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Elektrischer Kleinstmotor Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen
Kleinstmotor mit Innenmagnetständer und glockenförmigem, eisenlosem Läufer.
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Sowohl für Antriebs- als auch für Steuerungs-und Regelungsaufgaben
besteht in der Technik das Bedürfnis nach Kleinstmotoren mit möglichst hohem Wirkungsgrad.
Diese Motoren, die meist aus Stromquellen mit begrenzter Kapazität gespeist werden,
sollen darüber hinaus eine hohe Betriebssicherheit und große Lebensdauer aufweisen.
Weitere Forderungen sind die, über einen vorgegebenen Spannungsbereich die Drehzahl
konstant zu halten und die Drehrichtung ändern zu können. Um die Motoren den verschiedenen
Erfordernissen anpassen zu können, sollen sie so ausgelegt werden, daß sie einen
großen Drehzahl- und Drehmomentbereich zu überstreichen gestatten.
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Betriebssicherheit und hohe Lebensdauer werden durch eine kräftige
Bauart erzielt; die verlangte Regelbarkeit und weite Einstellbarkeit des Drehzahlbereiches
erfordert zusätzlichen Raum innerhalb der Motorhülle zur Unterbringung der vor Schmutz
und Beschädigung zu schützenden Steuerglieder. Auch müssen die letzteren leicht
zugänglich sein. Diese Forderungen lassen sich etwa dadurch erfüllen, daß man den
Motor des genannten Typs mit entsprechend größeren Abmessungen baut. Die Welle des
bekannten Motors ist einerseits im Innenmagneten und andererseits im Gehäusedeckel
gelagert. Um einen genauen Sitz und ruhigen Lauf zu erzielen, muß die Lagerung sehr
kräftig gebaut und sorgfältig eingepaßt werden. Zwischen den beiden Lagern befindet
sich der Kommutator, welcher somit nur dann zugänglich ist, wenn mindestens eine
Wellenlagerung auseinandergenommen wird. Die radial aufgesetzten Bürsten lassen
keinen Raum für die Regelelemente frei.
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Die Erfindung gibt eine neue Motorbauform an, welche bei kleinen Abmessungen
Betriebssicherheit gewährleistet und den Einbau von Regelgliedern ermöglicht, wobei
sowohl diese als auch der Kommutator geschützt, jedoch ohne Schwierigkeiten zugänglich
sind. Gemäß der Erfindung ist der Kleinstmotor mit glockenförmigem Läufer und mit
einem den Innenraum des Läufers im Bereich der Läuferspulenlängsseiten ausfüllenden
Magnetkörper, welcher in den Ebenen senkrecht zur Motorachse magnetisiert und über
eine Stirnseite mit der den magnetischen Rückschluß bildenden Motorhülle derart
verbunden ist, daß zwischen beiden ein Luftspalt entsteht, in dem der Läufer umläuft,
dadurch gekennzeichnet, daß der hülsenförmige Kern, mit dem der Magnetkörper in
an sich bekannter Weise verbunden ist, aus nichtferromagnetischem Werkstoff besteht
und die Lager der Läuferwelle trägt. Eine besonders vorteilhafte Anordnung besteht
darin, daß das Antriebsende der Welle aus der mit dem Magnetkörper verbundenen Stirnseite
der Motorhülle hinausragt, während auf deren anderem Ende ein stirnseitiger Kommutator
fliegend angeordnet ist. Die konstruktiven Merkmale des Kleinstmotors nach der Erfindung
ermöglichen den Aufbau eines Motors, bei dem der stärkere Abfall der Drehzahlkennlinie
als Funktion des Drehmomentes, der Innenpolanordnungen eigen ist, sich nicht nachteilig
auswirkt, da der eingebaute Drehzahlregler die Drehzahlkonstanz über einen großen
Bereich sicherstellt. Verwendet man für den Magneten einen Werkstoff mit großer
Koerzitivkraft, beispielsweise moderne keramische Magnetwerkstoffe auf Barium-Eisenoxyd-Basis,
so ist die Luftspaltinduktion so groß, daß mit einem durchaus erträglichen Kupferaufwand
im Läufer gearbeitet werden kann.
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Es ist an sich bekannt, Hülsen, welche mit dem Ständer verbunden sind,
zentrisch in elektrischen Maschinen anzuordnen, und zwar wird eine derartige Hülse
im Eisenpaket eines Induktionsreglers verwendet. Diese Hülse dient aber nicht zur
Lagerung einer Läuferwelle.
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Für den Läufer wird in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorteilhaft
eine vorzugsweise gedehnte Läuferwicklung aus nebeneinanderliegenden und gegebenenfalls
im Bereich der Spulenköpfe teilweise auch übereinanderliegenden flachen, rechteckförmigen
Spulen in Stern- oder Dreieckschaltung verwendet. Als Drehzahlregler ist ein Fliehkraftschalter
geeignet, der aus einer einseitig befestigten Blattfeder mit einem am freien Ende
angebrachten Kontaktplättchen und gegebenenfalls einem zusätzlichen Gewicht besteht.
Ein derartiger Fliehkraftschalter kann so klein ausgeführt werden, daß er zwischen
der Stirnseite des Tragkörpers für die Läuferwicklung
und dem Kommutator
angeordnet werden kann. Dieser Fliehkraftschalter wird dann zur Erfüllung seiner
Regelaufgaben in die Verbindungsleitung von einer Kommutatorlamelle zu der Läuferwicklung
derart geschaltet, daß er bei Öffnung wenigstens eine Teilspule abschaltet. Man
kann ihn aber auch so zwischen die Spulen schalten, daß periodisch Dämpferkreise
entstehen, die das Regelverhalten beeinflussen. Eine zusätzliche Veränderung des
Regelbereiches erreicht man auch durch in den Läuferkreis oder die Zuleitungen zu
den Kommutatorbürsten geschaltete Widerstände. Statt besondere Widerstände zu verwenden,
kann man auch wenigstens eine Spule aus Widerstandsdraht herstellen, so daß sie
die Aufgabe der zusätzlichen Widerstände übernimmt. Reichen die angegebenen Maßnahmen
zur Beeinflussung des Regelverhaltens nicht aus oder will man die elektrische Beanspruchung
der Schalterkontakte vermindern, so können zusätzliche Übertragungsglieder zu dem
Fliehkraftschalter hinzugeschaltet werden. Der Fliehkraft-Schalter selbst läßt sich
leicht einstellen, wenn der feststehende Kontakt von einer Schraube getragen wird,
die in Achsrichtung verstellbar ist. Die Teilspulen, die die Läuferwicklung bilden,
können, wenn sie als Einzelteile in sich mechanisch fest hergestellt sind, auf den
Läuferträgerkörper aufgelegt und auf ihm durch Kleben oder Bandagieren befestigt
werden.
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In dem glockenförmigen Tragkörper für die Läuferwicklung, der auf
seiner Stirnseite sowohl den Fliehkraftschalter als auch den Kommutator trägt, wird
auch die Läuferwelle befestigt. Ein Lager für sie, vorzugsweise das in dem Magnetkörper
befindliche Lager, wird als Druck- und Führungslager und das andere Lager nur als
Führungslager ausgebildet. Der Hohlraum zwischen den Lagern läßt sich zur Aufnahme
eines Schmiermittelvorrates verwenden, den beispielsweise Abstreifringe an den Lageraußenkanten
in Umlauf setzen. Eine Anordnung, die es gestattet, den Kontaktdruck der auf dem
Kommutator liegenden Kontaktstücke leicht zu verändern, erhältman, wenn man die
Kontaktstücke in Kommutatorbürstenführungshülsen lagert und sie in ihnen durch nachstellbare
Schraubendruckfedern hält. Um die Möglichkeit zu haben, den Verschleiß von Kommutator
und Kontaktstücken ohne Auseinandernehmen des Motors feststellen zu können, ist
es zweckmäßig, die kommutatorseitige Stirnfläche der Motorhülle aus einem durchscheinenden
oder durchsichtigen Werkstoff herzustellen. Statt einen permanenten Innenmagnetkörper
für den Kleinstmotor zu verwenden, kann man selbstverständlich auch einen konstruktiv
gleichwertigen Elektromagneten benutzen.
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In der Fig. 1 der Zeichnung ist das Ausführungsbeispiel eines Motors
nach der Erfindung dargestellt. In die Motorhülle 1 ist ein Kern 2 aus einem nichtferromagnetischen
Werkstoff eingespritzt, auf dem ein Magnetkörper 3 sitzt. Der Kern 2 nimmt gleichzeitig
die Lager 4 und 5 für die Läuferwelle 6 auf, auf der der Läuferträgerkörper 7 sitzt,
der aus einer dünnen Kunststoffglocke besteht. Dieser Läuferträgerkörper trägt die
Spulen 8 bis 11, die die Läuferwicklung bilden. Die Läuferwicklung wird bei dem
im Schnitt gezeichneten Motor von sechs in zwei Lagen angeordneten Spulen gebildet.
Die Zeichnung läßt jedoch nur die Schnittflächen von vier Spulen erkennen. Aus diesem
Grunde ist der schaltungsmäßige Aufbau des Läufers in Fig. 2 nochmals dargestellt.
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Außer der Läuferwicklung trägt der Läuferträgerkörper noch den Fliehkraftschalter,
der aus einer Blattfeder 12, an der sich ein Kontaktstück 13 und ein Gewicht 14
befindet, und dem festen Kontakt 15 besteht. Der feste Kontakt 15 ist auf der Stirnseite
einer Schraube 16 angeordnet, zu deren Halterung das Ansatzstück 17 dient. Dieses
Ansatzstück sitzt auf einer elektrisch nicht leitfähigen Tragscheibe 18, die auf
ihrer dem Läuferträgerkörper abgewandten Stirnseite den aus drei voneinander getrennten
planen Flächen Bestehenden Kommutator trägt. Die Zeichnung läßt nur die beiden Flächen
19 und 20 erkennen. Die drei ebenen Kommutatorflächen stellen drei durch schmale
Luftspalte getrennte Sektoren eines Kreises dar, die in Richtung auf den Läuferträgerkörper
abgebogene Ansatzstücke 21 zum Anschluß an die Läuferwicklung tragen.
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Auf dem Kommutator gleiten die die Kommutatorbürsten bildenden Kontaktstücke
22 und 23. Sie sind in den Kommutatorbürstenführungshülsen 24 und 25 gelagert und
werden durch die Schraubendruckfedern 26 und 27 mit einem durch entsprechende Einstellung
der Madenschrauben 28 und 29 vorgebbaren Kontaktdruck gegen den Kommutator gepreßt.
An die Kommutatorbürstenführungshülsen werden die Anschlußleitungen zu der speisenden
Stromquelle angeschlossen. Zu ihrer Befestigung dienen die Muttern 30 und 31. Die
Kommutatorbürstenführungshülsen sitzen in einer aus einem durchsichtigen Werkstoff
hergestellten Abdeckkappe 32, die zugleich die eine Stirnseite der Motorhülle bildet.
Durch Verdrehen dieser Abdeckkappe kann die erforderliche Lage der Bürsten in Bezug
auf die Wechselwirkung zwischen Magnetkörper und Läufer eingestellt werden.
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Fig.2 zeigt das Wickelschema des Kleinstmotors nach der Erfindung
für eine Sternschaltung; in entsprechend abgewandelter Weise ist das Wickelschema
für eine Dreieckschaltung aufgebaut. Die drei Kommutatorteile sind mit 40, 41 und
42 bezeichnet. Auf ihnen gleiten die Kontaktstücke 43 und 44, über die die Verbindung
zu der speisenden Stromquelle hergestellt ist. Die Abwicklung der Nordpolfläche
des Magnetkörpers ist mit 45, die der Südpolfläche mit 46 bezeichnet. Die Längsseiten
der einzelnen Spulen sind mit den Zahlen 51 bis 62 bezeichnet. Die auf der rechten
Seite der Zeichnung abgebrochenen Spulen haben ihre Fortsetzung auf der linken Zeichnungsseite.
Zwischen Kommutatorfläche 40 und die Spule mit den Längsseiten 51 und 54 ist der
Fliehkraftschalter 48 geschaltet. Zur Beeinflussung seines Drehzahlregelv erhaltens
und zur Verminderung der elektrischen Beanspruchung seines Schaltkontaktes kann
parallel zu ihm der gestrichelt angedeutete Widerstand 49 geschaltet werden. Ein
weiteres Hilfsmittel zur Aufweitung des Regelbereiches ist der Widerstand 47. Dieser
Widerstand verschiebt den Spannungsbereich, in dem die Drehzahl auf einen konstanten
Wert durch den Fliehkraftschalter geregelt werden kann, in einen Bereich höherer
Spannungen. Der Spannungsbereich ist dabei größer als der Spannungsbereich ohne
Zusatzwiderstand. Legt man den Motor für eine kleinere Nennspannung aus als für
die Spannung, mit der er betrieben werden soll, so erhält man in Bezug auf seine
Betriebsspannung einen sowohl zu kleineren als auch zu größeren Spannungswerten
hin aufgeweiteten Regelbereich. Allerdings geht diese Aufweitung des Regelbereiches
auf Kosten des Wirkungsgrades.
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Der Kleinstmotor nach der Erfindung kann für die verschiedensten Bereiche
ausgelegt werden. Insbesondere ist es möglich, ihn so auszulegen, daß er bei Speisung
aus Batterien oder Akkumulatoren zum Antrieb verschiedenster Geräte ein ausreichendes
Drehmoment besitzt.