DE102022108902A1

DE102022108902A1 - Bürstenmotor

Info

Publication number: DE102022108902A1
Application number: DE102022108902.9A
Authority: DE
Inventors: Tadayuki Wakita
Original assignee: Mabuchi Motor Co Ltd
Current assignee: Mabuchi Motor Co Ltd
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2022-11-03
Also published as: US20220352791A1; CN115276360A; US11888360B2; JP2022170832A

Abstract

Für einen Bürstenmotor werden mit einer einfachen Ausgestaltung Kompaktheit und ein hohes Drehmoment erzielt.Der Bürstenmotor 1 umfasst einen Ankerkern 10, der an einem Anker 6 bereitgestellt ist, s Zähne 11, die an dem Ankerkern 10 bereitgestellt sind, s Spulen 7 mit konzentrierter Wicklung, bei denen die einzelnen Zähne 11 mit einem elektrischen Leiter bewickelt sind, einen Kommutator 8, der in den Bezug auf den Ankerkern 6 nicht relativ zu diesem drehbar bereitgestellt ist, c Kommutatorstücke 9, die am Kommutator 8 bereitgestellt sind und mit den Spulen 7 verbunden sind, p Paare Magnetpole 5, die an einem Ständer 3 bereitgestellt und den Zähnen 11 zugewandt angeordnet sind, und eine Bürste 21, die in Schleifkontakt mit den Kommutatorstücken 9 steht und den Spulen 7 elektrischen Strom zuführt, wobei 0,5<p/s<1 und s<c gilt. Ein Flügelwinkel θWder Zähne 11 weist vorzugsweise mindestens die Größe eines Magnetwinkels θMauf, der ein Winkel ist, in dem ein Magnetisierungsbereich eines Magnetpols 5 die Drehachse C abdeckt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bürstenmotor, bei dem Spulen über einen Kommutator mit Strom von einer Bürste versorgt werden.
Allgemeiner Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist ein Gleichstrommotor mit Bürste bekannt, bei dem die Anzahl von Spulen größer als die Anzahl von Erregerpolen ist. Als ein Beispiel für einen solchen Motor wird ein vier Pole und sechs Nuten aufweisender Motor mit einer konzentrierten Wicklungsstruktur (Struktur, bei der die Leiter der Spulen separat um die einzelnen Zähne gewickelt sind) genannt, der vier Pole und sechs Eisenkernnuten (Schlitze) aufweist. In diesem Motor sind Spulen in gleicher Anzahl wie die Eisenkernnuten bereitgestellt und es sind sechs Spulen und damit mehr als die vier Pole darin untergebracht (siehe Patentdokument 1).
Dokumente des Stands der Technik
Patentdokumente
Patentdokument 1: JP H11-69747 A
Kurzdarstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Wenn bei einem Motor mit Spulen in konzentrierter Wicklungsstruktur die Anzahl der Spulen größer als die Anzahl der Pole ist, wird ein Flügelwinkel in einem Schnitt vertikal zur Drehachse des Motors schmaler als ein Magnetwinkel. Daraus ergibt sich das Problem einer unzureichenden Aufnahme des magnetischen Flusses, sodass der magnetische Fluss nicht wirkungsvoll genutzt werden kann. Wenn Spulen mit verteilter Wicklungsstruktur angewandt werden, bei denen der elektrische Leiter mehrere Zähne überspannt, verdicken sich die Spulenenden und erhöhen den Wicklungswiderstand, woraus sich das Problem ergibt, dass sich nur schwer ein hohes Drehmoment erzielen lässt.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht dieser Probleme getätigt, und ihr liegt als eine Aufgabe zugrunde, einen Bürstenmotor bereitzustellen, der mit einer einfachen Ausgestaltung Kompaktheit und ein hohes Drehmoment erzielt. Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist dabei nicht auf die genannte Aufgabe beschränkt, und auch Wirkungen, die sich aus verschiedenen in den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung dargelegten Ausgestaltungen ergeben und im Stand der Technik nicht erzielbare Wirkungen mit sich bringen, können als weitere Aufgaben des vorliegenden Gegenstands gelten.
Mittel zum Lösen der Aufgabe
Ein offenbarter Bürstenmotor umfasst einen Ankerkern, der an einem Anker bereitgestellt ist, s Zähne, die an dem Ankerkern bereitgestellt sind, s Spulen mit konzentrierter Wicklung, bei denen die einzelnen Zähne mit einem elektrischen Leiter bewickelt sind, einen Kommutator, der in den Bezug auf den Ankerkern nicht relativ zu diesem drehbar bereitgestellt ist, c Kommutatorstücke, die am Kommutator bereitgestellt sind und mit den Spulen verbunden sind, p Magnetpolpaare, die an einem Ständer bereitgestellt und den Zähnen zugewandt angeordnet sind, und eine Bürste, die in Schleifkontakt mit den Kommutatorstücken steht und den Spulen elektrischen Strom zuführt, wobei die folgende Ungleichung A und Ungleichung B gelten. $0,5 < p/s < 1$
$s < c$
Wirkung der Erfindung
Gemäß der Technik der Offenbarung wird eine ausreichende Ausbeute an magnetischem Fluss ermöglicht und es können mittels einer einfachen Ausgestaltung Kompaktheit und ein hohes Drehmoment erzielt werden.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Bürstenmotors als ein erstes Ausführungsbeispiel;
2 eine perspektivische Ansicht eines Rotors, der in dem Bürstenmotor aus 1 aufgenommen ist;
3 eine Schnittansicht des Bürstenmotors aus 1;
4 eine Ansicht eines Magnetwinkels und eines Rotorwinkels des Bürstenmotors aus 1;
5 ein Schaltbild, das die Struktur einer Speiseschaltung im Bürstenmotor aus 1 veranschaulicht;
6(A) eine Ansicht eines Bürstenmotors (vier Pole, sechs Schlitze) als Vergleichsbeispiel;
6(B) eine Ansicht des Bürstenmotors aus 1 (vier Pole, drei Schlitze);
7(A) eine Ansicht eines Bürstenmotors (ohne Wendepol) als Vergleichsbeispiel;
7(B) eine Ansicht des Bürstenmotors aus 1 (mit Wendepol);
8 eine Schnittansicht eines Bürstenmotors als ein zweites Ausführungsbeispiel;
9 eine Ansicht eines Magnetwinkels und eines Rotorwinkels des Bürstenmotors aus 8;
10 ein Schaltbild, das die Struktur einer Speiseschaltung im Bürstenmotor aus 8 veranschaulicht;
11 eine Schnittansicht eines Bürstenmotors als ein drittes Ausführungsbeispiel;
12 eine Ansicht eines Magnetwinkels und eines Rotorwinkels des Bürstenmotors aus 11;
13 ein Schaltbild, das die Struktur einer Speiseschaltung im Bürstenmotor aus 11 veranschaulicht; und
14 ein Kurvendiagramm zum Erläutern des Magnetwinkels eines Ringmagneten.

Ausführungsform der Erfindung
1. Erstes Ausführungsbeispiel
A. Aufbau
1 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der wesentlichen Elemente eines Bürstenmotors 1 (Motors mit Bürste) als ein erstes Ausführungsbeispiel. Der Bürstenmotor 1 umfasst einen Stator 3 (Ständer), einen Rotor 6 (Anker) und eine Welle 20. Der Stator 3 und der Rotor 6 sind, wie in 1 gezeigt, in einem Gehäuse 2 mit der Form eines Zylinders mit Boden aufgenommen. In 1 wurde auf die Darstellung eines Deckelelements (Endglocke), welches einen geöffneten Endabschnitt des Gehäuses 2 (in 1 den linken Endabschnitt) verschließt, verzichtet. Auch ist die Welle 20 ein achsförmiges Element, das über ein nicht dargestelltes Lager an dem Gehäuse 2 und der Endglocke gelagert wird. Der Stator 3 ist am Gehäuse 2 fixiert und der Rotor 6 ist an der Welle 20 fixiert und dreht sich einstückig mit der Welle 20. Die Mittelachse der Welle 20 stimmt mit einer Drehachse C des Rotors 6 überein.
Am Stator 3 ist zum Erzeugen eines auf den Rotor 6 einwirkenden Magnetfelds ein Magnet 4 (Permanentmagnet) bereitgestellt. Der Magnet 4 weist p Paare Magnetpole 5 auf, die in Form einer gekrümmten Fläche gebildet sind. Die Form der Magnetpole 5 ist beispielsweise die eines Kreisbogens oder eine ähnliche Form. Die Magnetpole 5 sind an der Innenumfangsfläche des Gehäuses 2 verlaufend angebracht und in einem festgelegten Abstand zueinander in Umfangsrichtung (Umfangsrichtung eines Kreises an einem Schnitt vertikal zur Drehachse C, dessen Mittelpunkt die Drehachse C ist) angeordnet. Die Ausrichtung des Magnetfelds ist als Richtung von außerhalb des Gehäuses 2 nach innen oder in umgekehrter Richtung (vom Inneren nach außen) eingestellt. In der vorliegenden Schrift ist die Anordnung derart, dass sich die Ausrichtung des Magnetfelds zwischen den Magnetpolen 5 umkehrt.
Der in 1 gezeigte Magnet 4 ist derart gebildet, dass vier Magnetstücke kombiniert sind, wobei an einem Stück ein Polpaar magnetisiert ist, doch kann er auch derart gebildet sein, dass Magnetstücke kombiniert sind, wobei an einem Stück mehrere Polpaare magnetisiert sind. Alternativ kann als der Magnet 4 auch ein rohrförmiger Magnet (Ringmagnet) benutzt werden, der nicht in mehrere Magnetstücke unterteilt ist. Bei einem Ringmagneten sind die mehreren Magnetpole 5 (Magnetisierungsbereiche) in Umfangsrichtung benachbart angeordnet, wobei zwischen den Magnetpolen 5 ein Nichtmagnetisierungsbereich bereitgestellt sein kann. Der Nichtmagnetisierungsbereich ist ein Bereich, der im Wesentlichen nicht zur Bildung des Magnetfelds in Bezug auf den Rotor 6 beiträgt, und entspricht den Stellen, an denen in 1 Spalte zwischen den Magnetpolen 5 vorliegen. Die physikalische Unterteilung des Magneten 4 muss somit nicht mit der magnetischen Unterteilung übereinstimmen.
Am Rotor 6 sind ein in Bezug auf die Welle 20 nicht drehbar fixierter Kern 10 (Ankerkern) und ein Kommutator 8 (Stromwender) bereitgestellt. Bei dem Kern 10 sind mehrere Bleche gleicher Form aufeinander laminiert. Die Laminierungsrichtung der Bleche ist die gleiche wie die Erstreckungsrichtung der Drehachse C. An diesem Kern 10 sind in einem Schnitt vertikal zur Drehachse C strahlförmig von der Drehachse C vorspringende geformte Zähne 11 in der Anzahl s bereitgestellt. Durch Bewickeln der einzelnen Zähne 11 mit einem elektrischen Leiter sind s Spulen 7 (konzentriert gewickelte Spulen) gebildet.
Der Kommutator 8 ist ein Element, das dazu dient, Spulen 7 in der passenden Position Strom der passenden Ausrichtung entsprechend dem Drehwinkel des Rotors 6 zuzuführen. Am Kommutator 8 sind krummflächig gebildete Kommutatorstücke 9 in der Anzahl c bereitgestellt. Die Form der Kommutatorstücke 9 ist beispielsweise die eines Kreisbogens oder eine ähnliche Form. Die Kommutatorstücke 9 sind derart angeordnet, dass sie an der Außenumfangsfläche der Welle 20 zueinander benachbart sind. Zwischen die Kommutatorstücken 9 und die Spulen 7 sind Speisekreise 23 geschaltet. Die Schaltungsstruktur der Speisekreise 23 wird nachstehend beschrieben.
Am Umfang des Kommutators 8 ist eine Bürste 21 in Kontakt mit der Oberfläche der Kommutatorstücke 9 bereitgestellt. Die Bürste 21 ist an einem Ende eines Bürstenarms 22 angebracht und in einem Zustand gelagert, in dem sie elastisch an die Kommutatorstücke 9 angedrückt wird. Die Bürste 21 und der Bürstenarm 22 sind paarweise bereitgestellt. Das andere Ende der Bürstenarme 22 ist sich durch das Deckelelement hindurch aus dem Gehäuse 2 heraus erstreckend bereitgestellt und ist ein Anschluss zum Zuführen von elektrischem Strom. Die Bürsten 21 sind derart bereitgestellt, dass sie mit einem der c Kommutatorstücke 9 in Kontakt stehen.
Die Werte von p, s, c sind in der vorliegenden Schrift derart eingestellt, dass die Beziehung zwischen den p Paaren Magnetpole 5, den s Spulen 7 und den c Kommutatorstücken 9 die folgenden Ungleichungen erfüllt. Dabei gilt, dass ein Wert, der sich durch Teilen der Anzahl p der Paare Magnetpole 5 (je zwei Stück bilden ein Paar) durch die Anzahl s der Spulen 7 größer als 0,5 und kleiner als 1 ist. Außerdem gilt, dass die Anzahl s der Spulen 7 kleiner als die Anzahl c der Kommutatorstücke 9 ist. $0,5 < p/s < 1$
$s < c$
Eine Abwandlung der Ungleichung A lautet „p<s<2p“. Die Einstellung kann somit derart sein, dass die Anzahl s der Spulen 7 größer als die Anzahl p der Paare Magnetpole 5 und kleiner als die Summe 2p der Paare Magnetpole 5 ist.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die den Rotor 6 mit dem Kern 10 unter Weglassung der Leiter der Spulen 7 zeigt. Die Zähne 11 weisen jeweils einen Pfostenabschnitt 12 und einen Flügelabschnitt 13 auf. Der Pfostenabschnitt 12 ist ein Teil, der sich in Radialrichtung des Rotors 6 nach außen erstreckt. Der Flügelabschnitt 13 ist ein krummflächiger Teil (mit einer Kreisbogenform oder ähnlichen Form), der sich vom äußeren Endabschnitt des Pfostenabschnitts 12 in Umfangsrichtung des Rotors 6 entfaltet und den Magnetpolen 5 kontaktfrei zugewandt angeordnet ist. Der elektrische Leiter der Spulen 7 ist in konzentrierter Wicklungsart in mehreren Lagen auf die Pfostenabschnitte 12 gewickelt.
3 ist eine Schnittansicht des Stators 3 und des Rotors 6. Der Einfachheit halber erfolgt die Darstellung dabei auch in der Schnittansicht der Kommutatorstücke 9 überlagernd. Bei dem Bürstenmotor 1 sind zwei Paare Magnetpole 5, drei Spulen 7 und sechs Kommutatorstücke 9 bereitgestellt. Die Kombination aus (p, s, c) lautet (2, 3, 6), und es handelt sich um einen Motor mit vier Polen und drei Nuten.
An dem Kern 10 des Bürstenmotors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Wendepol 14 bereitgestellt. Der Wendepol 14 ist ein Teil, das sich strahlförmig von der Drehachse C des Rotors 6 erstreckend bereitgestellt ist und den magnetischen Fluss unterstützt, und ist einstückig mit dem Kern 10 bereitgestellt. Wie in 3 gezeigt, ist der Wendepol 14 zwischen in einem Schnitt vertikal zur Drehachse C benachbarten Zähnen 11 angeordnet und derart bereitgestellt, dass er die Spulen 7 voneinander trennt. Der Wendepol 14 weist keine Spule 7 auf, und der elektrische Leiter der Spulen 7 ist nicht auf den Wendepol 14 gewickelt. Wie in einem nachstehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, kann außerdem am Vorderende des Wendepols 14 ein Wendepolflügelabschnitt 16 gebildet sein. Zwischen dem Flügelabschnitt 13 der Zähne 11 und dem Wendepol 14 ist ein Schlitz 17 mit festgelegter Breite bereitgestellt. Auf diese Weise wird eine Schlitzbreite W in Wicklungsrichtung der Spulen 7 (Erstreckungsrichtung der Pfostenabschnitte 12 und Radialrichtung des Rotors 6) gewährleistet.
4 ist eine Ansicht eines Magnetwinkels θ_M und eines Flügelwinkels θ_W des Bürstenmotors 1. Ein Bereich, in dem der Magnetisierungsbereich eines Magnetpol 5 in einem Schnitt vertikal zur Drehachse C den Rotor 6 im Wesentlichen bedeckt, ist als Winkel in Bezug auf die Drehachse C ausgedrückt und wird als Magnetwinkel θ_M bezeichnet. Wenn der Magnet 4 beispielsweise wie in 4 gezeigt in mehrere Magnetpole 5 (mehrere Magnetstücke) unterteilt ist, so ist in einem Schnitt vertikal zur Drehachse C ein fächerförmiger Zentriwinkel, der von dem Magnetpol 5 und von Linien umgeben ist, die die beiden Enden des Magnetpols 5 mit der Drehachse C verbinden, als Magnetwinkel θ_M definiert. Wenn der Magnet 4 ein Ringmagnet ist, so ist der Bereich, der keinen Nichtmagnetisierungsbereich beinhaltet und in dem die Magnetkraft in radialer Richtung auftritt, als Winkel in Bezug auf die Drehachse C ausgedrückt und als der Magnetwinkel θ_M definiert.
Er gilt als ein Winkel, wobei bei einem Ringmagneten oder wenn ein Magnetstück mit mehreren Polen magnetisiert ist, an den beiden Endabschnitten des Magnetisierungsbereichs die magnetische Flussdichte von der Mittelposition der einzelnen Pole (Mittelposition der Magnetisierung) aus abnimmt und die magnetische Flussdichte zunächst 0 ist. Die Beziehung zwischen der Verteilung der magnetischen Flussdichte bei einem Ringmagneten und dem Magnetwinkel θ_M ist in 14 gezeigt. Die Winkel θ₀-θ₁₂ in 14 geben den Winkel an, an dem die magnetische Flussdichte 0 ist. Wie in 14 zu erkennen, entsteht bei 0° (θ₀-θ₁), 90° (θ₂-θ₄), 180° (θ₅-θ₇) und 270° (θ₈-θ₁₀), die Wechselpositionen benachbarter Pole entsprechen, ein Nichtmagnetisierungsbereich oder ein geringfügiger Polumkehrungsbereich, und der Magnetwinkel θ_M ist unter Ausschluss dieser Bereiche definiert. Ein Winkelbereich, in dem in 14 der Absolutwert der magnetische Flussdichte wie bei θ₁-θ₂, θ₄-θ₅, θ₇-θ₈ und θ₁₀-θ₁₁ 0 übersteigt, dann die Mittelposition des jeweiligen Pols einschließt und schließlich wieder 0 wird, ist als der Magnetwinkel θ_M definiert. In jedem Fall ist in einem Schnitt vertikal zur Drehachse C der Winkel, den der Magnetisierungsbereich eines Magnetpols 5 mit der Drehachse C bildet, als der Magnetwinkel θ_M definiert.
Der Bereich, in dem in einem Schnitt vertikal zur Drehachse C ein Flügelabschnitt 13 dem Magneten 4 gegenüberliegt, ist als ein Winkel in Bezug auf die Drehachse C ausgedrückt und wird als Flügelwinkel θ_W bezeichnet. Somit ist in einem Schnitt vertikal zur Drehachse C ein fächerförmiger Zentriwinkel, der von dem Flügelabschnitt 13 und von Linien umgeben ist, die die beiden Enden des Flügelabschnitts 13 mit der Drehachse C verbinden, als Flügelwinkel θ_W definiert. Bei dem Bürstenmotor 1 des ersten Ausführungsbeispiels ist der Flügelwinkel θ_W vorzugsweise mindestens auf die Größe des Magnetwinkels θ_M eingestellt (θ_W≥θ_M). Dadurch kann der magnetische Fluss leicht durch die Zähne 11 aufgenommen und der magnetische Fluss wirksam genutzt werden.
5 ist ein Schaltbild, das die Struktur des Speisekreises 23 veranschaulicht. Die s Spulen 7 sind ringförmig geschaltet. In 5 sind drei Spulen 7 nach Art einer Deltaschaltung (Dreieckschaltung) verbunden. Die c (in 5 sechs) Kommutatorstücke 9 sind jeweils alle 360/p Grad am Drehwinkel des Rotors 6 (in 5 alle 180 Grad) an dem ringförmigen Spulenkreis kurzgeschlossen. C₁-C₆ in 5 zeigen die sechs Kommutatorstücke 9 an. Bei dem ringförmigen Spulenkreis aus 5 ist beispielsweise ein Punkt Pi zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule an den Kommutatorstücken C₁, C₄ kurzgeschlossen. Die Position dieser Kommutatorstücke C₁, C₄ ist eine in Bezug auf die Drehachse C um 180 Grad versetzte Position. Das Potenzial an Punkt Pi ist also mit jeder halben Drehung der Drehachse C gleich. Ebenso ist ein Punkt P₂ zwischen der zweiten Spule und der dritten Spule an den Kommutatorstücken C₂, C₅ kurzgeschlossen und ein Punkt P₃ zwischen der dritten Spule und der ersten Spule an den Kommutatorstücken C₃, C₆ kurzgeschlossen.
B₁, B₂ in 5 zeigen die zwei Bürsten 21 an. Die Position der Bürsten B₁, B₂ ist eine in Bezug auf die Drehachse C um 90 Grad versetzte Position. Die eine Bürste 21 ist mit dem Pluspol der Stromversorgung verbunden und die andere Bürste 21 ist mit dem Minuspol der Stromversorgung verbunden. Die Bürsten B₁, B₂ sind jeweils mit einem der Kommutatorstücke C₁-C₆ verbunden. Die Kommutatorstücke 9 der sechs Kommutatorstücke 9, die mit den Bürsten 21 verbunden sind, wechseln je nach Drehwinkel. So ändert sich beispielsweise die Kombination der mit den Bürsten B₁, B₂ verbundenen Kommutatorstücke 9 im Zuge der Drehung des Rotors 6 wie folgt: (C₆, C₁, C₂), (C₁, C₂), (C₁, C₂, C₃), (C₂, C₃)... Durch diese Schaltungsstruktur wird der Rotor 6 in vorteilhafter Weise mit hohem Drehmoment drehend angetrieben.
B. Wirkungsweise und Wirkung
6(A) zeigt einen Bürstenmotor (vier Pole, sechs Nuten) als Vergleichsbeispiel. Bei diesem Bürstenmotor beträgt die Anzahl der Spulen 7 sechs und ist damit größer als im ersten Ausführungsbeispiel, während die Anzahl p der Paare Magnetpole 5 mit zwei gleich wie im ersten Ausführungsbeispiel ist und der Magnetwinkel θ_M knapp unter 90 Grad beträgt. Da die Anzahl der Spulen sechs beträgt, beträgt der Flügelwinkel θ_W maximal höchstens 60 Grad, sodass der Flügelwinkel θ_W im Vergleich zum Magnetwinkel θ_M klein ist. Daraus ergibt sich eine unzureichende Aufnahme des magnetischen Flusses, sodass der magnetische Fluss nicht wirkungsvoll genutzt werden kann.
Im Gegensatz dazu beträgt bei dem Bürstenmotor 1 (vier Pole, drei Nuten) des ersten Ausführungsbeispiels die Anzahl der Spulen drei, weshalb der Flügelwinkel θ_W sich wie in 6(B) gezeigt vergrößert. Dadurch kann die Gegenüberlageoberfläche der Flügelabschnitte 13 gegenüber den Magnetpolen 5 gewährleistet werden, sodass der magnetische Fluss leicht durch die Zähne 11 aufgenommen und der magnetische Fluss wirksam genutzt wird.
7(A) zeigt eine Ansicht eines Bürstenmotors (ohne Wendepol) als Vergleichsbeispiel. Wenn kein Wendepol 14 am Kern 10 vorhanden ist, ist der von den Magnetpolen 5 an den Kern 10 angelegte magnetische Fluss intermittierend, sodass es leicht zu Schwingungen (Nutrasten) kommt. In dem Zustand beispielsweise, in dem der vergleichsweise breite Schlitz 17 einem Magnetpol 5 gegenüberliegt, wirkt der in 7(A) durch den weißen Pfeil angezeigte magnetische Fluss nicht auf den Kern 10 ein. Da außerdem am Gehäuse 2 Wirbelströme auftreten, besteht die Gefahr eines Verlustanstiegs. Darüber hinaus sinkt der magnetische Leitwert und es besteht die Gefahr einer leichten Entmagnetisierung.
Bei dem Bürstenmotor 1 des ersten Ausführungsbeispiels dagegen ist der Wendepol 14 bereitgestellt und der Schlitz 17 ist vergleichsweise schmal, weshalb der magnetische Fluss kontinuierlich ist. Wie beispielsweise in 7(B) durch den schwarzen Pfeil gezeigt, wirkt auch dann, wenn der Teil mit dem Wendepol 14 oder dem Schlitz 17 einem Magnetpol 5 gegenüberliegt, der magnetische Fluss auf den Kern 10 ein. Auf diese Weise lassen sich Schwingungen (Nutrasten) leicht verringern. Da außerdem am Gehäuse 2 nicht ohne Weiteres Wirbelströme auftreten, sinkt der Verlust. Auch wird der Wicklungsdraht-Rotor-Ausgleich verbessert, unter anderem da der magnetische Leitwert ansteigt und es weniger leicht zu Entmagnetisierung kommt.
Gemäß dem Bürstenmotor 1 des ersten Ausführungsbeispiels können die folgenden Wirkungen erlangt werden.
(1) Bei dem Bürstenmotor 1 des ersten Ausführungsbeispiels sind die Wert für p, s, c so eingestellt, dass 0,5<p/s<1 und s<c gelten. Im Vergleich zu einem existierenden Bürstenmotor, wie er beispielsweise in 6(A) gezeigt ist, lässt sich daher die Größe des Bürstenmotors 1 auf einfache Weise verringern oder bei gleicher Größe (gleichem Volumen) ein höheres Drehmoment erzielen. Da die Flügelabschnitte 13 der Zähne 11 den Magnetpolen 5 leichter mit ausreichend großer Oberfläche gegenüberliegen, kann der magnetische Fluss wirksam genutzt werden. Somit wird eine ausreichende Ausbeute an magnetischem Fluss ermöglicht und es können mittels einer einfachen Ausgestaltung Kompaktheit und ein hohes Drehmoment erzielt werden.
Im Vergleich zum existierenden Bürstenmotor ist die Breitenrichtung des Schlitzes 17 in Bezug auf die Wicklungsrichtung des Wicklungsdrahts annähernd parallel, weshalb die Nettoschlitzbreite W vergrößert werden kann und sich der Wicklungsdraht leichter wickeln lässt. Darüber hinaus ist die Anzahl der Arbeitsschritte für den Wicklungsdraht gering, sodass der Arbeits- und Kostenaufwand bei der Herstellung reduziert werden kann.
(2) Bei dem Bürstenmotor 1 des ersten Ausführungsbeispiels weist, wie in 6(B) gezeigt, der Flügelwinkel θ_W mindestens die Größe des Magnetwinkels θ_M auf. Dadurch kann die Gegenüberlageoberfläche der Flügelabschnitte 13 gegenüber den Magnetpolen 5 gewährleistet werden, sodass der magnetische Fluss zuverlässig wirksam genutzt werden kann. Im Vergleich dazu, dass der Flügelwinkel θ_W kleiner als der Magnetwinkel θ_M ist, können zudem Schwingungen (Nutrasten) reduziert werden. Durch Vergrößern des Flügelwinkels θ_W kann außerdem die Schlitzbreite W vergrößert werden, sodass sich der Wicklungsdraht leichter wickeln lässt.
(3) An dem Bürstenmotor 1 des ersten Ausführungsbeispiels ist wie in 7(B) gezeigt der Wendepol 14 bereitgestellt. Durch Bereitstellen des Wendepols 14 kann der zwischen den Magnetpolen 5 und dem Kern 10 empfangene magnetische Fluss kontinuierlich gemacht werden, wodurch Schwingungen (Nutrasten) reduziert werden können. Auch kann das Auftreten von Wirbelströmen am Gehäuse 2 verhindert werden, wodurch Verluste reduziert werden können. Auch kann der Wicklungsdraht-Rotor-Ausgleich verbessert werden, unter anderem da der magnetische Leitwert ansteigt und es weniger leicht zu Entmagnetisierung kommt.
(4) An dem Bürstenmotor 1 des ersten Ausführungsbeispiels sind die Spulen 7 wie in 5 gezeigt ringförmig geschaltet. Auch sind die Kommutatorstücke 9 an dem ringförmigen Spulenschaltkreis bezüglich des Drehwinkels des Rotors 6 alle 180 Grad (alle 360/p Grad) kurzgeschlossen. Durch eine solche Schaltungsstruktur kann im Vergleich zu einem existierenden Bürstenmotor die Bürstenanzahl auf 1/p reduziert werden, wodurch sich die Größe des Bürstenmotors 1 auf einfache Weise verringern lässt und mit einer einfachen Ausgestaltung Kompaktheit und ein hohes Drehmoment erzielt werden können.
(5) Bei dem Bürstenmotor 1 des ersten Ausführungsbeispiels sind zwei Paare Magnetpole 5, drei Spulen 7 und sechs Kommutatorstücke 9 bereitgestellt und die Kombination von (p, s, c) ist (2, 3, 6). Durch diese Ausgestaltung kann mit einer einfachen Ausgestaltung mit geringer Spulenanzahl ein Bürstenmotor 1 mit hohem Drehmoment erzielt werden, und auch mehr Kompaktheit durch die Zunahme des magnetischen Flusses ist leicht zu erreichen.
2. Zweites Ausführungsbeispiel
8 ist eine Schnittansicht der Struktur eines Bürstenmotors 41 als ein zweites Ausführungsbeispiel. Der Einfachheit halber erfolgt die Darstellung dabei durch Überlagern der Schnittansicht der Kommutatorstücke 9 mit der Schnittansicht des Stator 3 und Rotor 6. Elemente, die den im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Elementen entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung entfällt. Bei dem Bürstenmotor 41 sind drei Paare Magnetpole 5, vier Spulen 7 und zwölf Kommutatorstücke 9 bereitgestellt. Die Kombination aus (p, s, c) lautet (3, 4, 12), und es handelt sich um einen Motor mit sechs Polen und vier Nuten.
Der am Kern 10 des Bürstenmotors 41 gemäß dem zweites Ausführungsbeispiel bereitgestellte Wendepol 14 weist einen Wendepolpfostenabschnitt 15 und einen Wendepolflügelabschnitt 16 auf. Wie in 8 gezeigt, ist der Wendepolpfostenabschnitt 15 ein Teil, der sich in Radialrichtung des Rotors 6 nach außen erstreckt. Der Wendepolflügelabschnitt 16 ist ein krummflächiger Teil (mit einer Kreisbogenform oder ähnlichen Form), der sich vom äußeren Endabschnitt des Wendepolpfostenabschnitts 15 in Umfangsrichtung des Rotors 6 entfaltet und den Magnetpolen 5 kontaktfrei zugewandt angeordnet ist. Auch weist der Wendepol 14 keine Spule 7 auf, und der elektrische Leiter der Spulen 7 ist nicht auf den Wendepol 14 gewickelt. Der Wendepolflügelabschnitt 16 kann auch wegfallen und es kann ein Wendepol 14 in gleicher Form wie beim ersten Ausführungsbeispiel gebildet sein.
9 ist eine Ansicht eines Magnetwinkels θ_M und eines Flügelwinkels θ_W des Bürstenmotors 41. Auch bei dem Bürstenmotor 41 des zweiten Ausführungsbeispiels ist der Flügelwinkel θ_W vorzugsweise mindestens auf die Größe des Magnetwinkels θ_M eingestellt (θ_W≥θ_M). Dadurch kann der magnetische Fluss leicht durch die Zähne 11 aufgenommen und der magnetische Fluss wirksam genutzt werden.
Zwischen die Kommutatorstücken 9 und die Spulen 7 sind Speisekreise 42 geschaltet. 10 ist ein Schaltbild, das die Struktur des Speisekreises 42 veranschaulicht. Die vier Spulen 7 sind ringförmig geschaltet. Die zwölf Kommutatorstücke 9 sind jeweils alle 360/p Grad am Drehwinkel des Rotors 6 (also alle 120 Grad) an dem ringförmigen Spulenkreis kurzgeschlossen. Bei dem ringförmigen Spulenkreis aus 10 ist beispielsweise ein Punkt Q₁ zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule an den Kommutatorstücken C₁, C₅, C₉ kurzgeschlossen.
Die Position dieser Kommutatorstücke C₁, C₅, C₉ ist eine in Bezug auf die Drehachse C um 120 Grad versetzte Position. Das Potenzial an Punkt Q₁ ist also mit jeder Dritteldrehung der Drehachse C gleich. Ebenso ist ein Punkt Q₂ zwischen der zweiten Spule und der dritten Spule an den Kommutatorstücken C₂, C₆, C₁₀ kurzgeschlossen. Ebenso ist ein Punkt Q₃ zwischen der dritten Spule und der vierten Spule an den Kommutatorstücken C₃, C₇, C₁₁ kurzgeschlossen und ein Punkt Q₄ zwischen der vierten Spule und der ersten Spule an den Kommutatorstücken C₄, C₈, C₁₂ kurzgeschlossen. Die Position der Bürsten B1, B2 ist eine in Bezug auf die Drehachse C um 180 Grad versetzte Position.
Gemäß dem Bürstenmotor 41 des zweiten Ausführungsbeispiels lassen sich die gleichen Wirkungen wie beim ersten Ausführungsbeispiel erlangen. Beispielsweise ist in Bezug auf den Bürstenmotor auf einfache Weise eine Verkleinerung möglich, oder es kann bei gleicher Größe ein höheres Drehmoment erzielt werden. Im Vergleich zum Bürstenmotor 1 des ersten Ausführungsbeispiels kann ein höheres Drehmoment erlangt werden. Bei einem Vergleich des Bürstenmotors 41 des zweiten Ausführungsbeispiels und eines existierenden Bürstenmotors, bei dem die Anzahl der Magnetpole 5 gleich, aber die Anzahl der Spulen höher ist (beispielsweise ein Bürstenmotor mit sechs Polen und zwölf Nuten), ist aufgrund der konzentrierten Wicklungsstruktur die Anzahl der Arbeitsschritte für den Wicklungsdraht geringer, und Arbeits- und Kostenaufwand bei der Herstellung können reduziert werden. Auch können die Spulenenden aufgrund der konzentrierten Wicklungsstruktur verkleinert werden und der Wicklungsdrahtwiderstand kann verringert werden. Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel kann zudem die Strompulsation gesteigert werden, sodass eine sensorlose Steuerung möglich wird, bei der gesondert erforderliche Sensormagneten aufgrund der Ausnutzung der Strompulsation nicht mehr benötigt werden.
3. Drittes Ausführungsbeispiel
11 ist eine Schnittansicht der Struktur eines Bürstenmotors 51 als ein drittes Ausführungsbeispiel. Der Einfachheit halber erfolgt die Darstellung dabei durch Überlagern der Schnittansicht der Kommutatorstücke 9 mit der Schnittansicht des Stator 3 und Rotor 6. Elemente, die den im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Elementen entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung entfällt. Bei dem Bürstenmotor 51 sind drei Paare Magnetpole 5, fünf Spulen 7 und fünfzehn Kommutatorstücke 9 bereitgestellt. Die Kombination aus (p, s, c) lautet (3, 5, 15), und es handelt sich um einen 6-Pol-5-Nuten-Motor. An dem Kern 10 des Bürstenmotors 51 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel fällt der Wendepol 14 weg. Zwischen benachbarten Flügelabschnitten 13 kann somit eine Schlitzbreite W gewährleistet werden, und es ergibt sich eine Struktur, bei der sich der elektrische Leiter der Spulen 7 leicht aufwickeln lässt.
12 ist eine Ansicht eines Magnetwinkels θ_M und eines Flügelwinkels θ_W des Bürstenmotors 51. Auch bei dem Bürstenmotor 51 des dritten Ausführungsbeispiels ist der Flügelwinkel θ_W vorzugsweise mindestens auf die Größe des Magnetwinkels θ_M eingestellt (θ_W≥θ_M). Dadurch kann der magnetische Fluss leicht durch die Zähne 11 aufgenommen und der magnetische Fluss wirksam genutzt werden.
Zwischen die Kommutatorstücken 9 und die Spulen 7 sind Speisekreise 52 geschaltet. 13 ist ein Schaltbild, das die Struktur des Speisekreises 52 veranschaulicht. Die fünf Spulen 7 sind ringförmig geschaltet. Die fünfzehn Kommutatorstücke 9 sind jeweils alle 360/p Grad am Drehwinkel des Rotors 6 (also alle 120 Grad) an dem ringförmigen Spulenkreis kurzgeschlossen. Bei dem ringförmigen Spulenkreis aus 13 ist beispielsweise ein Punkt R₁ zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule an den Kommutatorstücken C₁, C₆, C₁₁ kurzgeschlossen.
Die Position dieser Kommutatorstücke C₁, C₆, C₁₁ ist eine in Bezug auf die Drehachse C um 120 Grad versetzte Position. Das Potenzial an Punkt R₁ ist also mit jeder Dritteldrehung der Drehachse C gleich. Ebenso ist ein Punkt R₂ zwischen der zweiten Spule und der dritten Spule an den Kommutatorstücken C₂, C₇, C₁₂ kurzgeschlossen. Ebenso ist ein Punkt R₃ zwischen der dritten Spule und der vierten Spule an den Kommutatorstücken C₃, C₈, C₁₃ kurzgeschlossen, ein Punkt R₄ zwischen der vierten Spule und der fünften Spule an den Kommutatorstücken C₄, C₉, C₁₄ kurzgeschlossen und ein Punkt R₅ zwischen der fünften Spule und der ersten Spule an den Kommutatorstücken C₅, C₁₀, C₁₅ kurzgeschlossen. Die Position der Bürsten B₁, B₂ ist eine in Bezug auf die Drehachse C um 180 Grad versetzte Position.
Gemäß dem Bürstenmotor 51 des dritten Ausführungsbeispiels lassen sich die gleichen Wirkungen wie beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel erlangen. Beispielsweise ist in Bezug auf den Bürstenmotor auf einfache Weise eine Verkleinerung möglich, oder es kann bei gleicher Größe ein höheres Drehmoment erzielt werden. Im Vergleich zu den Bürstenmotoren 1, 41 des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels kann ein höheres Drehmoment erlangt werden. Auch kann im Vergleich zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel Pulsation verringert werden, sodass Schwingungen reduziert und die Steuereigenschaften erhöht werden können.
4. Sonstiges
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich beispielhaft und sollen andere, nicht ausdrücklich in den Ausführungsbeispielen genannte Abwandlungen und Anwendungen von Techniken nicht ausschließen. Die einzelnen Ausgestaltungen der vorliegenden Ausführungsbeispiele erlauben verschiedene Abwandlungen, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Nach Bedarf sind außerdem Ersetzungen und Weglassungen der Aufbauelemente der vorliegenden Ausführungsbeispiele möglich, ebenso wie geeignete Kombinationen mit verschiedenen bekannten Aufbauelementen.
Bezugszeichenliste

1, 41, 51: Bürstenmotor
2: Gehäuse
3: Stator (Ständer)
4: Magnet
5: Magnetpol
6: Rotor (Anker)
7: Spule
8: Kommutator
9: Kommutatorstück
10: Kern (Ankerkern)
11: Zähne
12: Pfostenabschnitt
13: Flügelabschnitt
14: Wendepol
15: Wendepolpfostenabschnitt
16: Wendepolflügelabschnitt
17: Schlitz
20: Welle
21: Bürste
22: Bürstenarm
23, 42, 52: Speisekreis
θW: Flügelwinkel
θM: Magnetwinkel
C: Drehachse
W: Schlitzbreite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H1169747 A [0003]

Claims

Bürstenmotor (1, 41, 51) umfassend: einen Ankerkern (10), der an einem Anker (6) bereitgestellt ist, s Zähne (11), die an dem Ankerkern (10) bereitgestellt sind, s Spulen (7) mit konzentrierter Wicklung, bei denen die einzelnen Zähne (11) mit einem elektrischen Leiter bewickelt sind, einen Kommutator (8), der in den Bezug auf den Ankerkern (10) nicht drehbar ist, c Kommutatorstücke (9), die am Kommutator (8) bereitgestellt sind und mit den Spulen (7) verbunden sind, p Magnetpolpaare (5), die an einem Ständer (3) bereitgestellt und den Zähnen (11) zugewandt angeordnet sind, und eine Bürste (21), die in Schleifkontakt mit den Kommutatorstücken (9) steht und den Spulen (7) elektrischen Strom zuführt, gekennzeichnet durch die folgende Ungleichung A und Ungleichung B: $0,5 < p/s < 1$
$s < c$
Bürstenmotor (1, 41, 51) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (11) jeweils einen Flügelabschnitt (13) aufweisen, der in Form einer gekrümmten Fläche ausgebildet ist und sich entlang einer Oberfläche der Magnetpole (5) in Drehrichtung des Ankers (6) ausdehnt, die Magnetpole (5) jeweils in Form einer gekrümmten Fläche ausgebildet sind, die den Flügelabschnitten (13) gegenüberliegt, und in einem Schnitt vertikal zur Drehachse (C) des Ankers (6) ein fächerförmiger Zentriwinkel, der von jedem Flügelabschnitt (13) und von Linien umgeben ist, die die beiden Enden des Flügelabschnitts (13) mit der Drehachse (C) verbinden, als ein Flügelwinkel (θ_W) definiert ist, und ein Winkel, der durch einen Magnetisierungsbereich der Magnetpole (5) und die Drehachse (C) gebildet ist, als ein Magnetwinkel (θ_M) definiert ist, wobei der Flügelwinkel (θ_W) mindestens die Größe des Magnetwinkels (θ_M) aufweist.
Bürstenmotor (1, 41, 51) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens einen Wendepol (14) ohne Spule zwischen benachbarten Spulen (7), der einstückig mit dem Ankerkern (10) bereitgestellt ist, sich von der Mitte des Ankers (6) aus strahlförmig erstreckt und den magnetischen Fluss unterstützt.
Bürstenmotor (1, 41, 51) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Speisekreis (23, 42, 52), bei dem die s Spulen (7) ringförmig geschaltet sind und an dem die c Kommutatorstücke (9) jeweils für den Drehwinkel des Ankers (6) alle 360/p Grad kurzgeschlossen sind.
Bürstenmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass p zwei, s drei und c sechs ist.
Bürstenmotor (41) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass p drei, s vier und c zwölf ist.
Bürstenmotor (51) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 oder Anspruch 4 in Abhängigkeit von Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass p drei, s fünf und c fünfzehn ist.