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Magnetelektrische Maschine mit innerhalb eines homogenen zylindrischen
Ständers aus dauermagnetischem Material drehbarem Anker Die Erfindung bezieht sich
auf magnetelektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren, deren Anker innerhalb
eines homogenen zylindrischen Ständers aus dauermagnetischem Material drehbar ist.
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Zweck der Erfindung ist es hauptsächlich, eine Bauweise derartiger
magnetelektrischer Maschinen zu schaffen, die sich insbesondere für die Massenherstellung
von Klein- und Kleinstmotoren gut eignet, die trotz ihrer geringen Abmessungen eine
besonders hohe Leistung aufweisen sollen.
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Es sind bereits die verschiedensten Bauarten magnetelektrischer Kleinmaschinen
bekannt, deren Erregermagnete als hohlzylindrische Dauermagnete ausgebildet und
feststehend angeordnet sind. Bei diesen haben die ruhenden Ringmagnete zum Teil
ausgeprägte Pole und zum Teil eine glatte zylindrische Fläche gegenüber dem Maschinenluftspalt.
Es sind auch Ringmagnete für magnetelektrische Maschinen bekannt, die an ihrem Außenumfang
mit paarweise einander gegenüberliegenden, in Längsrichtung verlaufenden Ausnehmungen
versehen sind, die so ausgebildet sind, daß sie den Verlauf der Feldlinien beeinflussen.
Diese Ringmagnete sind allerdings aus mehreren Stücken zusammengebaut, die durch
Schrauben od. dgl. aneinander befestigt sind. Weiterhin ist es an sich bekannt,
am äußeren Umfang eines ringförmigen Magnetkernes für elektrische Maschinen Ausschnitte
vorzusehen, in die zum Verhindern des Drehens des Kernes und zu seinem Einbau bestimmte
Bolzen eingreifen.
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Abweichend hiervon bezieht sich die Erfindung auf eine magnetelektrische
Maschine mit einem drehbaren Anker innerhalb eines homogenen zylindrischen Ständers
aus dauermagnetischem Material, der mindestens ein Paar einander gegenüberliegende
Polflächen aufweist, von denen jede in radialer Richtung polarisiert ist, und der
auf seiner ganzen Länge eine im wesentlichen einheitliche Querschnittsform hat.
Die kennzeichnende Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß der Stator, der
aus einem Material mit einem Gehalt an Fe, Ni, Al, Co, Cu besteht, an den Polflächen
einen Teil von verengter Querschnittsform besitzt, der sich im wesentlichen axial
längs des Stators erstreckt, um eine Intensivierung der Polarisation in der Nachbarschaft
der Pole zu verursachen, und der außerdem zur Vorbestimmung der Lage des Aufbaues
einer Bürstenhaltereinheit dient.
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Dadurch gelingt es, eine für Massenherstellung besonders gut geeignete
Bauweise elektrischer Maschinen mit Dauermagnet zu schaffen, die trotz besonders
kleiner Abmessungen verhältnismäßig hohe Leistungen ermöglicht, die sich durch besondere
Einfachheit und geringe Zahl von Einzelteilen auszeichnet und bei der eine spanabhebende
Bearbeitung des aus einem Stück bestehenden Dauermagnetkörpers durch Bohren od.
dgl. vermieden ist.
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Die verlängerte Querschnittsform des Stators kann durch Rillen in
einer seiner Flächen gebildet sein. Die Rillen liegen vorzugsweise in der äußeren
Oberfläche des Stators.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung weist eine solche magnetelektrische
Maschine einen ringscheibenförmigen, mit entsprechenden Ausnehmungen versehenen,
anschließend an den Anker angeordneten Bürstenhalter mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen
und Vorsprüngen zur Bildung jeweils einer Abstützung für die zu einer der in ihm
geführten Stromabnehmerbürsten gehörenden Feder sowie einer Auflagefläche für die
weiterhin dazugehörige, teilweise bewegliche Leitung auf.
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Der als Ringmagnet ausgebildete, aus einem Material mit einem Gehalt
an Fe, Ni, Al, Co, Cu bestehende Stator kann mit Gleitsitz oder Schiebesitz in einen
Gehäusemantel eingepaßt und beiderseits durch Lagerkappen mit Wälzlagern für die
Rotorwelle verschlossen sein, die durch Bolzen zusammengehalten werden, welche die
in Längsrichtung verlaufenden Ausnehmungen durchsetzen. Die eine, auf der Seite
der Stromabnehmerbürsten befindliche Lagerkappe kann
Öffnungen aufweisen,
durch welche Isolierteile hindurchragen, die als Träger von Anschlußklemmen ausgebildet
sind. Die Stromabnehmerbürsten können durch die Isolierteile in einer vorbestimmten
Relativstellung zum Kommutator und zum Kappenteil elastisch festgehalten werden.
Zwischen dem Bürstenhalter und der vor ihm befindlichen Lagerkappe kann eine Bürstenhalterung
konzentrischer, gespaltener Isolierringe angeordnet sein, die mit Öffnungen zum
Durchtritt der Anschlußklemmen und ihrer isolierenden Tragteile sowie mit einer
Mehrzahl von Öffnungen oder Einschnitten versehen ist.
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Auf diesem Ring können Markierungen angebracht werden, um die gewünschte
Lage mindestens eines Paares einander gegenüber anzuordnender Polflächen zu bezeichnen,
von denen jedes in radialer Richtung polarisiert werden soll; danach können die
Ausnehmungen im Bereich der Polflächen durch deren Mitten hindurch hergestellt werden,
worauf der Stator magnetisiert wird.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert.
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Fig. 1 stellt eine Ansicht eines gemäß der Erfindung ausgebildeten
Motors dar; Fig. 2 ist eine Schnittansicht längs einer Ebene, die durch die Drehachse
des Ankers des Motors hindurchgeht; Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht des
permanentmagnetisierten Stators; Fig. 4 ist eine Draufsicht auf die Bürstenhalter-oder
Jochanordnung; Fig. 5 ist eine Ansicht eines Isoliergliedes; Fig. 6 ist eine andere
Draufsicht auf die Bürstenhalter- oder Jochanordnung mit dem Isolierglied, das an
Ort und Stelle montiert ist; Fig. 7 ist eine Draufsicht auf den Motor von der rechten
Seite von Fig. 1 oder von der linken Seite von Fig. 2 her; Fig. 8 ist eine Teildarstellung
des Motors im Querschnitt längs der Linie 8-8 von Fig. 7; Fig. 9 ist eine vergrößerte
Teilansicht eines Teils der Bürstenhalteranordnang und einer Abdeckung des Gehäuses;
Fig. 10 ist eine Seitenansicht einer der Klemmen; Fig. 11 ist eine Draufsicht auf
die Klemme; Fig. 12 ist eine perspektivische Darstellung einer Bürste und zeigt
insbesondere einen Teil der darin angebrachten beweglichen Anschlußleitung und einen
Teil der Feder, die zum Abstützen der Bürsten gegen den Kommutator dient; Fig. 13
ist ein elastisches Glied, das in dem Endgehäuse angebracht ist, durch das sich
die Klemme hindurch erstreckt.
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In den Zeichnungen ist 10 ein zylindrischer Gehäusekörper aus nicht
ferromagnetischem Material, wie z. B. Messing, Aluminium, einem thermoplastischen
Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material mit einem geschlossenen Ende 12.
Das Ende 12 ist mit einer Öffnung 14 versehen, in der ein Lager 15 für die Ankerwelle
17 angebracht ist. Das Ende 12 ist außerdem mit einem Paar mit Gewinde versehener
Bohrungen ausgestattet. Das entgegengesetzte Ende des zylindrischen Gehäuses 10
ist offen. Ein Kappen-oder Endglied 20 dient zum Abschluß des zylindrischen Teils.
Das Kappen- oder Endglied 20 ist mit einem Bund 22 versehen, an welchem das Ende
des zylindrischen Teils 10 anliegt. Das Kappen- oder Endglied 20 ist mit einem Paar
Öffnungen 24 versehen. Außerdem ist es mit einem zweiten Paar Öffnungen 26 und 28
und einer zentral angeordneten Öffnung 30 mit einem darin angebrachten Lager 31
versehen. Der zylindrische Teil 10 bildet zusammen mit dem Kappen- oder Endglied
20 eine Kapselung für einen Elektromotor, dessen Teile nachstehend beschrieben werden.
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Ein Stator 40 in Gestalt eines Hohlzylinders ist passend in den zylindrischen
Teil 10 eingesetzt. Der hohlzylindrische Teil 40, der den Stator bildet, ist mit
einem Paar Rillen oder Nuten 42 und 44 versehen. Die Rillen oder Nuten 42 und 44
erstrecken sich parallel zur Ankerwelle.
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Wenn der Stator 40 hergestellt ist, wird er mit einer bevorzugten
Achse markiert, d. h., der ringförmige Körper hat eine Bezeichnung od. dgl., welche
die bevorzugte Achse oder den bevorzugten Durchmesser entsprechend der Richtung
der Magnetisierung anzeigt. Die Rillen oder Nuten 42 und 44 sind so angebracht,
daß sie die bevorzugte Achse schneiden. Die Anzeige der bevorzugten Achse ist so
gewählt, daß, wenn der Stator magnetisiert ist, die Pole mit der bevorzugten Achse
übereinstimmen. Somit liegen die Nuten oder Rillen über den beiden Polen, d. h.,
die Nut oder Rille 42 liegt über dem einen, die Nut oder Rille 44 über dem anderen
Pol. Dies ergibt eine ver schmälerte Fläche unterhalb der Nuten oder Rillen, die
in der Mitte jedes magnetisierten Pols angeordnet sind.
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Der Stator ist aus irgendeinem geeigneten magnetischen Material mit
der entsprechenden Koerzitiv -kraft hergestellt (z. B. dem unter dem Handelsnamen
»Alnico« von der General Electric Comp. hergestellten und vertriebenen Material).
Der Stator 40 wird vorzugsweise so präzise bearbeitet, daß er genau innerhalb des
zylindrischen Gehäusekörpers 10 gelagert werden kann. Die Mittelachse des zylindrischen
Statorkörpers 40 fällt mit der Längsachse des zylindrischen Körpers 10 zusammen.
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Ein lamellierter Anker 50 ist auf der Ankerwelle 17 angebracht und
in den Lagern 15 und 31 drehbar gelagert. Der Anker 50 ist ein mit einem Kommutator
54 versehener gewickelter Anker.
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Eine Bürstenhalter- oder Jochanordnung 60 ist nahe dem einen Ende
des zvlindrischen Gehäusekörpers 10 angebracht. Bei der besonderen, hier beschriebenen
Einrichtung ist die Bürstenhalter- oder Jochanordnung 60 nahe dem offenen Ende des
zy lindrischen Körpers 10 angebracht. Diese Bürstenhalteranordnung 60 umfaßt einen
Kunststoffteil 62 mit einem Paar radial angeordneter Schlitze 64, in welche Bürsten
66 mit Bewegungsfreiheit für eine Verschiebebewegung in Längsrichtung eingesetzt
sind. Die Bürsten 66 werden gegen den Kommutator durch geeignete Federungen 68 gedrückt.
Bewegliche Leitungen 69 sind vorgesehen, um die Bürsten an einen elektrischen Stromkreis
anzuschließen. Der Teil 62 ist mit einem Paar Achsstümpfen 70 versehen, auf
welchen die Federn 68 angebracht sind. Der Teil 62 ist ebenfalls mit gekrümmten
Umfangsschlitzen 83 versehen.
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Eine Scheibe 80 aus Isoliermaterial, die einen Bürstenisolator bildet,
ist mit am Umfang angeordneten Schlitzen 82 und 84 versehen. Diese Schlitze 82 sind
diametral angeordnet, ebenso die Schlitze 84. Die Isolierscheibe 80 ist auch mit
einem radial angeordneten Schlitz 85 versehen. Das Material, aus welchem die Scheibe
80 hergestellt ist, ist etwas elastisch, so daß nach dem Einlegen der Bürsten in
ihre richtige Lage in dem Teil 62 und dem Einbau der Federn die Scheibe 80
so eingeführt werden kann, daß sie über die Achsstumpfe 70 greift. Um jedoch die
Scheibe 80 in ihrer Lage zu halten, ist es notwendig, die Scheibe
80
zusammenzudrücken, um den Spalt 85 zu schließen. Die Schlitze 82 und die Achsstümpfe
70 greifen ineinander, so daß die Elastizität oder Nachgiebigkeit der Scheibe 80
diese Scheibe durch eine nach außen gerichtete Kraft auf die diametral angeordneten
Achsstümpfe 70 in ihrer Lage hält.
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Ein Paar Klemmen 86 und 88 ragt von der Joch-oder Bürstenhalterungsanordnung
60 nach außen. Die Klemme 86 ist an die bewegliche Leitung 69 angeschlossen, die
in einer der Bürsten 66 eingebettet ist, und die Klemme 88 ist an die bewegliche
Leitung 69. die in die andere Bürste 66 eingebettet ist, angeschlossen. Eine Klammer
oder Zunge 86 a oder 88 a wird benutzt, um die bewegliche Leitung 69 an die Klemmen
86 und 88 anzuklemmen. Diese Klemmen 86 und 88 ragen nach außen durch die Öffnungen
26 und 28 in dem Kappen- oder Endglied 20. Die Klemmen 86 und 88 sind sozusagen
genügend lose, aber in bezug auf das Joch 60 fest angeordnet, so daß eine Bewegung
der Klemmen nur leicht eine Bewegung des Joches widerspiegelt, und umgekehrt. Dies
wurde durch Umbiegen der Enden 86 b und 88 b um einen Winkel von etwa 90° erreicht,
wie aus Fig. 9 ersichtlich. Jedes der gebogenen Enden 86 b und 88 b ist in einer
geeigneten Nut oder Kerbe 62a in dem Teil 62 eingesetzt. Die Kontakte 86 und 88
ragen durch Löcher 87 in der Isolierscheibe 80 hindurch.
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Um eine weiche Unterlage für die Klemmen 86 und 88 zu schaffen, werden
ein Paar geschlitzter Kautschukbuchsen 90 und 92 fest in die Öffnungen 26 und 28
eingesetzt, so daß sie, wenn die Klemmen 86 und 88 durch die Schlitze in den Buchsen
hindurchragen, einen elastischen Träger für die Bürstenhalterung oder das Joch 60
darstellen. Die Buchse 90 kann rot und die Buchse 92 schwarz sein. Jede dieser Buchsen
90 und 92 ist mit einem zylindrischen Teil 94 und einem daraufgesetzten, im wesentlichen
kubischen Teil 96 versehen, die zusammen eine Drehung der Buchse nach der Montage
in ihrer Lage verhindern, wie in den Fig. 7 und 13 zu sehen ist.
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Der Stator 40 wird zuerst in den zylindrischen Gehäusekörper 10 mit
den Schlitzen 42 und 44, die mit den Öffnungen 16 in dem Ende des Körpers 10 bündig
liegen, eingeführt. Darauf wird der Anker mit einem Ende der Welle 17, die durch
das Lager in der Öffnung 14 hindurchragt, eingeführt. Nach dem Einführen des Ankers
wird die Bürstenhalterung oder Jochanordnung mit radial angehobenen Bürsten eingeführt,
so daß diese mit den Kommutatorsegmenten 54 in Eingriff kommen. Die Joch- und Bürstenanordnung
60 wird dann eingeführt, so daß die Randschlitze 82. 83 und 84 gegenüber den Rillen
42 und 44 ausgerichtet sind, die ihrerseits gegenüber den Öffnungen 16 ausgerichtet
sind oder bündig liegen. Das Kappen oder Endglied 20 wird dann in seine richtige
Lage gebracht, so daß eine der Klemmen 86 durch den Schlitz in der Buchse in der
Öffnung 26 und die andere Klemme 88 durch den Schlitz in der anderen Buchse hindurchreicht.
Wie oben bereits gesagt, ist eine dieser Buchsen rot und die andere schwarz; die
rote bezeichnet die positive und die schwarze die negative Klemme.
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Endlich werden ein Paar Bolzen 100 und 102 durch die Öffnung 24 in
den Teil 20, die Schlitze in dem Rand der Jochanordnung 60, die Rillen oder Nuten
42 und 44 und die Öffnungen 16 in dem Endteil des zylindrischen Körpers 10 hindurchgeführt.
Der Durchmesser der Bolzen 100 und 102 ist kleiner als die Ab messungen der Rillen
oder Nuten 42 und 44, der Nuten 83 und der Schlitze 84. Somit kommen die Bolzen
nicht in Berührung mit dem Stator 40 und der Bürstenanordnung oder dem Joch 60.
Die Bolzen sind aus einem nichtmagnetisierbaren Material, vorzugsweise rostfreiem
Stahl, hergestellt.
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Nachdem die Teile zusammengebaut worden sind, wird der Stator 40 magnetisiert
und der Nordpol so ausgewählt, daß der Motor sich in der richtigen Richtung dreht,
wenn die positive Klemme an eine elektrische Energiequelle angeschlossen wird; die
negative Klemme wird geerdet oder an eine Rückleitung angeschlossen.
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Die Bürstenhalter- oder Jochanordnung 60 ist zusammen mit einem Teil
80 lose auf dem Kommutator 54 gelagert.
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Die Bürsten 66 werden durch Federdruck gegen den Kommutator gehalten.
Der Jochaufbau hat ein gewisses Spiel zwischen den Nuten oder Aussparungen und den
Bolzen 100 und 102, so daß die Jochanordnung eine begrenzte Bewegung in bezug auf
die Bolzen 100 und 102 ausführen kann. In gleiche: Weise gestatten die Klemmen 86
und 88, wenn sie auch durch die Teile 86 b und 88 b befestigt sind, welche im rechten
Winkel zu dem Körper der Kontakte 86 und 88 abgebogen sind, eine begrenzte Bewegung
der Bürstenhalter- oder Jochanordnung 60. Ferner sind die Klemmen 86 und 88 in den
Buchsen 90 angebracht. Dies ermöglicht wiederum eine Relativbewegung zwischen den
Klemmen und dem Gehäuse.
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Die Verwendung dieses Stators beschränkt sich nicht auf die hier gezeigte
besondere Bauart von Anker, Bürste, Joch und Gehäuse; ferner braucht der Stator
nicht notwendigerweise aus dem besonderen, hier angegebenen Material hergestellt
zu sein. Ein beliebiges ferromagnetisches Material mit der gewünschten Koerzitivkraft
kann verwendet werden. Auch beschränkt sich die Bürstenjoch oder Bürstenhalteranordnung
in ihrer Verwendung nicht auf die besondere Bauweise des Stators, die hier angegeben
ist, oder die besondere Ankerbauweise, vielmehr kann die Bürstenhalteranordnung
bei jeder Art von Motoren mit Bürsten verwendet werden. Das Gehäuse ist als zylindrischer
Teil mit einem geschlossenen Ende dargestellt, so daß ein im wesentlichen topfartiger
Teil gebildet wird. Dieses Gehäuse braucht nicht notwendigerweise in dieser Art
und Weise hergestellt zu sein. Beispielsweise können beide Enden offen sein, oder
es kann das gegenüberliegende Ende offen sein, oder es können zwei topfartige Teile
verwendet werden, die eine Teilfuge zwischen den Teilen des Gehäuses aufweisen.
Die hier im besonderen gezeigten Anordnungen von Stator und Bürstenjoch- oder Bürstenhalteranordnung
können zusammen mit manchen anderen Gehäusebauarten verwendet werden, oder sie können
bei der Verwirklichung dieser Erfindung auch ohne Gehäuse verwendet werden.
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Das Ausführungsbeispiel stellt lediglich eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung dar. Die Möglichkeiten zur Anwendung und Ausführung der Erfindung
sind hierauf nicht beschränkt; vielmehr können Form, Einzelheiten, Abmessungsproportionen
und Anordnung der Teile, ihre Kombination und ihre Arbeitsweise noch durch vielerlei
Abwandlungen verändert werden, die alle von der Erfindung umfaßt werden.