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Die
Erfindung betrifft die Drehzahleinstellung bei Gleichstrommotoren,
und bezieht sich insbesondere auf die Drehzahleinstellung bei Gleichstrommotoren
mit permanentmagnetischer Erregung über deren Ankerwicklung.
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Bei
Gleichstrommotoren mit permanentmagnetischer Erregung an sich bekannter
Art erfolgt die Drehzahleinstellung des Motors über die Windungszahl des Rotors, üblicherweise
durch ganzzahlige gleiche Anzahlen von Windungen einer Vielzahl
von Wicklungen bzw. Spulen auf dem Rotor.
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Nachteilig
bei solchen Gleichstrommotoren oder mechanisch kommutierten Drehstrommotoren sind
die sich aus den vorstehenden Randbedingungen ergebenden, verhältnismäßig großen Drehzahlsprünge zwischen
einstellbaren Drehzahlen, da häufig
z.B. aus räumlichen
Gründen
nur kleine Windungszahlen vorhanden sind, die eine hinreichend feine
Abstufung der Drehzahl verhindern. Für viele Anwendungsgebiete sind
große
Drehzahlsprünge
jedoch unerwünscht,
so dass anderweitig teure Maßnahmen
zur Erzielung einer gewünschten
Drehzahlsteuerung ergriffen werden müssen oder der Einsatz eines
kostengünstigen,
einfachen Motors nicht in Frage kommt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Auslegung
von Rotorwicklungen eines Gleichstrommotors zu schaffen, durch welches mit
einfachen Mitteln eine feine Drehzahlabstufung erreichbar ist, und
einen in Übereinstimmung
mit diesem Verfahren gewickelten Gleichstrommotor bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren nach Patentanspruch 1 und einen Gleichstrommotor nach
Patentanspruch 5 gelöst.
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Erfindungsgemäß werden
somit auf einen Rotor des Gleichstrommotors mehrere ganzzahlige Wicklungen
hintereinander geschaltet, die unterschiedliche Windungszahlen haben.
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Hieraus
resultiert eine als solche nicht ganzzahlige Wicklungsauslegung
der Rotorwicklungen auf eine effektive Windungszahl zwischen den
ganzzahligen Win dungszahlen der einzelnen Wicklungen, durch welche
die Drehzahl des Motors zwischen den bei Rotorwicklungen mit gleichen
Windungszahlen möglichen
Drehzahlen feiner einstellbar ist.
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Bevorzugt
ist die Anzahl von Ankernuten auf dem Rotor geradzahlig, und ist
die Anzahl hintereinander geschalteter Wicklungen ein ganzzahliges Vielfaches
der Anzahl von Ankernuten. Hieraus ergibt sich eine für den Betrieb
und die Beschaltung des Motors vorteilhafte Symmetrie zwischen den
einzelnen Wicklungen.
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Eine
solche Symmetrie wird dadurch weiter unterstützt, dass die Abfolge der ganzzahligen
Anzahlen von Windungen innerhalb der hintereinander geschalteten
Wicklungen in Übereinstimmung
mit einer vorbestimmten Regel variiert und diese Regel auf den Rotor
gleichermaßen
angewandt wird.
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Wie
vorstehend erwähnt,
resultiert vorteilhaft aus der Variation der Abfolge der ganzzahligen
Anzahlen von Windungen von hintereinander geschalteten Wicklungen
nach der bestimmten Regel für jede
Gruppe eine jeweils effektive Windungszahl zwischen den ganzzahligen
Anzahlen von Windungen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich insbesondere für
einen Gleichstrommotor mit einem Stator, einem Rotor und einem Kommutator,
bei dem der Rotor nach dem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche gewickelt
ist.
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Vorzugsweise
ist der Gleichstrommotor hierbei ein permanentmagnetisch erregter
und mechanisch kommutierter Drehstrommotor.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügte
Zeichnung näher
beschrieben.
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Die
einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung an einem Rotor
eines Gleichstrommotors hintereinander geschaltete Wicklungen mit
innerhalb einer Gruppe zumindest zwei verschiedenen ganzzahligen
Anzahlen von Windungen gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel.
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Auf
einen solchen Rotor können
die einzelnen Wicklungen beispielsweise mittels einer H-Wicklung,
bei welcher zwei jeweils gegenüberliegende Wicklungen
gleichzeitig gewickelt werden, oder durch hintereinander erfolgendes
Wickeln der einzelnen Spulen bei in diesem Fall gegenüber der
H-Wicklung zweifacher Wicklungszeit aufgebracht werden. Die Anzahl
der Ankernuten auf dem Rotor ist hierbei aus Symmetriegründen geradzahlig.
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Die
Wicklung der Spulen selbst kann in jede Ankernut einmal erfolgen,
wobei in diesem Fall die Anzahl von Kommutatorsegmenten auf dem
Rotor gleich der Anzahl der Ankernuten ist, d.h. in dem in der Figur
dargestellten Fall jeweils 12. Alternativ kann z.B. auch zweimal
in jede Ankernut gewickelt werden, in welchem Fall sodann die Anzahl
der Kommutatorsegmente gleich der zweifachen Anzahl von Ankernuten,
d. h. 24, wird.
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Es
wird angemerkt, daß das
hierin beschriebene Verfahren in jedem unter der Voraussetzung einer
geraden Anzahl von Ankernuten darstellbaren Fall anwendbar ist.
So sind bereits Ausführungsformen
mit weniger als 12 Ankernuten und somit 12 Kommutatorsegmente möglich, jedoch
wird vorwiegend eine Ausführungsform
mit 12 Ankernuten und 12 Kommutatorsegmenten im Hinblick auf beispielsweise
batteriebetriebene Motoren mit relativ niedriger Betriebsspannung
bevorzugt, da in diesem Fall eine niedrige Betriebsspannung auch
eine hinreichend verteilte, niedrige Segmentspannung zur Folge hat. In
Fällen,
in welchen die Segmentspannung vorbestimmte Grenzwerte überschreitet,
kann jedoch zweckmäßig eine
höhere
Anzahl von Kommutatorsegmenten verwendet werden.
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Die
nachfolgenden Ausführungsbeispiele beziehen
sich auf einen Rotor mit beispielsweise 12 Nuten, d.h. 12 Wicklungen
oder Spulen. In der Figur ist vereinfacht als Beispiel ein Rotor
mit 12 Wicklungen bzw. Spulen dargestellt. Es sei angemerkt, dass diese
Figur unter Variation der Anzahl von Gruppen und der Spulen in den
einzelnen Gruppen sinngemäß für alle hierin
beschriebenen Ausführungsbeispiele Anwendung
finden kann.
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Wenn
bei dieser Ausgestaltung, die das erste Ausführungsbeispiel repräsentiert,
beispielsweise eine ganzzahlige Windungszahl von 4 einer Drehzahl von
20000 min–1 und
eine ganzzahlige Windungszahl von 5 einer Drehzahl von 24000 min–1 bei
einer bestimmten Spannung entsprechen, müsste zum Errei chen einer Motordrehzahl
von 22000 min–1 eine
nicht ganzzahlige effektive Windungszahl von 4,5 gewickelt werden.
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Daher
werden bei dem in der Figur gezeigten Rotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
eine erste Spule mit 4 Windungen und eine zweite, nächste Spule
mit 5 Windungen gewickelt. Dieser Wickelvorgang wird für die nachfolgenden
Spulen wiederholt, bis der Wickelvorgang für den gesamten Rotor abgeschlossen
ist. Hierdurch wird eine niedrige mittlere, nicht ganzzahlige Windungszahl
von 4,5 erhalten, welche einer Drehzahl von 22000 min–1 bei
der vorgegebenen Spannung entspricht.
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Der
vorgenannte Wickelvorgang kann auch als "Wickeln nach der Zweierregel" bezeichnet werden.
Diese bei jeder beliebigen geraden Anzahl von Ankernuten anwendbare
Regel wird nachstehend genauer beschrieben.
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Ist
bei der "Zweierregel" eine gerade Windungszahl
N und eine ungerade Windungszahl N + 1, zum Beispiel 4 und 5 wie
vorstehend erwähnt,
wird die erste Spule mit 4 Windungen, die zweite Spule mit 5 Windungen,
eine dritte Spule erneut mit 4 Windungen, eine vierte Spule wiederum
mit 5 Windungen usw. gewickelt, bis alle 12 Spulen des Rotors in
6 Gruppen zu je 2 Spulen mit Windungszahlen 4 bzw. 5 gewickelt sind.
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Die
resultierende effektive Windungszahl beträgt in diesem Fall [N + (N +
1)]/2 = 4,5, und als Drehzahl wird demgemäß n = [nN + n(N + 1)]/2 = 22000 min–1 erhalten.
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Nachstehend
wird ein "Wickeln
nach der Dreierregel" gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
beschrieben. Bei der "Dreierregel" variiert jede dritte
Spule in der Windungszahl.
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Beispielsweise
erhält
unter Verwendung der Windungszahlen des ersten Ausführungsbeispiels die
erste Spule 4 Windungen, die zweite Spule ebenfalls 4 Windungen,
und erhält
die dritte Spule 5 Windungen. Auch dieser Wickelvorgang wird wiederholt, bis
alle 4 Gruppen auf den Rotor gewickelt sind.
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Die
resultierende effektive Windungszahl beträgt in diesem Fall [N + N +
(N + 1)]/3 = 4,33. Als Drehzahl wird demgemäß n = [nN + nN + n(N + 1)]/3 =
21333 min–1 erhalten.
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Alternativ
kann bei der "Dreierregel" auch jede dritte
Spule die Windungszahl N = 4 erhalten, während die übrigen beiden Spulen mit N
+ 1 = 5 Windungen gewickelt werden.
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Die
resultierende effektive Windungszahl beträgt in diesem alternativen Fall
((N + 1) + (N + 1) + N]/3 = 4,67. Als Drehzahl wird demgemäß n = [n(N
+ 1) + n(N + 1) + nN]/3 = 22667 min–1 erhalten.
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Nachstehend
wird ein "Wickeln
nach der Viererregel" gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Bei der "Viererregel" wird jede vierte Spule
mit N + 1 gewickelt.
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Beispielsweise
erhalten unter Verwendung der Windungszahlen des ersten Ausführungsbeispiels
die ersten 3 Spulen 4 Windungen, und erhält die vierte Spule 5 Windungen.
Auch dieser Wickelvorgang wird wiederholt, bis alle Spulen auf den
Rotor gewickelt sind.
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Die
resultierende effektive Windungszahl beträgt in diesem Fall [N + N +
N + N + 1)]/4 = 4,25. Als Drehzahl wird n = [nN + nN + nN + n(N
+ 1)]/4 = 21000 min–1 erhalten.
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Alternativ
kann bei der "Viererregel" auch jede vierte
Spule die Windungszahl N = 4 erhalten, während die übrigen drei Spulen mit N +
1 = 5 Windungen gewickelt werden. In diesem Fall resultiert dementsprechend
eine Drehzahl von 23000 min–1 bei einer resultierenden
effektiven Windungszahl von 4,75.
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Es
sei betont, dass sich bei einer Gleichverteilung der Windungszahlen
N und N + 1 auf die vier Spulen im vorliegenden Fall dieselbe Wirkung
ergibt wie bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel,
d.h. eine Drehzahl von 22000 min–1 bei
einer effektiven Windungszahl von 4,5.
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Eine
nochmals feinere Drehzahleinstellung ermöglicht ein "Wickeln nach der Sechserregel", bei dem zum Beispiel
jede sechste Spule die Windungszahl N + 1 = 5 erhält, während die übrigen fünf Spulen jeweils
die Windungszahl N = 4 erhalten.
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Die
resultierende effektive Windungszahl beträgt in diesem Fall [N + N +
N + N + N + (N + 1)]/6 = 4,17. Als Drehzahl ergibt sich demgemäß n = [nN
+ nN + nN + nN + nN + n(N + 1)]/6 = 20666 min–1.
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Mit
anderen Worten bedeutet dies, dass gemäß der "Sechserregel" Drehzahlvarianten erhalten werden,
die einen einstellbaren Drehzahlsprung in Abständen entsprechend einem Faktor
0,16 ermöglichen.
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Wie
bereits bei der "Dreierregel" und der "Viererregel" sind bei der "Sechserregel" ebenfalls weitere
bzw. alternative Verteilungen der Windungszahlen auf die einzelnen
Spulen darstellbar, wobei sich bei einer Gleichverteilung wiederum
die effektive Windungszahl und die Drehzahl des ersten Ausführungsbeispiels
ergeben.
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Die
Erfindung ist nicht auf einen Rotor mit 12 Wicklungen und die an
diesem darstellbaren Variationen beschränkt, sondern es sind bei anderen
Spulen- bzw. Nutzahlen und anderen Windungszahlen entsprechend weitere
Ausführungsvarianten
möglich.
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Mit
der Erfindung wurden ein Verfahren zur Wicklung von Gleichstrommotoren,
bei welchem auf den Rotor eine Vielzahl von verschalteten Wicklungen
mit zumindest zwei verschiedenen ganzzahligen Anzahlen von Windungen
gewickelt werden, und ein nach diesem Verfahren gewickelter Rotor
eines Gleichstrommotors bereitgestellt. Es wird eine als solche
nicht ganzzahlige Wicklungsauslegung der Rotorwicklungen auf eine
gruppenweise effektive Windungszahl zwischen den ganzzahligen Windungszahlen
der einzelnen Wicklungen erhalten, durch welche eine feinere Abstufung
der einstellbaren Drehzahlen des Gleichstrommotors möglich wird.