B3 die negativen
Bürsten sind, wobei die Bürste B2 die Lamelle
C4 kontaktiert und die Bürste B3 die Lamelle C10 kontaktiert,
werden die Stromwege und das resultierende magnetische Feld im Folgenden
beschrieben.
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Der
Strom fließt durch die positiven Bürsten B1, B4
durch die Lamellen C1, C7, C13 in zwei parallele Pfade, einer durch
die Wicklungen W1/W7 (W1 und W7 sind durch Ausgleicher E1, E2 parallel
miteinander verbunden), W6, W2/W8 (W2 und W8 sind durch Ausgleicher
E3, E4 parallel miteinander verbunden), der andere durch die Wicklungen
W5, W3/W9 (W3 und W9 sind durch Ausgleicher E5, E6 parallel miteinander
verbunden), W4 und durch die Lamellen C4, C10, C16 zu negativen
Bürsten B2, B3.
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Dies
erzeugt die folgenden Magnetpole an dem Rotor. Die Zähne
T3, T6, T9 werden zu Nordpolen und die Zähne T1, T2, T4,
T5, T7 und T8 werden zu Südpolen, die mit den Statorpolen
reagieren, um so den Rotor gegen den Uhrzeigersinn zum Drehen zu
bringen.
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Wenn
der Rotor sich dreht, bewegen sich die Bürsten über
den Kommutator, kommen in Kontakt mit aufeinander folgenden Lamellen
und erzeugen den darauf folgenden Wechsel des Magnetfeldes des Rotors.
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Wenn
die Bürste B1 die Lamellen C1, C2 kontaktiert, die Bürste
B4 die Lamellen C13, C14 kontaktiert, die Bürste B2 die
Lamellen C4, C5 kontaktiert und die Bürste B3 die Lamellen
C11, C12 kontaktiert, werden die Zähne T3, T6, T9 zu Nordpolen und
die Zähne T2, T5, T8 werden zu Südpolen, die mit
den Statorpolen reagieren, um weiterhin den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
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Wenn
die Bürste B1 die Lamelle C2 kontaktiert, die Bürste
B4 die Lamelle C14 kontaktiert, die Bürste B2 die Lamelle
C5 kontaktiert und die Bürste B3 die Lamelle C11 kontaktiert,
werden die Zähne T1, T3, T4, T6, T7, T9 zu Nordpolen und
die Zähne T2, T5, T8 werden zu Südpolen, die mit
den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
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Wenn
die Bürste B1 die Lamellen C2, C3 kontaktiert, die Bürste
B4 die Lamellen C14, C15 kontaktiert, die Bürste B2 die
Lamellen C5, C6 kontaktiert und die Bürste B3 die Lamellen
C11, C12 kontaktiert, werden die Zähne T1, T4, T7 zu Nordpolen und
die Zähne T2, T5, T8 werden zu Südpolen, die mit
den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
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Wenn
die Bürste B1 die Lamelle C3 kontaktiert, die Bürste
B4 die Lamelle C15 kontaktiert, die Bürste B2 die Lamelle
C6 kontaktiert und die Bürste B3 die Lamelle C12 kontaktiert,
werden die Zähne T1, T4, T7 zu Nordpolen und die Zähne
T2, T3, T5, T6, T8, T9 werden zu Südpolen, die mit den
Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamellen C3, C4 kontaktiert, die Bürste
B4 die Lamellen C15, C16 kontaktiert, die Bürste B2 die
Lamellen C6, C7 kontaktiert und die Bürste B3 die Lamellen
C12, C13 kontaktiert, werden die Zähne T1, T4, T7 zu Nordpolen
und die Zähne T3, T6, T9 werden zu Südpolen, die
mit den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamelle C4 kontaktiert, die Bürste
B4 die Lamelle C16 kontaktiert, die Bürste B2 die Lamelle
C7 kontaktiert und die Bürste B3 die Lamelle C13 kontaktiert,
werden die Zähne T1, T2, T4, T5, T7, T8 zu Nordpolen und
die Zähne T3, T6, T7 werden zu Südpolen, die mit
den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamellen C4, C5 kontaktiert und die Bürste
B4 die Lamellen C16, C17 kontaktiert, die Bürste B2 die
Lamellen C7, C8 kontaktiert und die Bürste B3 die Lamellen
C13, C14 kontaktiert, werden die Zähne T2, T5, T8 zu Nordpolen
und die Zähne T3, T6, T9 werden zu Südpolen, die
mit den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamelle C5 kontaktiert, die Bürste
B4 die Lamelle C17 kontaktiert, die Bürste B2 die Lamelle
C8 kontaktiert und die Bürste B3 die Lamelle C14 kontaktiert,
werden die Zähne T2, T5, T8 zu Nordpolen und die Zähne
T1, T3, T4, T6, T7, T9 werden zu Südpolen, die mit den
Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamellen C5, C6 kontaktiert, die Bürste
B4 die Lamellen C17, C18 kontaktiert, die Bürste B2 die
Lamellen C8, C9 kontaktiert und die Bürste B3 die Lamellen
C14, C15 kontaktiert, werden die Zähne T2, T5, T8 zu Nordpolen
und die Zähne T1, T4, T7 werden zu Südpolen, die
mit den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamelle C6 kontaktiert, die Bürste
B4 die Lamelle C18 kontaktiert, die Bürste B2 die Lamelle
C9 kontaktiert und die Bürste B3 die Lamelle C15 kontaktiert,
werden die Zähne T2, T3, T5, T6, T8, T9 zu Nordpolen und
die Zähne T1, T4, T7 werden zu Südpolen, die mit
den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamellen C6, C7 kontaktiert, die Bürste
B4 die Lamellen C18, C1 kontaktiert, die Bürste B2 die
Lamellen C9, C10 kontaktiert und die Bürste B3 die Lamellen
C15, C16 kontaktiert, werden die Zähne T3, T6, T9 zu Nordpolen und
die Zähne T1, T4, T7 werden zu Südpolen, die mit
den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
zum Drehen anzutreiben.
-
Wenn
der Rotor sich weiter bewegt, kontaktiert die Bürste B1
die Lamelle C7, die Bürste B4 kontaktiert die Lamelle C1,
die Bürste B2 kontaktiert die Lamelle C10 und die Bürste
B3 kontaktiert die Lamelle C16 und der Kreislaufwiederholt sich
aufgrund der Ausgleicher.
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Betrachtet
man nun die zweite Ausführungsform von 5 und 6 als
zweites Beispiel und nimmt an, dass die Bürsten B1 und
B3 die positiven Bürsten sind, wobei die Bürste
B1 die Lamelle C1 kontaktiert und die Bürste B3 die Lamelle
C13 kontaktiert, und die Bürsten B2 und B4 die negativen Bürsten
sind, wobei die Bürste B2 die Lamelle C4 kontaktiert und
die Bürste B4 die Lamelle C16 kontaktiert, werden im Folgenden
die Stromwege und die resultierenden magnetischen Felder beschrieben.
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Der
Strom fließt durch die positiven Bürsten B1, B3
durch die Lamellen C1, C7, C13, C19 in vier parallele Pfade, einer
durch die Wicklungen W1, W6, W5, ein anderer durch die Wicklungen
W7, W12, W11, ein dritter durch die Wicklungen W2, W7, W10 und der
vierte durch die Wicklungen W8, W3, W4, und durch die Lamellen C4,
C10, C16, C22 zu den negativen Bürsten B2, B4.
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Dieses
erzeugt die nachfolgenden Magnetpole an dem Rotor. Die Zähne
T3, T6, T9 und T12 werden zu Nordpolen und die Zähne T1,
T2, T4, T5, T7, T8, T10 und T11 werden zu Südpolen, die
mit den Statorpolen reagieren, um zu bewirken, dass der Rotor sich
entgegen dem Uhrzeigersinn dreht.
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Wenn
der Rotor dreht, bewegen sich die Bürsten über
den Kommutator dreht, schließen Kontakt mit aufeinander
folgenden Lamellen und erzeugen den folgenden Wechsel in dem magnetischen Feld
des Rotors.
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Wenn
die Bürste B1 die Lamellen C1, C2 kontaktiert, die Bürste
B3 die Lamellen C13, C14 kontaktiert, die Bürste B2 die
Lamellen C4, C5 kontaktiert und die Bürste B4 die Lamellen
C16, C17 kontaktiert, werden die Zähne T3, T6, T9, T12
zu Nordpolen und die Zähne T2, T5, T8, T11 werden zu Südpolen,
die mit den Statorpolen reagieren, um damit fortzufahren, den Rotor
entgegen dem Uhrzeigersinn anzutreiben.
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Wenn
die Bürste B1 die Lamelle C2 kontaktiert, die Bürste
B3 die Lamelle C14 kontaktiert, die Bürste B2 die Lamelle
C5 kontaktiert und die Bürste B4 die Lamelle C17 kontaktiert,
werden die Zähne T1, T3, T4, T6, T7, T9, T10, T12 zu Nordpolen
und die Zähne T2, T5, T8, T11 werden zu Südpolen,
die mit den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamellen C2, C3 kontaktiert, die Bürste
B3 die Lamellen C14, C15 kontaktiert, die Bürste B2 die
Lamellen C5, C6 kontaktiert und die Bürste B4 die Lamellen
C17, C18 kontaktiert, werden die Zähne T1, T4, T7, T10
zu Nordpolen und die Zähne T2, T5, T8, T11 werden zu Südpolen,
die mit den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamelle C3 kontaktiert, die Bürste
B3 die Lamelle C15 kontaktiert, die Bürste B2 die Lamelle
C6 kontaktiert und die Bürste B4 die Lamelle C18 kontaktiert,
werden die Zähne T1, T4, T7, T10 zu Nordpolen und die Zähne
T2, T3, T5, T6, T8, T9, T11, T12 werden zu Südpolen, die
mit den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamellen C3, C4 kontaktiert, die Bürste
B3 die Lamellen C15, C16 kontaktiert, die Bürste B2 die
Lamellen C6, C7 kontaktiert und die Bürste B4 die Lamellen
C18, C19 kontaktiert, werden die Zähne T1, T4, T7, T10
zu Nordpolen und die Zähne T3, T6, T9, T12 werden zu Südpolen,
die mit den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamelle C4 kontaktiert, die Bürste
B3 die Lamelle C16 kontaktiert, die Bürste B2 die Lamelle
C7 kontaktiert und die Bürste B4 die Lamelle C19 kontaktiert,
werden die Zähne T1, T2, T4, T5, T7, T8, T10, T11 zu Nordpolen
und die Zähne T3, T6, T9, T12 werden zu Südpolen,
die mit den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamellen C4, C5 kontaktiert, die Bürste
B3 die Lamellen C16, C17 kontaktiert, die Bürste B2 die
Lamellen C7, C8 kontaktiert und die Bürste B4 die Lamellen
C19, C20 kontaktiert, werden die Zähne T2, T5, T8, T11
zu Nordpolen und die Zähne T3, T6, T9, T12 werden zu Südpolen,
die mit den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamelle C5 kontaktiert, die Bürste
B3 die Lamelle C17 kontaktiert, die Bürste B2 die Lamelle
C8 kontaktiert und die Bürste B4 die Lamelle C20 kontaktiert,
werden die Zähne T2, T5, T8, T11 zu Nordpolen und die Zähne
T1, T3, T4, T6, T7, T9, T10, T12 zu Südpolen, die mit den Statorpolen
reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamellen C5, C6 kontaktiert, die Bürste
B3 die Lamellen C17, C18 kontaktiert, die Bürste B2 die
Lamellen C8, C9 kontaktiert und die Bürste B4 die Lamellen
C20, C21 kontaktiert, werden die Zähne T2, T5, T8, T11
zu Nordpolen und die Zähne T1, T4, T7, T10 werden zu Südpolen,
die mit den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamelle C6 kontaktiert, die Bürste
B3 die Lamelle C18 kontaktiert, die Bürste B2 die Lamelle
C9 kontaktiert und die Bürste B4 die Lamelle C21 kontaktiert,
werden die Zähne T2, T3, T5, T6, T8, T9, T11, T12 zu Nordpolen
und die Zähne T1, T4, T7, T10 werden zu Südpolen,
die mit den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
-
Wenn
die Bürste B1 die Lamellen C6, C7 kontaktiert, die Bürste
B3 die Lamellen C18, C19 kontaktiert, die Bürste B2 die
Lamellen C9, C10 kontaktiert und die Bürste B4 die Lamellen
C21, C22 kontaktiert, werden die Zähne T3, T6, T9, T12
zu Nordpolen und die Zähne T1, T4, T7, T10 werden zu Südpolen,
die mit den Statorpolen reagieren, um den Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
anzutreiben.
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Wenn
der Rotor fortfährt, sich zu bewegen, kontaktiert die Bürste
B1 die Lamelle C7, die Bürste B3 kontaktiert die Lamelle
C19, die Bürste B2 kontaktiert die Lamelle C10 und die
Bürste B4 kontaktiert die Lamelle C22 und der Kreislauf
wiederholt sich aufgrund der Ausgleicher.
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Mit
dieser einzigartigen und neuen Wicklungsgestaltung wird das Kupfergewicht
verringert, die Effizienz wird verbessert oder das Stahlgewicht kann
bei gleicher Leistungsfähigkeit weiter verringert werden,
die axiale Länge des Ankers und des Motors werden verringert
und die Gesamtmotorkosten werden minimiert.
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Bestimmte
Ausführungsformen dieser Erfindung sind insbesondere geeignet
zum Gebrauch als Motoren zum Antreiben des Gebläses eines
Kühlgebläsemoduls, das in Fahrzeugen zum Kühlen
des Radiators und/oder des Kondensators einer Klimaanlageneinheit
verwendet wird.
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In
der Beschreibung und den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung
werden die Verben „aufweisen”, „umfassen” und „haben” und
ihre Abwandlungen verwendet, um anzuzeigen, dass ein Objekt oder
Objekte des Verbes nicht notwendigerweise eine vollständige
Auflistung von Elementen, Bauteilen, Bestandteilen und Teilen der
Bedeutung oder Bedeutungen des Verbes sind.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben ist, ist es für den Fachmann offensichtlich,
dass verschiedene Modifikationen möglich sind. Daher wird
der Rahmen der Erfindung nur durch Bezug auf die nachfolgenden Ansprüche
bestimmt.
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Beispielsweise
kann die Erfindung, obwohl die Motoren der bevorzugten Ausführungsformen Bürstenträger
mit nur vier Bürsten und der Verwendung von Ausgleichern
zeigen, ohne die Verwendung von Ausgleichern und mit der gleichen
Anzahl von Bürsten wie vorhandenen Statorpolen eingesetzt werden.
In diesem Fall wären die Bürsten gleichmäßig
um den Kommutator in Umlaufrichtung beabstandet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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Zitierte Patentliteratur
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