DE102011081035A1

DE102011081035A1 - Electric machine

Info

Publication number: DE102011081035A1
Application number: DE201110081035
Authority: DE
Inventors: Gerald Roos
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2011-08-16
Publication date: 2013-02-21
Also published as: WO2013023819A2; KR101846815B1; CN104115381A; KR20140053327A; WO2013023819A3; CN104115381B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine bürstenkommutierte elektrische Maschine (1), umfassend: – einen Läufer (6) mit einer Anzahl von Läuferzähnen (8); – Läuferspulen (10), die jeweils einen oder mehrere der Läuferzähne (8) umschließen; – eine Statoranordnung mit Statorpolen, die mindestens einen mit einem Permanentmagneten (3) gebildeten Permanentmagnet-Statorpol (4) und mindestens einen nicht mit einem Permanentmagneten versehenen Folgepol (5) aufweisen, die in einer Folgepolanordnung angeordnet sind; – einen Kommutator mit mindestens einem Bürstenpaar, um eine Läuferspulengruppe von miteinander verschalteten Läuferspulen zu kontaktieren, wobei jeweils die gesamte Induktivität der verschalteten Läuferspulen (10) einer der Läuferspulengruppe an einer ersten und an einer zweiten Stellung des Läufers (6) bezüglich der Statoranordnung gleich ist.The invention relates to a brush-commutated electric machine (1), comprising: - a rotor (6) with a number of rotor teeth (8); - Rotor coils (10), each enclosing one or more of the rotor teeth (8); A stator arrangement with stator poles which have at least one permanent magnet stator pole (4) formed with a permanent magnet (3) and at least one follower pole (5) not provided with a permanent magnet, which are arranged in a follower pole arrangement; A commutator having at least one pair of brushes for contacting a armature coil group of interconnected armature coils, the total inductance of the interconnected armature coils (10) of one of the armature coil groups at first and second positions of the armature (6) being equal with respect to the stator assembly ,

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft bürstenkommutierte elektrische Maschinen, bei denen der Stator eine Folgepolanordnung aufweist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Wicklungsschema für einen Läufer einer solchen elektrischen Maschine.The invention relates to brush-commutated electrical machines in which the stator has a follower pole arrangement. In particular, the present invention relates to a winding scheme for a rotor of such an electric machine.

Stand der TechnikState of the art

Bürstenkommutierte Gleichstrommotoren sind im Stand der Technik in vielen unterschiedlichen Varianten bekannt. Insbesondere Innenläufermotoren finden vielfältige Einsatzbereiche. Brush-commutated direct current motors are known in the prior art in many different variants. In particular, internal rotor motors find a variety of applications.

Eine häufige Variante eines Innenläufergleichstrommotors ist beispielsweise aus den Druckschriften US 4,372,035 und DE 10 2009 033 623 A1 bekannt. Diese Druckschriften zeigen jeweils einen Elektromotor mit einer vierpoligen Statoranordnung, bei dem die Statorpole durch zwei einander bezüglich der Drehachse des Innenläufers gegenüberliegende Permanentmagnete gleicher Polarität (Permanentmagnet-Statorpole) und zwei nicht mit Permanentmagneten versehene Polschuhe (Folgepole) in einer Folgepolanordnung gebildet werden. Eine derartige Folgepolanordnung hat grundsätzlich den Vorteil, dass die Anzahl der Permanentmagnete gegenüber Elektromotoren, bei denen jeder Statorpol mit einem Permanentmagneten gebildet wird, reduziert ist.A common variant of an internal rotor DC motor is, for example, from the publications US 4,372,035 and DE 10 2009 033 623 A1 known. These documents each show an electric motor with a four-pole stator arrangement, in which the stator poles are formed by two mutually opposite with respect to the axis of rotation of the inner rotor permanent magnets of the same polarity (permanent magnet stator poles) and two not provided with permanent magnets pole pieces (follower poles) in a follower pole. Such a follower pole arrangement basically has the advantage that the number of permanent magnets compared to electric motors, in which each stator pole is formed with a permanent magnet, is reduced.

Der Läufer für einen der oben angegebenen Elektromotoren weist eine Läuferwicklung mit mehreren Läuferspulen auf, die zum Bestromen über einen Kommutator kontaktiert werden. Üblicherweise werden die Läuferspulen als Wicklungsschleifen ausgeführt, wobei jede Wicklungsschleife zwei oder mehr als zwei Läuferzähne bzw. eine oder mehrere zwischen den Läuferzähnen angeordneten Läufernuten umschließt und über im Abstand von Bürsten eines Bürstenpaares angeordnete Kommutatorlamellen kontaktiert wird. Um eine schnelle Umpolung der Wicklungsschleife zu erreichen, ist jede Wicklungsschleife auch über zwei zueinander direkt benachbarten Kommutatorlamellen kurzschließbar. Um die Anzahl gleichzeitig bestromter Wicklungsschleifen zu erhöhen, können mehrere Bürstenpaare zum Kontaktieren der Kommutatorlamellen vorgesehen sein. Da die Bürsten eine feste Anordnung bezüglich der Permanentmagnet-Statorpole haben, kontaktieren diese immer nur Wicklungsschleifen, die sich bezüglich des Stators im gleichen Stellungsbereich befinden. The rotor for one of the above-mentioned electric motors has a rotor winding with a plurality of rotor coils, which are contacted for energizing via a commutator. Usually, the armature coils are designed as winding loops, wherein each winding loop encloses two or more than two rotor teeth or one or more rotor slots arranged between the rotor teeth and is contacted via spaced apart from brushes of a brush pair commutator. In order to achieve a rapid reversal of the winding loop, each winding loop can also be short-circuited via two commutator segments that are directly adjacent to one another. In order to increase the number of simultaneously energized winding loops, a plurality of brush pairs may be provided for contacting the commutator segments. Since the brushes have a fixed arrangement with respect to the permanent magnet stator poles, they always contact only winding loops that are in the same position with respect to the stator.

Bei der obigen Anordnung der Läuferspulen werden bei Bewegung des Läufers die Läuferspulen nach ihrer Bestromung durch eine entsprechende Bürste, die gleichzeitig zwei benachbarte Kommutatorlamellen überstreicht, kurzgeschlossen, um einen aufgrund einer Spannungsinduktion fließenden Strom zunächst abzubauen. Dies erfolgt aufgrund der festen Position der Bürsten immer bei bestimmten Positionen der Läuferspulen. Daher erfolgt das Kurzschließen einer Wicklungsschleife durch eine bestimmte Bürste immer an einer bestimmten Stellung der betreffenden Wicklungsschleife. D. h. eine Bürste schließt die Wicklungschleifen immer dann kurz, wenn diese in einer bestimmten Stellung zu den Statorpolen ausgerichtet sind. In the above arrangement of the rotor coils, the rotor coils are short-circuited after their energization by a corresponding brush, which simultaneously covers two adjacent Kommutatorlamellen when moving the rotor, to first reduce a current flowing due to a voltage induction current. This is due to the fixed position of the brush always at certain positions of the rotor coils. Therefore, the shorting of a winding loop by a certain brush always occurs at a certain position of the respective winding loop. Ie. a brush always closes the winding loops short when they are aligned in a certain position to the stator poles.

Bei Verwendung einer Folgepolanordnung variiert jedoch die Induktivität der Läuferspulen je nachdem, ob sich der Läuferzahn, an dem die betreffende Läuferspule angeordnet ist, in einer Stellung befindet, in der dieser auf einen Permanentmagnet-Statorpol oder einen Folgepol ausgerichtet ist. Die Induktivität der auf die Folgepole ausgerichteten Läuferspulen ist aufgrund der geringen effektiven Größe des Luftspalts deutlich größer als die Induktivität der auf die Permanentmagnet-Statorpole ausgerichteten Läuferspulen. Daher schließt eine Bürste die Wicklungsschleifen dann kurz, wenn sie zumindest tendenziell vorwiegend zu den Permanentmagnet-Statorpolen ausgerichtet sind, und eine weitere Bürste schließt die Wicklungsschleifen dann kurz, wenn sie zumindest tendenziell vorwiegend zu den Folgepolen ausgerichtet sind. When using a follower pole arrangement, however, the inductance of the armature coils varies depending on whether the rotor tooth on which the relevant armature coil is arranged is in a position in which it is aligned with a permanent magnet stator pole or a follower pole. The inductance of the rotor coils aligned with the follower poles is significantly greater than the inductance of the rotor coils aligned with the permanent magnet stator poles due to the small effective size of the air gap. Therefore, one brush short-circuits the winding loops if they are at least predominantly aligned with the permanent magnet stator poles, and another brush short-circuits the winding loops if they are at least predominantly aligned with the following poles.

Eine hohe Induktivität verschlechtert jedoch die Kommutierung und es wird an den entsprechenden Kommutatorbürsten, die Wicklungsschleifen mit einer höheren Induktivität (tendenziell den Folgepolen zugewandt) schalten, zu einer stärkerer Funkenbildung kommen als bei Kommutatorbürsten, die Wicklungsschleifen mit einer niedrigeren Induktivität (tendenziell den Permanentmagnetpolen zugewandt) kurzschließen. Die Funkenbildung begünstigt den Verschleiß des Kommutators. Aufgrund der festgelegten Zuordnung der Bürsten zur Stellung der bestromten Läuferspulen kommt es daher zu einem ungleichen Verschleiß der Bürsten. Insbesondere die Bürsten, die Läuferspulen um Läuferzähne kurzschließen, die zu den Folgepolen ausgerichtet sind, werden dadurch erhöhtem Verschleiß ausgesetzt.However, a high inductance degrades the commutation and produces stronger sparking at the corresponding commutator brushes that turn winding loops with a higher inductance (which tends to face the follower poles) than do commutator brushes that have lower inductance winding loops (tend to face the permanent magnet poles). short. The sparking favors the wear of the commutator. Due to the fixed assignment of the brushes to the position of the energized rotor coils, therefore, there is an uneven wear of the brushes. In particular, the brushes that short-circuit rotor coils around rotor teeth that are aligned with the follower poles are thereby exposed to increased wear.

Durch den ungleichen Verschleiß kann ein asymmetrisches Kontaktverhalten an dem Kommutator auftreten, so dass auch unerwünschte Kraft- oder Geräuschanregungen entstehen können.As a result of the uneven wear, an asymmetrical contact behavior on the commutator can occur so that unwanted force or noise excitations can also occur.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine mit einer Folgepolanordnung vorzusehen, bei dem ein ungleicher Verschleiß der Kommutatorbürsten reduziert bzw. vermieden wird.It is therefore an object of the present invention to provide an electrical machine with a follower pole arrangement, in which an uneven wear of the commutator brushes is reduced or avoided.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch die elektrische Maschine mit einer Folgepolanordnung der Statorpole gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by the electric machine with a follower pole arrangement of the stator poles according to claim 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the present invention are specified in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt ist eine bürstenkommutierte elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:

– einen Läufer mit einer Anzahl von Läuferzähnen;
– Läuferspulen, die jeweils einen oder mehrere Läuferzähne umschließen;
– eine Statoranordnung mit Statorpolen, die mindestens einen mit einem Permanentmagneten gebildeten Permanentmagnet-Statorpol und mindestens einen nicht mit einem Permanentmagneten versehenen Folgepol aufweisen, die in einer Folgepolanordnung angeordnet sind;
– einen Kommutator mit mindestens einem Bürstenpaar, um eine Läuferspulengruppe von miteinander verschalteten Läuferspulen zu kontaktieren,

wobei jeweils die gesamte Induktivität der verschalteten Läuferspulen einer der Läuferspulengruppe an einer ersten und an einer zweiten Stellung des Läufers bezüglich der Statoranordnung gleich ist.According to a first aspect, there is provided a brush-commutated electric machine comprising:

A runner with a number of runner teeth;
- Rotor coils, each enclosing one or more rotor teeth;
A stator arrangement having stator poles which have at least one permanent-magnet stator pole formed with a permanent magnet and at least one follower pole not provided with a permanent magnet, which are arranged in a follow-up pole arrangement;
A commutator having at least one brush pair to contact a rotor coil group of interconnected armature coils,

wherein each of the total inductance of the interconnected armature coils of one of the armature coil group at a first and at a second position of the rotor is the same with respect to the stator assembly.

Eine Idee der Erfindung besteht darin, dass jede Bürste, die eine Läuferspulengruppe in einer bestimmten Stellung bezüglich der Statorpole kontaktiert, beim Kommutieren eine gleiche oder etwa gleiche Induktivität schaltet. Dies betrifft sowohl die durch Bürsten des Bürstenpaares geschaltete Induktivität als auch die durch jede der Bürsten beim Überstreichen benachbarter Kommutatorlamellen kurzgeschlossene Läuferspulengruppe. Dadurch kann ein symmetrisches Kontaktverhalten erreicht werden, wodurch der Verschleiß der Kommutatorlamellen bzw. der Bürsten gleichmäßig erfolgt. Eine unerwünschte Kraft- oder Geräuschanregung durch Schwankungen des Verschleißes der Bürsten bzw. der Lamellen kann dadurch vermieden werden.An idea of the invention is that any brush that contacts a rotor coil group in a particular position with respect to the stator poles will switch an equal or approximately equal inductance during commutation. This applies both to the inductance switched by brushes of the brush pair and to the armature coil group short-circuited by each of the brushes when passing adjacent commutator blades. As a result, a symmetrical contact behavior can be achieved, whereby the wear of the commutator bars or the brushes is uniform. An undesirable force or noise excitation by fluctuations in the wear of the brush or the fins can be avoided.

Weiterhin können die Läuferspulen der Läuferspulengruppe in einer Serienschaltung, einer Parallelschaltung oder in einer Kombination davon miteinander verschaltet sein.Further, the armature coils of the armature coil group may be connected to each other in a series connection, a parallel connection, or a combination thereof.

Gemäß einer Ausführungsform können die Läuferspulen der Läuferspulengruppe bei einer Stellung des Läufers bezüglich der Statoranordnung eine erste auf einen Folgepol ausgerichtete Läuferspule und eine zweite auf einen Permanentmagnet-Statorpol ausgerichtete Läuferspule aufweisen.According to one embodiment, the armature coils of the armature coil group may have a first follower coil aligned with a follower pole and a second rotor coil aligned with a permanent magnet stator pole at a position of the armature relative to the stator assembly.

Insbesondere können die erste und die zweite Läuferspule der Läuferspulengruppe einen verschiedenen Wicklungssinn aufweisen. In particular, the first and second rotor coils of the armature coil group may have a different winding sense.

Weiterhin können die erste und die zweite Läuferspule der Läuferspulengruppe um einen Versatzwinkel zueinander versetzt sein, der einem Winkel von (2k + 1)·360°/N mit k = 0, 1, ..., N/2 – 1 entspricht, wobei N der Anzahl von Statorpolen entspricht.Furthermore, the first and second rotor coils of the armature coil group may be offset from each other by an offset angle that is an angle of (2k + 1) · 360 ° / N where k = 0, 1, ..., N / 2 - 1 corresponds, where N corresponds to the number of stator poles.

Alternativ können die erste und die zweite Läuferspule der Läuferspulengruppe um einen Versatzwinkel zueinander versetzt sein, der einem Winkel von (2k + 1)·360°/N +/–180°/M mit k = 0, 1, ..., N/2 – 1 entspricht, wobei N der Anzahl von Statorpolen und M der Anzahl von Läuferzähnen entsprechen. Alternatively, the first and second rotor coils of the armature coil group may be offset from one another by an offset angle that is an angle of (2k + 1) · 360 ° / N +/- 180 ° / M with k = 0, 1, ..., N / 2 - 1 where N is the number of stator poles and M is the number of rotor teeth.

Es kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Läuferspule unterschiedliche Windungszahlen aufweisen. It can be provided that the first and the second rotor coil have different numbers of turns.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Läuferspule unterschiedliche Anzahlen von Läuferzähnen umschließen. Furthermore, it can be provided that the first and the second rotor coil enclose different numbers of rotor teeth.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Elektromotor mit einer Folgepolanordnung; 1 a schematic cross-sectional view through an electric motor with a follower pole arrangement;

2 ein Wicklungsschema mit zwei seriell verschalteten Läuferspulen, die an benachbarten Kommutatorlamellen angeschlossen sind; 2 a winding scheme with two serially interconnected rotor coils, which are connected to adjacent commutator bars;

3 eine Darstellung einer Läuferspulengruppe von zwei seriell verschalteten Läuferspulen, die bezüglich des Läufers um 90° zueinander versetzt sind; 3 a representation of a rotor coil group of two serially interconnected rotor coils, which are offset with respect to the rotor by 90 ° to each other;

4 eine Darstellung einer Läuferspulengruppe mit seriell verschalteten Läuferspulen bei einem zehnpoligen Läufer; 4 a representation of a rotor coil group with serially interconnected rotor coils in a ten-pole rotor;

5 eine Darstellung einer weiteren Möglichkeit der Verschaltung einer Läuferspulengruppe mit seriell verschalteten Läuferspulen bei einem zehnpoligen Läufer; 5 a representation of another way of interconnecting a rotor coil group with serially interconnected rotor coils in a ten-pole rotor;

6 eine Darstellung einer Läuferspulengruppe mit seriell verschalteten Läuferspulen mit einer Verbindung der Läuferspulen auf der einem Kommutator gegenüberliegenden Seite; und 6 a representation of a rotor coil group with serially interconnected rotor coils with a connection of the rotor coils on the opposite side of a commutator; and

7 eine Darstellung einer Läuferspulengruppe mit seriell verschalteten Läuferspulen mit unterschiedlichen Wickelschritten. 7 a representation of a rotor coil group with serially interconnected armature coils with different winding steps.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Elektromotors 1 (elektrische Maschine), mit einem Polgehäuse 2, an dem mehrere Statorpole vorgesehen sind. Im Inneren des Polgehäuses 2 ist eine Innenausnehmung vorgesehen, in der ein Läufer 6 drehbar an einer Welle angeordnet ist. Die Statorpole sind an dem Polgehäuse 2 so angeordnet, dass diese in Richtung der Innenausnehmung bzw. in Richtung des Läufers 6 weisen. 1 shows a schematic cross-sectional view of an electric motor 1 (electric machine), with a pole housing 2 on which a plurality of stator poles are provided. Inside the pole housing 2 An interior recess is provided in which a runner 6 is rotatably mounted on a shaft. The stator poles are on the pole housing 2 arranged so that these in the direction of the inner recess or in the direction of the rotor 6 point.

Die Statorpole sind als Permanentmagnet-Statorpol 4 und als nicht mit einem Permanentmagneten 3 versehener Folgepol 5 ausgebildet. Das Polgehäuse 2 ist vorzugsweise aus einem magnetisch leitfähigen Material ausgebildet, um so über das Polgehäuse 2 einen magnetischen Schluss (magnetische Verbindung) zwischen dem Permanentmagnet-Statorpol 4 und dem Folgepol 5 auszubilden. Die Anzahl N der Statorpole 4, 5 ist jedoch nicht auf vier beschränkt, sondern es kann jede beliebige geradzahlige Anzahl an Statorpolen 4, 5 vorgesehen sein.The stator poles are as a permanent magnet stator pole 4 and not with a permanent magnet 3 provided follower pole 5 educated. The pole housing 2 is preferably formed of a magnetically conductive material so as to pass over the pole housing 2 a magnetic closure (magnetic connection) between the permanent magnet stator pole 4 and the follower pole 5 train. The number N of stator poles 4 . 5 however, it is not limited to four but may be any even number of stator poles 4 . 5 be provided.

Der Läufer 6 weist einen magnetisch leitenden Anker 7 mit einer Anzahl von Läuferzähnen 8 auf, im gezeigten Ausführungsbeispiel zehn Läuferzähne, die jeweils von einer oder mehreren Läuferspulen 10 einer Läuferwicklung umschlossen sind. Die Welle des Läufers 6 trägt axial zu dem Anker 7 versetzt einen Kommutator mit einer Anzahl von Kommutatorlamellen 11, die im Wesentlichen der Anzahl der Läuferzähne 8 entspricht, im gezeigten Ausführungsbeispiel 10. Die Kommutatorlamellen 11 werden über zwei, drei oder mehr Bürsten 12 bzw. mehrere Bürstenpaare kontaktiert. Die Kommutatorlamellen 11 sind mit den Läuferspulen der Läuferwicklung in Form einer Schleifenwicklung verbunden, d. h. jede Kommutatorlamelle 11 ist über jeweils eine oder mehrere Läuferspulen mit beiden benachbarten Kommutatorlamellen 11 verbunden. The runner 6 has a magnetically conductive armature 7 with a number of runner teeth 8th in, in the embodiment shown ten rotor teeth, each of one or more rotor coils 10 a rotor winding are enclosed. The wave of the runner 6 carries axially to the anchor 7 puts a commutator with a number of commutator bars 11 which is essentially the number of rotor teeth 8th corresponds, in the illustrated embodiment 10. The commutator bars 11 Be about two, three or more brushes 12 or several brush pairs contacted. The commutator bars 11 are connected to the rotor coils of the rotor winding in the form of a loop winding, ie each commutator 11 is in each case via one or more rotor coils with two adjacent commutator segments 11 connected.

In 2 ist schematisch eine Anordnung von Läuferspulen 10 an zwei benachbarten Kommutatorlamellen 11 dargestellt. Obwohl der Kommutator und die Läuferzähne 8 im gezeigten Ausführungsbeispiel kreisförmig angeordnet sind, wird hier aus Gründen der besseren Verständlichkeit die geradlinige Darstellung der Kommutatorlamellen 11, der Bürsten 12, der Läuferzähne 8 und der Läuferspulen 10 gewählt. Im gezeigten Beispiel sind also der Läuferzahn 1 und der Läuferzahn 10 sowie die Kommutatorlamelle 1 und die Kommutatorlamelle 10 zueinander benachbart.In 2 is schematically an arrangement of rotor coils 10 on two adjacent commutator bars 11 shown. Although the commutator and the runner teeth 8th In the embodiment shown are arranged in a circle, is here for reasons of clarity, the rectilinear representation of the commutator 11 , the brush 12 , the runner teeth 8th and the rotor coils 10 selected. In the example shown so the rotor tooth 1 and the runner tooth 10 and the commutator blade 1 and the commutator blade 10 adjacent to each other.

Bei dem gezeigten Elektromotor 1 sind Bürsten 12 von zwei Bürstenpaaren vorgesehen, über die jeweils eine Versorgungsspannung angelegt wird, um eine jeweilige Läuferspulengruppe von Statorspulen 10 zu bestromen. Durch die ortsfeste Positionierung der Bürsten 12 der Bürsten ist die Position der bestromten Läuferspulen 10 bzw. der Bereich, in dem sich die Läuferspulen 10 befinden, wenn sie bestromt sind, festgelegt. Dies liegt daran, dass das Wicklungsschema in der Regel rotationssymmetrisch gewählt wird, so dass vergleichbare Bestromungssituationen jeweils nach einem oder mehreren Bewegungsschritten des Läufers um die Breite einer Kommutatorlamelle 11 bestehen. In the shown electric motor 1 are brushes 12 provided by two pairs of brushes, via each of which a supply voltage is applied to a respective rotor coil group of stator coils 10 to energize. Due to the stationary positioning of the brushes 12 The brushes are the position of the energized rotor coils 10 or the area in which the rotor coils 10 are fixed when energized. This is because the winding scheme is generally selected rotationally symmetric, so that comparable Bestromungssituationen each after one or more movement steps of the rotor to the width of a commutator 11 consist.

Wenn durch ein erstes der Bürstenpaare mehr Läuferspulen 10 an zu einem Folgepol 5 ausgerichteten Läuferzähnen 8 bestromt werden als durch ein zweites der Bürstenpaare, so sind beim Betrieb des Elektromotors 1 die Bürsten 12 des ersten Bürstenpaares aufgrund ihrer höheren Induktivität einem höheren Verschleiß ausgesetzt als die Bürsten 12 des zweiten Bürstenpaares. If more of the rotor coils are due to a first of the pairs of brushes 10 on to a follow-up pole 5 aligned rotor teeth 8th be energized as by a second of the pairs of brushes, so are the operation of the electric motor 1 the brushes 12 of the first brush pair due to their higher inductance exposed to higher wear than the brushes 12 of the second brush pair.

Weiterhin sind die Kommutatorlamellen 11 in geeigneter Weise miteinander elektrisch verbunden, so dass jeweils zwei benachbarte Kommutatorlamellen 11 die durch eine der zwei Kommutatorlamellen 11 bestromte Läuferspulengruppe von Statorspulen 10 kurzgeschlossen werden, wenn die betreffende Bürste darüber hinwegstreicht. Dadurch ist es möglich die Läuferspulengruppe von Statorspulen 10 vor dem Umpolen kurzzuschließen, so dass die Versorgungsspannung nicht gegen eine in der Läuferspulengruppe induzierte Spannung angelegt werden muss. Da durch die feste Anordnung der Bürsten 12 die Läuferspulengruppe von Statorspulen 10 immer an der gleichen Position durch eine betreffende Bürste kurzgeschlossen wird, kommt es aufgrund der lageabhängigen Induktivitäten der Läuferspulengruppen ebenfalls zu unterschiedlichem Verschleiß der Bürsten 12 durch Funkenbildung und dergleichen. Furthermore, the commutator bars 11 in a suitable manner electrically connected to each other, so that in each case two adjacent commutator bars 11 through one of the two commutator bars 11 energized armature coil group of stator coils 10 short-circuited if the brush brushes over it. This makes it possible the rotor coil group of stator coils 10 short before the polarity reversal so that the supply voltage does not have to be applied against a voltage induced in the armature coil group. Because of the fixed arrangement of the brushes 12 the armature coil group of stator coils 10 is always shorted at the same position by a respective brush, it also comes due to the position-dependent inductors of the rotor coil groups to different wear of the brushes 12 by sparking and the like.

Um diese Effekte zu reduzieren bzw. zu eliminieren, ist nun vorgesehen, dass durch die Bürstenpaare jeweils Läuferspulengruppen mit gleichen Induktivitäten bestromt werden bzw. durch die einzelnen Bürsten Läuferspulengruppen mit gleichen Induktivitäten kurzgeschlossen werden. Dabei sind die Positionen der Läuferspulen 10 einer Läuferspulengruppe so ausgewählt, dass deren umwickelte Läuferzähne 8 insgesamt gleichermaßen, d. h. beispielsweise in jeweils gleicher Anzahl, den Permanentmagnet-Statorpolen 4 und den Folgepolen 5 zugeordnet sind. Auf diese Weise kontaktieren alle Bürsten 12 die gleiche gesamte Induktivität, so dass der Verschleiß der Bürsten 12 im Wesentlichen gleich ist und somit keine erheblichen verschleißbedingten Widerstandsänderungen bei der Kontaktierung von Kommutatorlamellen 11 durch die Bürsten 12 auftreten können.In order to reduce or eliminate these effects, it is now provided that rotor coil groups are each supplied with the same inductances by the brush pairs, or rotor coil groups with the same inductances are short-circuited by the individual brushes. The positions of the rotor coils are 10 a rotor coil group selected so that their wrapped rotor teeth 8th alike alike, ie, for example, in each case the same number, the permanent magnet stator poles 4 and the following poles 5 assigned. In this way, all brushes contact 12 the same overall inductance, so that the wear the brushes 12 is substantially the same and thus no significant wear-related resistance changes in the contacting of commutator 11 through the brushes 12 may occur.

Da die Permanentmagnet-Statorpole 4 und die Folgepole 5 eine unterschiedliche magnetische Polung aufweisen, ist vorgesehen, dass der Wicklungssinn der dem oder den Folgepolen zugeordneten Läuferspulen und der Wicklungssinn der dem oder den Permanentmagnet-Statorpolen zugeordneten Läuferspulen zueinander entgegengesetzt ist. Dadurch werden bei gemeinsamer Bestromung Magnetfelder unterschiedlicher Richtungen als Erregermagnetfelder generiert. Since the permanent magnet stator poles 4 and the followers 5 have a different magnetic polarity, it is provided that the winding sense of the one or more follower poles associated rotor coils and the winding sense of the one or more permanent magnet stator poles associated rotor coils is opposite to each other. As a result, magnetic fields of different directions are generated as excitation magnetic fields with common energization.

Die Läuferspulen 10 einer Läuferspulengruppe sind im gezeigten Ausführungsbeispiel seriell miteinander verschaltet. Auch parallele Verschaltungen der gleichzeitig über den Kommutator kontaktierten Läuferspulen oder Kombinationen von parallelen und seriellen Verschaltungen sind bei mehr als zwei Läuferspulen 10 einer Läuferspulengruppe denkbar.The rotor coils 10 a rotor coil group are connected in series with each other in the embodiment shown. Parallel interconnections of the armature coils simultaneously contacted via the commutator or combinations of parallel and serial interconnections are more than two armature coils 10 a rotor coil group conceivable.

Es ist weiterhin möglich, dass eine ungerade Anzahl von Läuferspulen 10 pro Läuferspulengruppe vorgesehen ist, wobei sichergestellt sein muss, dass die gesamte Induktivität, die sich aus der Zusammenschaltung der den Folgepolen 5 zugeordneten Läuferspulen 10 und der den Permanentmagnet-Statorpolen 4 zugeordneten Läuferspulen 10 ergibt, zu gleichen Teilen von den den Folgepolen 5 zugeordneten Läuferspulen 10 und den den Permanentmagnet-Statorpolen 4 zugeordneten Läuferspulen 10 bewirkt wird. Allgemein gilt, dass keine Induktivitätsänderung auftreten soll, wenn der Läufer eine Bewegung um den Abstand eines Statorpols durchführt, so dass die zuvor den Folgepolen 4 zugeordneten Läuferspulen 10 nun den Permanentmagnet-Statorpolen 4 zugeordnet sind und umgekehrt. Wird die gleiche Läuferspulenanordnung nach einer Weiterbewegung des Läufers von dem weiteren Bürstenpaar kontaktiert, so sind die Zuordnungen der Läuferspulen 10 zu den jeweiligen Statorpolen umgekehrt. It is also possible that an odd number of rotor coils 10 per rotor coil group is provided, it must be ensured that the entire inductance, resulting from the interconnection of the subsequent poles 5 associated rotor coils 10 and the permanent magnet stator poles 4 associated rotor coils 10 gives, in equal parts of the following poles 5 associated rotor coils 10 and the permanent magnet stator poles 4 associated rotor coils 10 is effected. In general, no inductance change is to occur when the rotor makes a movement about the distance of a stator pole, so that the previously the subsequent poles 4 associated rotor coils 10 now the permanent magnet stator poles 4 are assigned and vice versa. If the same rotor coil arrangement is contacted by the further brush pair after further movement of the rotor, the assignments of the rotor coils are 10 vice versa to the respective stator poles.

Vorzugsweise ist eine erste Läuferspule und eine zweite Läuferspule der Läuferspulengruppe von gemeinsam kontaktierten Läuferspulen so zueinander versetzt an dem Läufer angeordnet, dass diese dem Versatz zwischen einem Folgepol 5 und einem Permanentmagnet-Statorpol 4 der Statoranordnung, insbesondere einem benachbarten Permanentmagnet-Statorpol 4 entsprechen. Bei obiger Statoranordnung mit vier Statorpolen entspricht der Versatz 90°. Im Allgemeinen entspricht der Versatz 360°/N, wobei N der gesamten Anzahl der Statorpole der Folgepolanordnung entspricht. Allgemein kann der Versatz zwischen den verschiedenartigen Statorpolen zugeordneten Läuferspulen der Läuferspulengruppe angegeben werden als: (2k + 1)·360°/N mit k = 0, 1, ..., N/2 – 1 Preferably, a first armature coil and a second armature coil of the armature coil group of jointly contacted armature coils are arranged offset relative to one another on the armature such that they correspond to the offset between a follower pole 5 and a permanent magnet stator pole 4 the stator arrangement, in particular an adjacent permanent magnet stator pole 4 correspond. In the above stator arrangement with four stator poles, the offset corresponds to 90 °. Generally, the offset corresponds to 360 ° / N, where N equals the total number of stator poles of the follower pole array. In general, the offset between the armatures of the armature coil group associated with different stator poles can be given as: (2k + 1) · 360 ° / N where k = 0, 1, ..., N / 2 - 1

In 3 ist schematisch für einen zwölfpoligen Läufer eine Serienverschaltung der über eines der Bürstenpaare kontaktierbaren Läuferspulen 10 gezeigt. Mithilfe eines Bürstenpaares werden über eine Serienschaltung verschaltete Läuferspulen 10 bestromt, wobei eine erste der Läuferspulen 10 einem der Folgepole 5 und eine zweite der Läuferspulen 10 einem dazu benachbarten Permanentmagnet-Statorpol 4 zugeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine Reiheninduktivität, die der Summe der verschiedenen Einzelinduktivitäten entspricht. In 3 schematically for a twelve-pole rotor is a series connection of contactable via one of the pairs of brush rotor coils 10 shown. With the help of a pair of brushes, interconnected rotor coils are connected in series 10 energized, with a first of the rotor coils 10 one of the follower poles 5 and a second of the rotor coils 10 a permanent magnet stator pole adjacent thereto 4 assigned. This results in a series inductance which corresponds to the sum of the different individual inductances.

Die Anordnung der durch ein weiteres der Bürstenpaare kontaktierten Läuferspulengruppe von Läuferspulen 10 ist entsprechend. Durch diese Anordnung der Läuferspulen 10 wird die Serienschaltung bei einem Weiterdrehen des Läufers 6 durch die Bürsten 12 des weiteren Bürstenpaares kontaktiert, wobei dann die erste Läuferspule 10 einem Permanentmagnet-Statorpol 4 und die zweite Läuferspule 10 einem Folgepol 5 zugeordnet sind, d. h. die Zuordnung also umgekehrt ist. Die gesamte Induktivität der Serienschaltung der Läuferspule 10 bleibt dabei unverändert. Auf diese Weise ist es möglich, beim Kommutieren mithilfe von Bürsten diese nur mit gleichen Induktivitäten zu beaufschlagen, so dass kein ungleichmäßiger Verschleiß der Bürsten 12 auftreten kann.The arrangement of the armature coil group of armature coils contacted by another of the pairs of brushes 10 is appropriate. By this arrangement of the rotor coils 10 is the series connection at a further rotation of the rotor 6 through the brushes 12 the further brush pair contacted, in which case the first rotor coil 10 a permanent magnet stator pole 4 and the second rotor coil 10 a follower pole 5 are assigned, ie the assignment is therefore reversed. The entire inductance of the series connection of the rotor coil 10 remains unchanged. In this way, it is possible to apply only the same inductances when commutating using brushes, so that no uneven wear of the brushes 12 can occur.

Lässt die Anzahl M der Läuferzähne 8 des Läufers 6 einen Versatz der in einer Läuferspulengruppe angeordneten Läuferspulen 10 um 360°/N nicht zu, so kann auch ein leicht davon abweichender Versatz gewählt werden, wie es beispielsweise in den 4 und 5 für den 10-poligen Anker des Läufers mit dem vierpoligen Stator des Elektromotors der 1 der Fall ist. Dort entspräche der errechnete Versatz zwischen den Läuferspulen N/M einer Läuferspulengruppe 2,5 Läuferzähnen/Läufernuten. Leaves the number M of rotor teeth 8th of the runner 6 an offset of the rotor coils arranged in a rotor coil group 10 not to 360 ° / N, so also a slightly different offset can be selected, as for example in the 4 and 5 for the 10-pole armature of the rotor with the four-pole stator of the electric motor of 1 the case is. There the calculated offset between the rotor coils N / M of a rotor coil group would correspond to 2.5 rotor teeth / rotor grooves.

Ist eine ganzzahlige Teilung der Anzahl M der Läuferzähne/Läufernuten durch die Anzahl N der Statorpole nicht möglich, so ist eine Nutteilung notwendig, bei der der Spulenabstand der in Serie verschalteten Läuferspulen mehr als 360°/N (siehe 4) oder weniger als 360°/N (siehe 5) entspricht. Im Fall von 10 Läuferpolen können dann die Läuferspulen im Abstand von 90° plus 180°/M oder 90° minus 180°/M angeordnet werden. Es ist jedoch wünschenswert, dass Läuferspulen, die eine Läufernut oder mehr als einen Läuferzahn umschließen, den exakten Versatz von (2k + 1)·360°/N mit umfassen. If an integer division of the number M of rotor teeth / rotor slots by the number N of stator poles is not possible, a slot division is necessary in which the coil spacing of the series-connected rotor coils exceeds 360 ° / N (see FIG 4 ) or less than 360 ° / N (see 5 ) corresponds. In case of 10 Rotor poles can then be arranged the rotor coils at a distance of 90 ° plus 180 ° / M or 90 ° minus 180 ° / M. However, it is desirable that rotor coils enclosing a rotor groove or more than one rotor tooth include the exact offset of (2k + 1) * 360 ° / N.

In 6 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel der 3 dadurch unterscheidet, dass die elektrische Verbindung zwischen den Läuferspulen 10 der Läuferspulengruppe auf der dem Kommutator axial gegenüberliegenden Seite des Ankers 7 durchgeführt wird. Auch ist dargestellt, dass die Anzahl der Windungen der ersten und zweiten Läuferspule 10 unterschiedlich sein kann. In 6 an embodiment is shown, which differs from the embodiment of the 3 this differs in that the electrical connection between the armature coils 10 the armature coil group on the commutator axially opposite side of the anchor 7 is carried out. It is also shown that the number of turns of the first and second rotor coils 10 can be different.

Wie in 7 dargestellt, ist es auch möglich, unterschiedliche Wicklungsschritte für die beiden in Serie verschalteten Läuferspulen 10 vorzusehen, d. h. die Läuferspulen 10 einer Läuferspulengruppe können verschiedene Anzahlen von Läufernuten oder von Läuferzähnen 8 umschließen.As in 7 shown, it is also possible to different winding steps for the two series-connected rotor coils 10 to provide, ie the rotor coils 10 A rotor coil group may have different numbers of rotor grooves or rotor teeth 8th enclose.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 4372035 [0003]
DE 102009033623 A1 [0003]

Claims

Brush-commutated electric machine ( 1 ), comprising: - a runner ( 6 ) with a number of rotor teeth ( 8th ); - rotor coils ( 10 ), each one or more of the rotor teeth ( 8th ) enclose; A stator arrangement with stator poles, which has at least one with a permanent magnet ( 3 ) formed permanent magnet stator pole ( 4 ) and at least one not provided with a permanent magnet follower pole ( 5 ) disposed in a follower pole array; A commutator having at least one pair of brushes for contacting a rotor coil group of interconnected armature coils, the total inductance of the interconnected armature coils ( 10 ) one of the armature coil group at a first and at a second position of the runner ( 6 ) is the same with respect to the stator assembly.

Electric machine ( 1 ) according to claim 1, wherein one of the rotor coils ( 10 ) of the armature coil group in the first position to a follower pole ( 5 ) and in the second position on a permanent magnet stator pole ( 4 ) is aligned.

Electric machine ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein the rotor coils ( 10 ) of the armature coil group are connected in a series connection, a parallel connection or in a combination thereof with each other.

Electric machine ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the rotor coils ( 10 ) of the armature coil group at a position of the runner ( 6 ) with respect to the stator arrangement, a first to a follower pole ( 5 ) aligned rotor coil ( 10 ) and a second to a permanent magnet stator pole ( 4 ) aligned rotor coil ( 10 ) exhibit.

Electric machine ( 1 ) according to claim 4, wherein the first and second rotor coils ( 10 ) of the armature coil group have a different winding sense.

Electric machine ( 1 ) according to claim 4 or 5, wherein the first and second rotor coils ( 10 ) of the armature coil group are offset from each other by an offset angle which is an angle of

(2k + 1) · 360 ° / N where k = 0, 1, ..., N / 2 - 1

corresponds, where N corresponds to the number of stator poles.

(2k + 1) · 360 ° / N +/- 80 ° / M with k = 0, 1, ..., N / 2 - 1

where N is the number of stator poles and M is the number of rotor teeth ( 8th ) correspond.

Electric machine ( 1 ) according to one of claims 4 to 7, wherein the first and second rotor coils ( 10 ) have different numbers of turns.

Electric machine ( 1 ) according to one of claims 4 to 8, wherein the first and second rotor coils ( 10 ) different numbers of rotor teeth ( 8th ) enclose.