-
GEBIET
-
Die Erfindung betrifft eine Bürsten-Gleichstrommaschine mit einem permanentmagnetischen Stator und einem bewickelten Rotor, und mit Kollektorblechen, die mit den Rotorwicklungen verbunden sind und über Bürsten mit Strom versorgt werden.
-
HINTERGRUND
-
Bürsten-Gleichstrommaschinen umfassen einen als Stator bezeichneten unbeweglichen Teil und einen als Rotor oder Anker bezeichneten drehbar gelagerten Teil. Häufig sind sie als Innenläufer ausgestaltet. Der Stator umfasst einen Statorrückschluss, auch als Joch bezeichnet, und mit dem Rückschluss verbundene Hauptpole, die durch Permanentmagnete bereitgestellt werden können. In der Regel ist der Stator zweipolig. Der Rotor kann aus einem Blechstapel mit Nuten und zwischen den Nuten liegenden Polzähnen ausgebildet sein, wobei die Polzähne Wicklungen der Rotorspulen aufnehmen. Das Blechen des Rotors hat den Zweck, Wirbelströme bei der Ummagnetisierung der Rotorspulen zu vermeiden oder jedenfalls deutlich zu reduzieren. Die Rotorspulen werden über Kollektorbleche und Schleifkontakte, auch als Bürsten bezeichnet, kontaktiert. Die Rotorspulen liegen in dem Magnetfeld des Stators, so dass die bei Drehung erzeugte Lorenzkraft ein Drehmoment erzeugt. Die Bürsten an den Kollektorblechen sind Teil eines Kommutators, der während der Drehung des Rotors die Polung der Rotorwicklung umschaltet.
-
Ein Beispiel eines Bürsten-Gleichstrommotors ist in der
US 2015/01800299 A1 beschrieben. Der Magnet ist zweipolig, wie bei Bürsten-Gleichstrommotoren üblich. Das Design der Bürsten-Gleichstrommotoren ist weit verbreitet, weil es prinzipiell einfach und kostengünstig ist. Es werden keine elektronische Steuerung und keine Sensoren benötigt.
-
Ein Nachteil dieses Designs ist jedoch, dass sich die zweipoligen Statormagnete nicht effektiv herstellen lassen. Das Volumen der Magnete ist relativ groß, und die Magnetisierung ist dann, wenn kostengünstige Ringmagnete verwendet werden sollen, nicht unkompliziert. Kostengünstige, zweipolige Ringmagnete sind daher oft nicht gleichmäßig magnetisiert oder werden durch zwei als Ringsegmente ausgebildete Magnete ersetzt. Um diese Nachteile zu kompensieren, muss daher in beiden Fällen relativ viel Magnetmaterial verwendet werden. Außerdem ist dabei ein relativ großer magnetischer Rückschluss zum Schließen des magnetischen Kreises notwendig. Eine Halbach-Magnetisierung lässt sich an einem zweipoligen Ringmagneten zum Erhöhen der magnetischen Feldstärke ebenfalls nicht realisieren, da das Halbach-Muster der Magnetisierung nicht über eine notwendig lange Distanz in Umfangsrichtung des Ringmagneten aufgeprägt werden kann.
-
Eine Lösung dieses Problems im Stand der Technik besteht darin, einen mehrpoligen Ringmagneten zu verwenden; dies erfordert bei den bekannten Motordesigns aber das Vorsehen einer entsprechenden Anzahl von Schleifkontakten/Bürsten. Ein vierpoliger Motor benötigt also vier Bürsten, ein sechspoliger Motor benötigt sechs Bürsten usw. Diese Bürsten benötigen nicht nur Platz, sondern sie müssen auch angeschlossen und angesteuert werden, wodurch das Motordesign insgesamt aufwendiger wird. Andererseits sind mehrpolig magnetisierte Ringmagnete grundsätzlich kostengünstiger und einfacher herzustellen als eine Reihe von Einzelmagneten. Ein weiterer Nachteil ist, dass viele Bürsten im Betrieb auch entsprechend viele Kohlestaubpartikel produzieren.
-
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Bürsten-Gleichstrommaschine anzugeben, welche die Vorteile von Bürsten-Maschinen nutzt, nämlich den einfachen Aufbau und die einfache Ansteuerung, aber deren Nachteile insbesondere in Bezug auf die Beschränkungen beim Design des Motors vermeidet.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Bürsten-Gleichstrommaschine gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
ABRISS DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung sieht eine dreiphasige Bürsten-Gleichstrommaschine mit einem permanentmagnetischen Stator und einem bewickelten Rotor vor, wobei der Stator wenigstens vier Pole aufweist und wobei der Rotor eine Anzahl N Nuten zur Aufnahme von Wicklungen aufweist, wobei N eine ungerade, durch N = 3· (2·n - 1), mit n = 2, 3, 4, ..., bestimmte Zahl ist. Ferner sind Kollektorbleche vorgesehen, um die Wicklung mit Strom zu versorgen. Die Bürsten-Gleichstrommaschine umfasst erfindungsgemäß zwei Bürsten, insbesondere genau zwei Bürsten, um sämtliche Wicklungen des Rotors über die Kollektorfläche mit Strom zu versorgen,
-
Jede Phase umfasst vorzugsweise (2 n - 1) Wicklungen, mit n = 2, 3, 4, .... Dabei ist bevorzugt, wenn die zu einer Phase gehörigen Wicklungen in einem Winkelabstand von 360°/(2n-1) angeordnet sind.
-
Die einander entsprechenden Wicklungen unterschiedlicher Phasen sind vorteilhafter Weise in einem Winkelabstand von 120° zueinander angeordnet. Beispielsweise umfasst der Stator neun Nuten, wobei drei Nuten mit Wicklungen U1, U2, U3 einer ersten Phase U, drei Nuten mit Wicklungen V1, V2, V2 einer zweiten Phase V und drei Nuten mit Wicklungen W1, W2, W3 einer dritten Phase W bewickelt sind, wobei die Wicklungen einer Phase jeweils in einer Serienschaltung miteinander verbunden sind. Dann sind jeweils die ersten Wicklungen U1, V1, W1 der Serienschaltungen in einem Winkelabstand von 120° zueinander angeordnet. Ebenso sind dann die zweiten, mittleren Wicklungen U2, V2, W2 der Serienschaltungen in einem Winkelabstand von 120° zueinander angeordnet und die dritten Wicklungen U3, V3, W3 der Serienschaltungen in einem Winkelabstand von 120° zueinander angeordnet.
-
Ferner sind die Wicklungen der Bürsten-Gleichstrommaschine mit den Phasen U,V,W z.B. derart verschaltet, dass ein Ausgang einer Wicklung der W-Phase und ein Ausgang einer Wicklung der U-Phase über einen Knotenpunkt KU miteinander verbunden sind, ein Ausgang einer Wicklung der U-Phase und ein Ausgang der Wicklung der V-Phase über einen Knotenpunkt KV miteinander verbunden sind, sowie ein Ausgang einer Wicklung der V-Phase und ein Ausgang der Wicklung der W-Phase über einen Knotenpunkt KW miteinander verbunden sind. Dabei werden die Knotenpunkte KU, KV und KW jeweils elektrisch mit jedem dritten Kollektorblech verbunden.
-
Desweiteren können insgesamt K Kollektorbleche vorhanden sein, wobei die Kollektorbleche nebeneinander an den Positionen i = 1 bis K angeordnet sind und wobei der Knotenpunkt KU mit den Kollektorblechen an den Positionen i = (1 + K * v / 3), der Knotenpunkt KV mit den Kollektorblechen an den Positionen i = (2 + K * v / 3) und der Knotenpunkt KW mit den Kollektorblechen an den Positionen i = (3 + K * v / 3), mit n= 0, 1, 2, verbunden ist. Es ist also im Falle von neun Kollektorblechen der Knotenpunkt KU beispielsweise mit dem ersten, vierten und siebten Kollektorblech verbunden, der Knotenpunkt KV mit dem zweiten, fünften und achten Kollektorblech verbunden während der Knotenpunkt KW mit dem dritten, siebten, und neunten Kollektorblech verbunden ist.
-
Die Bürsten können relativ zu den Kollektorblechen so angeordnet sein, dass dann, wenn eine Bürste zwei Kollektorbleche kontaktiert, die andere Bürste nur ein Kollektorblech kontaktiert. Es kann vorgesehen sein, dass die Länge einer Bürste in Umfangsrichtung des Stators betrachtet kleiner als die Länge eines Kollektorbleches ist. Idealerweise ist die Länge einer Bürste in Umfangsrichtung des Stators betrachtet kleiner als die halbe Länge eines Kollektorbleches. Insbesondere bei kleinen Gleichstrommaschinen ist dies jedoch schwierig zu realisieren, weshalb hier auch toleriert werden kann, dass zumindest zu manchen Zeitpunkten beide Bürsten jeweils zwei Kollektorbleche kontaktieren. Desweiteren kann es in diesem Zusammenhang günstig sein, dass die beiden Bürsten relativ zueinander und relativ zu den Kollektorblechen derart angeordnet sind, dass sich zwischen dem von der einen Bürste kontaktierten Kollektorblech und den beiden von der anderen Bürste kontaktierten Kollektorblechen zumindest zeitweise mindestens drei momentan nicht kontaktierte Kollektorbleche befinden, Mittels solch einer Anordnung der Bürsten relativ zu den Kollektorblechen können die Wicklungen der Phasen U, V, W, beispielsweise über die Knotenpunkte KU, KV, verschaltet werden, so dass keine weiteren Bürsten zum Betreiben der Bürsten-Gleichstrommaschine notwendig sind.
-
In manchen Ausgestaltungen ist die Anzahl der Kollektorbleche gleich der Anzahl N der Nuten.
-
In manchen Ausgestaltungen ist auch die Anzahl der Wicklungen gleich der Anzahl N der Nuten.
-
Vorzugsweise sind die Wicklungen einer Phase in Reihe geschaltet. In manchen Ausgestaltungen sind die Wicklungen einer Phase parallel geschaltet.
-
Die Wicklungen einer Phase sind in manchen Ausgestaltungen mit N/P Kollektorblechen verbunden, wobei die den Phasen der Maschine zugeordneten Kollektorbleche jeweils nacheinander in einer Abfolge UVWUVWUVW angeordnet sind.
-
Die Wicklungen sind vorzugsweise konzentrierte Wicklungen, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Nuten ein Polzahn gebildet ist und jeder Polzahn jeweils Wicklungen nur einer Phase aufnimmt. Dadurch ist es auch möglich, die Wicklungen mittels eines Nadelwicklers und trotzdem symmetrisch aufzubringen. Es ergeben sich also keine Asymmetrien in der Wickeldrahtlänge, beispielsweise aufgrund von Kreuzungen des Wickeldrahts. Außerdem wird die Gesamtlänge des Wickeldrahtes deutlich reduziert. Daher kann die Bürsten-Gleichstrommaschine vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden. Ebenso ist es möglich, die Wicklungen mittels eines Einzugswicklers aufzubringen, wodurch der Wickelprozess sehr schnell und damit kostengünstig durchgeführt werden kann.
-
In manchen Ausgestaltungen hat die Bürsten-Gleichstrommaschine neun Nuten. In dieser Ausgestaltung können die den Phasen U, V, W zugeordneten Wicklungen jeweils nacheinander in der Abfolge UVWUVWUVW in benachbarten Nuten angeordnet sein.
-
In manchen Ausgestaltungen hat die Bürsten-Gleichstrommaschine 15 Nuten. In dieser Ausgestaltung können die den Phasen U, V, W zugeordneten Wicklungen jeweils nacheinander in der Abfolge UVWUVWUVWUVWUVW in benachbarten Nuten angeordnet sein. In solchen Ausgestaltungen kann es vorteilhaft sein, wenn ein Stator mit insgesamt 10 Magnetpolen vorgesehen ist.
-
Durch die Verwendung von nur zwei Bürsten in Kombination mit einer geeigneten Verschaltung der Wicklungen untereinander, beziehungsweise mit den Kollektorblechen, können mehrpolige Magnetanordnungen realisiert werden. Dadurch kann im Vergleich zu herkömmlichen Bürsten-Gleichstrommaschine ein effizienterer Betrieb ermöglich werden. Insbesondere kann eine gute Annäherung an einen Sinus-förmigen Verlauf der in den Rotorwicklungen induzierten Spannung, der gegen-elektromotorischen Kraft, erreicht werden. Ebenso kann dadurch eine Bürsten-Gleichstrommaschine mit relativ kleinem und über eine Umdrehung des Rotors relativ konstantem Rastmoment bereitgestellt werden. Desweiteren können kürzere Magnetsegmente verwendet werden, welche besser magnetisiert werden können. Der Stator der Bürsten-Gleichstrommaschine kann zum Beispiel sechs oder zehn Pole aufweisen. Diese können durch einen Ringmagneten gebildet sein, dem beispielsweise eine Halbach-Magnetisierung aufgeprägt ist. Damit können die notwendigen Magnetfeldstärken mit Hilfe von Magneten mit relativ wenig Magnetmaterial erreicht werden. Z.B. können Magnete verwendet werden, deren Dicke in radialer Richtung geringer ist als π·OD / P, wobei P die Anzahl der Magnetpole bezeichnet und OD den Außendurchmesser des Magneten. Die Dicke kann beispielsweise im Bereich von 0,4·OD / P bis 0,8·OD / P liegen. Bei einem Magneten mit 12 Polen und einem Außendurchmesser von 40 mm kann die Dicke beispielsweise nur 6 mm betragen. Die Dicke kann insbesondere im Bereich von 6 mm bis 10 mm liegen. Ein optionaler magnetischer Rückschluss kann dann auch sehr dünn ausgestaltet sein, wobei die Dicke nach unten hin lediglich durch die mechanische Fertigbarkeit beschränkt ist. Beispielsweise kann für das oben genannte Beispiel eines Magneten mit einem Außendurchmesser von 40 mm die Dicke des magnetischen Rückschlusses in radialer Richtung im Bereich von 0,3 mm bis 1,5 mm liegen. Dagegen wäre in einem typischen herkömmlichen Bürstenmotor ein Rückschluss mit einer Dicke von mindestens 2 mm bis 3 mm notwendig. Somit kann eine vergleichsweise kleine und kostengünstige Bürsten-Gleichstrommaschine bereitgestellt werden. Ebenso kann der Rückschluss aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise aus para- oder diamagnetischen Stoffen, gefertigt sein. Insbesondere kann der magnetische Rückschluss aus Aluminium, oder zumindest teilweise aus einem Kunststoff, bestehen.
-
Wenn sechs Pole vorgesehen sind, können die Wicklungen alle denselben Wickelsinn haben. Wenn zehn Pole vorgesehen sind, kann die mittlere der drei eine Phase bildenden Wicklungen einen anderen Wickelsinn haben als die beiden anderen Wicklungen derselben Phase.
-
In manchen Ausgestaltungen hat der Rotor einen Rotorkörper, der aus einem Blechstapel aufgebaut ist, wobei die axial außen liegenden Stirnbleche an ihrem Außenumfang erweitert und in axialer Richtung L-förmig gebogen sind, um die Wicklungen in radialer Richtung zu fixieren. Die L-förmigen Erweiterungen der Stirnbleche können mittels eines Außenrings in Umfangsrichtung stabilisiert sein.
-
Die Erfindung nutzt das einfache Design von Bürsten-Gleichstrommaschinen, das weder eine Steuereinrichtung noch Lagesensoren benötigt, und schafft eine Lösung, die einen mehrpoligen Stator, d.h. einen Stator mit wenigstens vier Polen, verwendet, wobei die Wicklungen gleichwohl mittels nur zwei Bürsten mit Strom versorgt werden können. Der Stator kann daher durch einen einfachen Ringmagneten gebildet werden, der mittels einer Magnetisierspule mit der gewünschten Anzahl von Polen ausgebildet ist. Die Anzahl der Pole des Stators, die Anzahl der Wicklungen, das Wickelschema und die Verbindung der Wicklungen mit den Kollektorblechen werden derart auf einander abgestimmt, dass die Versorgung der Wicklungen über die nur zwei Bürsten möglich ist. Dies kann z.B. erreicht werden mit einem ungeraden Verhältnis von Nuten und Bürstenanzahl sowie einer symmetrischen Anordnung des Bürsten-Kollektorplatte-Wicklungen-Systems, so dass sich das nach jeder Kommutierung ergebende Bild an bestromten Wicklungen rotationssymmetrisch ändert. Für eine 3-Phasige Maschine kommt z.B. ein 9-Nuten-Design oder ein 15 Nuten Design in Frage.
-
Um eine effiziente Bürstenlose-Gleichstrommaschine bereitzustellen, darf die Anzahl der Nuten geteilt durch die Anzahl der Bürsten keine ganze Zahl ergeben. Da erfindungsgemäß zwei Bürsten vorliegen, muss N eine natürliche, ungerade Zahl sein. Insbesondere ergibt sich N = 3· (2·n - 1), mit n = 2, 3, 4. Dadurch kann erreicht werden, dass während allen Kommutierungsschritten der bürstenlosen Gleichstrommaschine die gleiche Anzahl an Phasen bestromt wird, wobei sich die Rotationssymmetrie der räumlichen Anordnung der bestromten Wicklungen nicht ändert. Somit können Drehmomentschwankungen klein gehalten werden, und es kann eine effiziente Maschine bereitgestellt werden. Ebenso können dadurch Schwankungen der gegen-elektromotorischen Kraft klein gehalten werden. Vorzugsweise sind die beiden Bürsten, die Kollektorbleche und die auf den Nuten befindlichen Wicklungen derart angeordnet und verschaltet, dass bei einer Maschine mit sechs Magnetpolen die Kommutierungen in Intervallen von 20° einer elektrischen Umdrehung des Rotors erfolgen, und bei einer Maschine mit 10 Magnetpolen die Kommutierungen in Intervallen von 20° einer elektrischen Umdrehung des Rotors erfolgen.
-
Desweiteren ist es bevorzugt, wenn in jedem Kommutierungsschritt jeweils zwei der drei Phasen U, V, W parallel geschaltet und bestromt werden. An dem Eingang und dem Ausgang der dritten, unbestromten Phase kann dabei dasselbe elektrische Potential anliegen. Solch eine Anordnung kann insbesondere durch eine sogenannte Dreiecksschaltung der Phasenwicklungen erreicht werden. In der vorliegenden Erfindung können dazu die Phasenwicklungen über die Kollektorbleche und die Bürsten entsprechend verschaltet werden.
-
Figurenliste
-
Die Erfindung ist im Folgenden anhand verschiedener Ausgestaltungen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
- 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel einer Bürsten-Gleichstrommaschine gemäß der Erfindung;
- 2 zeigt in schematische Darstellung ein Beispiel der Verschaltung der Rotorwicklungen der Bürsten-Gleichstrommaschine der 1;
- 3 zeigt einen Längsschnitt und einen Querschnitt durch eine Bürsten-Gleichstrommaschine gemäß einem Beispiel der Erfindung; und
- 4 zeigt einen Längsschnitt und einen Querschnitt durch eine Bürsten-Gleichstrommaschine gemäß einem anderen Beispiel der Erfindung.
-
BESCHREIBUNG DER BEISPIELE
-
1 zeigt schematisch das Beispiel eines dreiphasigen Bürsten-Gleichstrommotors, der sechs Statorpole 12 und neun Rotorspulen 14-1 bis 14-9 aufweist. Die Statorpole 12 können beispielsweise durch einen Ringmagneten gebildet werden, dem mittels Magnetisierspulen eine entsprechende Magnetisierung aufgeprägt ist. Der Rotor des Gleichstrommotors kann aus einem Blechstapel mit neun Nuten und zwischen den Nuten liegenden neun Polzähnen ausgebildet sein, wobei die neun Polzähne die neun Wicklungen der Rotorspulen aufnehmen. Das Blechen des Rotors hat den Zweck, Wirbelströme bei der Ummagnetisierung der Rotorspulen zu vermeiden oder jedenfalls deutlich zu reduzieren. Die Rotorspulen liegen in dem Magnetfeld des Stators, so dass die bei Drehung erzeugte Lorentzkraft ein Drehmoment erzeugt. Die neun Rotorspulen 14-1 bis 14-9 sind mit neun Kollektorblechen 16-1 bis 16-9 verbunden. Zwei Bürsten 18-1, 18-2 sind in Kontakt mit den Kollektorblechen angeordnet und bilden Teil eines Kommutators, der während der Drehung des Rotors die Polung der Rotorspulen umschaltet.
-
In dem gezeigten Beispiel sind die Rotorspulen 14-1 bis 14-9 jeweils als konzentrierte Wicklungen ausgebildet, d.h. ein Polzahn nimmt jeweils die Wicklung nur einer Phase auf. Die drei Phasen des Gleichstrommotors sind mit U, V und W bezeichnet, wobei die Rotorspulen um den Umfang des Rotors verteilt in der Folge UVW UVW UVW angeordnet sind. Die Rotorspulen 14-1, 14-4 und 14-7 bilden die Wicklung der Phase U, die Rotorspulen 14-2, 14-5 und 14-8 bilden die Wicklung der Phase V, und die Rotorspulen 14-3, 14-6 und 14-9 bilden die Wicklung in der Phase W. Die Rotorspulen einer Phase sind jeweils in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung der Rotorspulen jeder Phase hat einen ersten Anschluss und ein zweiten Anschluss, die mit den Kollektorblechen16-1 bis 16-9 verbunden sind. Der erste Anschluss der Reihenschaltung der Rotorspulen der Phase U ist in 1 mit u bezeichnet und mit jedem dritten Kollektorblech 16-1, 16-4 und 16-7 verbunden. Der erste Anschluss der Reihenschaltung der Rotorspulen der Phase V ist in 1 mit v bezeichnet und mit jedem benachbarten dritten Kollektorblech 16-2, 16-5 und 16-8 verbunden. Und der erste Anschluss der Reihenschaltung der Rotorspulen der Phase W ist in 1 mit w bezeichnet und mit jedem nächsten benachbarten dritten Kollektorblech 16-3, 16-6 und 16-9 verbunden. Die zweiten Anschlüsse der Wicklungen der Phasen U, V und W sind jeweils mit den ersten Anschlüssen benachbarten Kollektorblechen verbunden, also für die Phase U mit den Kollektorblechen 16-2, 16-5 und 16-8, für die Phase V mit den Kollektorblechen 16-3, 16-6 und 16-9, und für die Phase W mit den Kollektorblechen 16-1, 16-3 und 16-7.
-
Die Bürsten 18-1 und 18-2 sind relativ zu den Kollektorblechen 16-1 bis 16-9 so angeordnet, dass dann, wenn eine Bürste genau ein Kollektorblech kontaktiert, das einer Phase zugeordnet ist, die andere Bürste zwei Kollektorbleche kontaktiert, die den anderen beiden Phasen zugeordnet sind. In dem gezeigten Beispiel kontaktiert zum Beispiel die Bürste 18-1 das der Phase U zugeordnete Kollektorblech 16-1, während gleichzeitig die Bürste 18-2 die beiden den Phasen V und W zugeordneten Kollektorbleche 16-5 und 16-6 kontaktiert. Die Länge der Bürsten 18-1 und 18-2 in horizontaler Richtung der Zeichenebene gemessen ist dabei kleiner als die halbe Länge eines Kollektorbleches 16-1 bis 16-9 in dieser Richtung. Wenn, wie in dem gezeigten Beispiel, der Motor drei Phasen hat und die Anzahl der Rotorspulen und der Kollektorbleche ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Phasen ist, dann kann die beschriebene Kontaktierung der Kollektorbleche durch die Bürsten dadurch erreicht werden, dass die Bürsten um 180° versetzt am Umfang des eines Kollektorblech-Rings angeordnet werden. Durch die Kombination aus Wickelschema, Verbindung der Wicklungen mit den Kollektorblechen und Anordnung der Bürsten ist es möglich, die Rotorspulen zur Kommutierung über die nur zwei Bürsten 18-1 und 18-2 mit Strom zu versorgen. Die Verwendung konzentrierter Wicklungen hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Herstellung der Rotorspulen einfach automatisiert werden kann. Es kann ein automatisierter Wickelprozess eingesetzt werden.
-
2 zeigt ein mögliches Verschaltungsschema des dreiphasigen Bürsten-Gleichstrommotors der 1 in einer etwas anderen Darstellung. Dieselben Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In dem Beispiel der 2 sind die Rotorspulen der Phasen U, V und W in Dreiecksschaltung verbunden. Der Knotenpunkt zwischen den Phasen U und W ist unter anderem mit dem Kollektorblech 16-1 verbunden; der Knotenpunkt zwischen den Phasen U und V ist unter anderem mit dem Kollektorblech 16-5 verbunden; und der Knotenpunkt zwischen den Phasen V und W ist unter anderem mit dem Kollektorblech 16-6 verbunden. Die Phasen sind um 120° verschoben. Die Reihenschaltung der Rotorspulen jeder Phase U, V, W ist an ihrem ersten Anschluss und an ihrem zweiten Anschluss jeweils mit drei Kollektorblechen verbunden, wie in 1 gezeigt. Ferner sind die Wicklungen von jeweils zwei Phasen abhängig von der Stellung der Bürsten 18-1, 18-2 parallel geschaltet, während die dritte Phase die Kommutierung durchführt. In dem Beispiel der 1 und 2 sind die Phasen V und W parallel geschaltet, während die Phase U die Kommutierung durchführt. Die beiden Bürsten sind, wie in 2 gezeigt, um 180° versetzt am Umfang eines Kollektorblech-Rings angeordnet, wobei in 2 nur drei Kollektorbleche des Kollektorblech-Rings gezeigt sind.
-
Anstelle der in 2 gezeigten Dreiecks-Schaltung können die Rotorspulen der Phasen U, V und W auch zum Beispiel in Sternschaltung angeschlossen sein.
-
3 zeigt linker Hand einen Längsschnitt und einen Querschnitt durch eine Bürsten-Gleichstrommaschine 60 gemäß einem Beispiel. Die Gleichstrommaschine 60 umfasst einen Stator 62 und einen Rotor 64, die koaxial zu einer Welle 66 in einem Motorgehäuse 68 angeordnet sind. Der Stator 62 ist in dem gezeigten Beispiel ein Ringmagnet, der an der Innenwand des Gehäuses 68 angebracht ist. Der Ringmagnet ist in Umfangsrichtung mehrpolig mehr kritisiert, wie beispielsweise mit Bezug auf die 1 beschrieben. Der Rotor 64 ist aus einem Blechstapel gebildet und drehfest auf die Welle 66 aufgebracht. Die Stirnbleche 72 können an ihrem Außenumfang gegenüber den übrigen Blechen des Blechstapels erweitert und in axialer Richtung L-förmig umgebogen sein, um die Rotorspulen in radialer Richtung gegen die auf sie wirkende Fliehkraft zu sichern. Die Rotorspulen 74 sind in dem gezeigten Beispiel als konzentrierte Wicklungen auf einen Spulenträger 76 aufgebracht. Der Spulenträger 76 isoliert die Rotorspulen oder Wicklungen 74 gegenüber dem Blechstapel des Rotors.
-
Die Welle 66 ist an dem Motorgehäuse 68 über Kugellager 78 und Lagerschilde 80 gelagert. In dem gezeigten Beispiel sind an den Lagerschilden 80 auch Schleifkontakte oder Bürsten 82 angebracht. Die Bürsten können aus einem Material bestehen, das eine verschleißarme gute Kontaktierung bietet, z.B. selbstschmierender Graphit, gegebenenfalls gemischt mit Kupferpulver; bei kleinen Motoren werden auch Edelmetall-Bürsten verwendet. Das Gegenstück der Bürsten 82 wird durch die Kollektorplatten 84 gebildet, die ringförmig und koaxial zu der Welle 66 angeordnet sind, wie in 2 angedeutet ist. Die Kollektorplatten 84 sind über eine Kollektorhaltevorrichtung 86 drehfest mit der Welle 66 und dem Rotor 64 gekoppelt. Die Kollektorhaltevorrichtung 86 kann aus Kunststoff bestehen, um die Kollektorplatten 84 gegenüber dem Rotor 64 elektrisch zu isolieren.
-
Ein Querschnitt durch den Bürsten-Elektromotor ist in 3 rechter Hand gezeigt. Dieselben Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals beschrieben. In der Querschnittsdarstellung ist gut zu erkennen, dass die einzelnen Kollektorplatten 84 durch das Kunststoffmaterial der Kollektorhaltevorrichtung 86 elektrisch getrennt sind. Ferner ist auch die Anordnung der Bürsten 82 relativ zu den Kollektorplatten 84 erkennbar. Wie erläutert sind in einem Rotor mit neun Rotorspulen gemäß den obigen Beispielen den Rotorspulen neun Kollektorplatten zugeordnet. Die Kollektorplatten 84 sind in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet. Die Bürsten 82 sind um 180° versetzt angeordnet, sodass dann, wenn eine der Bürsten genau eine Kollektorplatte kontaktiert, die andere Bürste zwei Kollektorplatten überbrückt. Dadurch werden zu einem gegebenen Zeitpunkt jeweils zwei Phasen der Gleichstrommaschine parallel geschaltet, während die dritte Phase an der Kommutierung teilnimmt. Die Phasenwicklungen werden mittels der Kollektorbleche und Bürsten somit einer Dreiecksschaltung entsprechend miteinander verschaltet. Insbesondere bei kleinen Bürsten-Gleichstrommaschinen kann es vorteilhaft sein, nicht zu kleine Bürsten zu verwenden, so dass der Idealzustand, dass immer nur eine der zwei Bürsten zwei Kollektorplatten kontaktiert, während die andere Bürste nur eine Kollektorplatte kontaktiert, nicht zu allen Zeitpunkten aufrechterhalten werden kann. Dafür würden Bürsten benötigt, deren Länge in Umfangsrichtung des Stators jeweils kleiner als die halbe Länge einer Kollektorplatte ist. Solche Ausgestaltungen sind im Sinne der Erfindung bevorzugt, können jedoch nicht immer realisiert werden. Daher ist es in manchen Ausgestaltungen der Erfindung vorgesehen, dass die Länge der Bürsten in Umfangsrichtung des Stators jeweils kleiner als die Länge einer Kollektorplatte in dieser Richtung ist. Dann gilt zumindest zu manchen Zeitpunkten, dass dann, wenn eine der Bürsten genau eine Kollektorplatte kontaktiert, die andere Bürste zwei Kollektorplatten überbrückt.
-
4 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung der Gleichstrommaschine wie 3, wobei dieselben Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals beschrieben sind. Die Ausgestaltung der 4 unterscheidet sich von der 3 dadurch, dass an dem Außenumfang der L-förmig umgebogenen Erweiterungen der Stirnbleche 72 jeweils ein Stabilisierungsring 88 angeordnet ist, der der auf die Stirnbleche 72 und die Rotorspulen 74 wirkenden Fliehkraft entgegenwirkt. Dieser Stabilisierungsring 88 kann aus einem nicht magnetischen Metall oder Kunststoff hergestellt sein.
-
Die erfindungsgemäße Bürsten-Gleichstrommaschine ist anwendbar als Antriebsmotor insbesondere für Anwendungen, in denen kostengünstige Motoren für Anwendungen mit relativ geringen Drehzahlen benötigt werden. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Bürsten-Gleichstrommaschine als Antriebsmotor mit einer Nenndrehzahl von 4000 Umdrehungen pro Minute eingesetzt werden. Beispielhafte Anwendungen sind Stellmotoren in einem Automobil, in einem Heim-Automatisierungssystem oder in industriellen Anwendungen. Insbesondere kann solch ein Motor auch als Klappensteller für einen Kühlergrill eines Kraftfahrzeugs, eine Klimaanlage oder eine andere Anwendung eingesetzt werden. Ebenso kann solch ein Motor als Antriebsmotor für einen Lüfter, ein Elektrowerkzeug oder ein Haushaltsgerät verwendet werden.
-
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzelne als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2015/01800299 A1 [0003]
