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Verfahren und Anordnung zur Herstellung eines Gleichstrommotors mit
einem im wesentlichen ringförmigen Permanentmagneten in einem Gußgehäuse mit Bürstenhaltern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Herstellung eines Gleichstrommotors
mit einem im wesentlichen ringförmigen Permanentmagneten, der wenigstens teilweise
in ein Gußgehäuse eingebettet ist, das Bürstenhalter aufweist, sowie einen Gleichstrommotor,
der nach diesem Verfahren hergestellt ist. Insbesondere eignet sie sich für Gleichstrommotoren,
die aus Niederspannungsquellen gespeist werden können, z. B. aus Sammlerbatterien
oder Trockenzellen. Derartige Motoren werden vorzugsweise bei elektrischen Uhren
in Kraftfahrzeugen, Booten und Luftfahrzeugen benutzt und sollen genau arbeiten
und billig sowie in der Massenfabrikation herstellbar sein.
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Um eine Funkenbildung an den Bürsten zu vermeiden, müssen die Statorfeldachse
und die Rotorbürsten genau gegeneinander justiert werden. Zu diesem Zweck ist es
bei Motoren mit feststehenden Magneten üblich, die Bürstenhalter zu verschieben,
während bei feststehendem Gehäuse oder feststehenden Bürstenhaltern die Statormagneten
oder die Magnetpole gedreht werden. Auch das Umgießen vormagnetischer Magneten änderte
an der Notwendigkeit einer sorgfältigen Justierung nichts; da hierbei die Magneten
nicht verschoben werden konnten, mußten wieder die Bürstenhalter nachgestellt werden.
Außerdem werden die Ma-,1.neten beim Umgießen meist unzulässig erhitzt.
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Gemäß der Erfindung wird nun zunächst um das aus Magnetmaterial bestehende
Ringglied des Stators das Motorgehäuse geformt, welches aus einem Stück mit Zentriermitteln
besteht, die zur Bürstenstellung beim fertigen Motor, eine vorbestimmte Lage haben.
Hierauf wird die durch Gießen erhaltene Baueinheit in eine Magnetisierfassung eingeführt
und in dieser mittels der Zentriermittel in vorgegebener Lage zum magnetischen Feld
befestigt. Schließlich wird dann das Ringglied in gewünschter Richtung zur Bürstenstellung
(die eine vorbestimmte Lage zu den Zentriermitteln hat) diametral permanent magnetisiert.
Die Ringglieder sind also vor der Verbindung mit dem Gehäuse noch nicht magnetisiert.
Sie können demgemäß ohne Berücksichtigung der gewünschten Lage zur Achse des magnetischen
Feldes in die Form gebracht oder mit dem Gehäuse umgossen werden. Dieses Gehäuse
ist mit Zentriermitteln versehen, so daß es in einer ganz bestimmten Lage in eine
Magnetisierfassung eingesetzt werden kann. Nach dem Einsetzen in die Magnetisierfassung
wird die Magnetisierung vorgenommen, und das Feld hat dann eine bestimmte Richtung
gegenüber den Zentriermitteln. Da diese Zentriermittel nun ihrerseits wiederum eine
bestimmte Lage zur Bürstenstellung haben, so ist damit auch die Lage des Magnetfeldes
zu den Bürsten eindeutig festgelegt. Diese Orientierung ist für alle in der gleichen
Gehäuseform hergestellten und in der gleichen Magnetisierfassung magnetisierten
Statoren gleich, so daß diese Teile gegeneinander auswechselbar sind.
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Die Herstellung dieser auswechselbaren Teile erfordert keinerlei zusätzliche
Arbeit und keinerlei besondere justiereinrichtungen. Auch ist es günstig, daß die
Magnetisierung auch bei solchen Werkstoffen wirksam ist, die sonst ihren Magnetismus
unter dem Einffuß der Wärme beim Guß des Gehäuses verlieren würden.
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Es ist zweckmäßig, die justiermittel als nach außen vorstehende Zentrierhalter
auszubilden, die in der angegebenen Weise mit dem Gehäuse aus einem Stück bestehen
und gleichzeitig als Träger für die Stromanschlüsse des Motors dienen. Weiterhin
wird man die zur Halterung und Festlegung der Bürsten dienenden Haltestifte vorzugsweise
mit dem Gehäuse in einem Stück formen.
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Die einmalige Festlegung des magnetischen Feldes gegenüber den Bürsten
führt bei Belastungsschwankungen manchmal zu Störungen, so daß eine Abteilung der
angesammelten Spannungen erforderlich ist. Solche Entladungswiderstände sind an
sich bekannt, und es ist auch bekannt, für sie besondere Träger vorzusehen.
Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, die Kommutatorsegmente zwischen
zwei gleichachsig mit gegenseitigem Abstand angeordneten Isolierscheiben zu befestigen
und eine dritte Isolierscheibe in der Nähe einer dieser axial gegeneinander verschobenen
Isolierscheiben anzubringen, wobei dann diese zusätzliche Scheibe einen Überzug
aus elektrischem Widerstandsmaterial erhält, der elektrisch an die Kommutatorsegmente
angeschlossen ist. Die Bürstenträger können im gegenseitigen Abstand praktisch parallel
zur Rotorachse angeordnet sein, wobei die auf den Bürstenträgern angeordneten Bürsten
den Kommutator in einer vorgegebenen Beziehung zur magnetischen Achse des Feldgliedes
berühren.
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Die beschriebene Anordnung vermeidet die Funkenbildung und setzt den
Abbrand der Bürsten und des Kommutators herab.
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Die Ableitungswiderstände sind vorzugsweise aufgedruckte Widerstände.
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Ausführungsbeispiele für die Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt,
aus deren Betrachtung sich weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben werden.
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Fig.1 zeigt ein auseinandergenommenes Ausführungsbeispiel, teilweise
geschnitten, für einen Gleichstrommotor gemäß der Erfindung; Fig. 2 zeigt einen
Schnitt durch den Motor der Fig.1; Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer
Kommutatoranordnung mit den Ableitungs-Schichtwiderständen, welche einen Teil der
Erfindung bilden; Fig. 4 zeigt eine andere Kommutatorausbildung; Fig. 5 zeigt schematisch
die Schaltung des Motors und den Anschluß an eine Spannungsquelle, während Fig.
6 eine perspektivische Ansicht eines Teiles der Magnetisierfassung wiedergibt, und
zwar zusammen mit einem Schnitt der Statoranordnung, um auf diese Weise das Verfahren
zur gegenseitigen Ausrichtung der Statoranordnung in der Fassung vor der Magnetisierung
des Feldmagneten zu zeigen.
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Nach Fig. 1 und 2 weist der dargestellte Motor nach der Erfindung
ein gegossenes oder gepreßtes Gehäuse 1 auf, welches aus irgendeinem plastischen
Kunststoff, wie z. B. einer in der Wärme erhärteten Phenolverbindung mit Baumwollfüllung,
oder einem anderen formbaren und vorzugsweise isolierenden Material besteht. Ein
permanentmagnetischer Feldring 2 ist in das Gehäuse eingebettet und wird in einer
später eingehender zu erläuternden Weise diametral magnetisiert. Zwei elastische
Bürsten 3 werden im Gehäuse mittels zweier Bolzen 4, die mit dem Gehäuse 1 in einem
Stück geformt sind, ausgerichtet und getragen. Auch ein Traglager 5 und zwei Zentrierhalter
6 sind mit dem Gehäuse 1 in einem Stück geformt. Die Zentrierhalter werden in einer
vorbestimmten Lage in bezug auf die Stellung der Bürsteneinstell- und Tragstifte
4 angeordnet, um eine richtige Ausrichtung der magnetischen Achse des Feldringes
2 mit Bezug auf die Bürstenhalter 4 während des Herstellungsverfahrens in einer
später beschriebenen Weise zu erleichtern. Gegen Drehung werden die Bürsten 3 in
den Rillen 7 gesichert, welche auch mit dem Gehäuse aus einem Stück geformt sind;
außerdem werden die Bürsten mittels zweier das Gehäuse 1 durchsetzender Schraubenbolzen
8 in ihrer Lage gehalten. Die Bolzen 8 dienen dazu, durch das Gehäuse hindurch den
elektrischen Kontakt mit den Bürsten herzustellen; sie sind im Gehäuse mittels der
Muttern 9 festgelegt.
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Der Läufer, der in Fig. 1 teilweise geschnitten gezeigt ist, weist
drei symmetrisch angeordnete, sich radial erstreckende Wicklungen 10 auf, die an
ihren inneren Enden gemäß Fig.5 im Stern zusammengeschaltet sind. Drei symmetrisch
angeordnete Polschuhe werden aus einem Paar Lamellen 11 gebildet, in denen gemäß
Fig. 1 und 5 zentrale Öffnungen 12 vorgesehen sind. Die Läuferwicklungen 10 sind
von den Polschuhlamellen 11 gemäß Fig. 1 und 2 durch die Isolierteile 13 isoliert.
Die Gesamtheit der Läuferwicklungen ist unter Zwischenfügung einer Isolierhülse
15 auf die Welle 14 gepreßt. Diese Anordnung kann leicht in dem Sinne geändert werden,
daß die Lamellen 11 unmittelbar auf die Welle 14 gepreßt werden. Bei einer solchen
Anordnung würde die Isolierhülse 15 aus zwei getrennten Teilen gebildet werden,
die auf der Welle 14 an sich gegenüberliegenden Seiten der Lamellen 11 angeordnet
würden.
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Der komplette Kommutator weist zwei Scheiben 16 auf, die aus Isolierstoff
geformt und auf die Welle 14 gepreßt sind. Drei bogenförmige Kommutatorsegmente
17 erstrecken sich zwischen den Scheiben 16 und sind mit Fahnen versehen, die durch
entsprechende Schlitze in den Scheiben 16 gehen und umgebogen sind, um die Segmente
zwischen den Scheiben sicher in ihrer Stellung zu halten. Der Kommutator ist von
den Wicklungen durch eine Scheibe 18 isoliert, und es ist eine zusätzliche Isolierscheibe
19 vorgesehen, um Ableiterschichtwi.derstände zu tragen, welche zwischen die angrenzenden
Kommutatorsegmente geschaltet sind. Die Einzelheiten dieser Anordnung werden in
Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung von Fig. 3 und 4 erläutert.
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Nach Fig. 1 und 2 ruht die Läuferwelle 14 innerhalb des Gehäuses 1
mit ihrem einen Ende im Traglager 5, welches mit dem Gehäuse in einem Stück geformt
und zum Feldring 2 gleichachsig angeordnet ist. Eine Abstandshülse 20 berührt die
Schulter des Traglagers 5 und eine der beiden Kommutatorscheiben 16, um die Läuferanordnung
innerhalb des Gehäuses axial zu justieren. Das andere Ende der Läuferwelle wird
in einem Lager 21 getragen, das in einer Deckplatte 22 gebildet ist. Die Deckplatte
22 ist mit dem Gehäuse durch Dübelstifte 23 ausgerichtet, die mit dem Gehäuse in
einem Stück geformt sind und in entsprechende, in der Deckplatte 22 angebrachte
Zentrierlöcher paspen. Ein Ritzel 24 ist auf Welle 14 in irgendeiner angemessenen
Weise montiert und dient zur Kupplung des Motors mit der Last. Bei einigen Anwendungen
kann es zweckmäßiger sein, die Deckplatte 22 abzunehmen und dieses Ende der Welle
14 unmittelbar in einem Konstruktionsteil der Vorrichtung zu lagern, mit der der
Motor gekuppelt ist. Der Motor läßt sich leicht an eine solche Anordnung anpassen,
da die Dübelstifte 23 dann dazu dienen können, den Motor unmittelbar mit dem Konstruktionsteil
auszurichten, mit welchem er gekuppelt ist.
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Fig.3 zeigt eine vollständige Kommutatoreinheit, welche von der Bauart
nach Fig. 1 und 2 abweicht und bei der die Ableiter-Schichtwiderstände einen Teil
des Gesamtkommutators bilden. Die Kommutatorabschnitte werden in derselben Weise
gestützt wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, nur ist eine größere Tragscheibe 25 vorgesehen,
um die Ableiterwiderstände zu tragen. Die Tragscheibe 25 ist aus Isolierstoff gepreßt,
und es sind drei dünne Kupferabschnitte 26 auf ihrer Oberfläche befestigt, um den
elektrischen Anschluß für die Kommutatorabschnitte 27 zu bilden. Der Kommutator
kann in derselben Weise auf der Läuferwelle montiert werden, wie der Läufer nach
Fig. 1 und 2, und die zugehörigen Stromzuführungen der Wicklungen werden dann an
die Kupferabschnitte 26 angelötet. Ein Widerstandsstoff 28 wird auf die Oberfläche
der Tragscheibe 25
nach irgendeinem Verfahren aufgebracht, wie z.
B durch Aufstreichen, Aufspritzen, Aufprägen, Photogravüren, Aufstäuben, chemische
Ablagerung usw. Der Widerstandsstoff 28 erstreckt sich leicht überlappend zwischen
den Kupferabschnitten 26, so daß Ableiterwiderstände zwischen benachbarten Kommutatorsegmenten
gebildet werden. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel des Motors liegt
der Widerstandswert jedes einzelnen Widerstandsabschnittes in der Größenordnung
von 1000 Ohm, aber offensichtlich kann jeder gewünschte Widerstandswert durch richtige
Auswahl des verwendeten Widerstandsstoffes und die angewendete besondere Gestalt
der Schicht erreicht werden. Die Tragscheibe 25 braucht offensichtlich auch nicht
aus Isoliermaterial gepreßt zu sein, wenn nur eine isolierende Oberfläche vorgesehen
ist, auf welche der Widerstandsstoff aufgebracht werden kann, und solange die Kommutatorsegmente
ordnungsgemäß gegeneinander isoliert sind. Der Widerstandsstoff kann in irgendeiner
passenden Weise angebracht werden, wenn er nur mit der Isolieroberfläche fest verbunden
ist. Die Ableiter-Schichtwiderstände können auf einem separaten Tragteil des kompletten
Läufers angebracht werden, wie in der in Fig. 1 und 2 gezeigten Konstruktion dargestellt
ist, bei der die Schichtwiderstände auf der besonderen Scheibe 19 angebracht sind.
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Fig. 4 gibt eine andere Ableiter-Schichtwiderstands-Anordnung wieder,
bei welcher die Widerstände und die Kommutatorsegmente auf einem einzigen Träger
angebracht sind, wie z. B. einer Scheibe 29. Die Kommutatorsegmente 30 werden aus
dünnem Material ausreichender Leitfähigkeit gemacht und an der Oberfläche der Scheibe
29 angebracht oder auf diese aufgetragen, wobei man sich eines der üblichen Aufbringe-(z.
B. Druck-)verfahren für die Herstellung von leitenden Schichten oder anderer Verfahren
bedient. Ein Widerstandsstoff 31 wird dann unmittelbar auf die Oberfläche der Scheibe
29 aufgebracht, so daß ein Entladungswiderstandsnetz zur gegenseitigen Verbindung
benachbarter Kommutatorsegmente geschaffen wird. Der Widerstandsstoff wird ebenfalls
mittels eines der üblichen Verfahren zur Herstellung von Widerstandsschichten aufgebracht,
wie sie oben gelegentlich der Erläuterung der Fig. 3 beschrieben wurden. Die Kommutatorsegmente
30 sind mit Fahnen 32 versehen, damit die Zuführungen der Läuferwicklungen angeschlossen
werden können; die Kommutatorsegmente sind durch Schlitze 33 voneinander getrennt.
Der elektrische Kontakt für die Kommutatorsegmente kann mit Hilfe von zwei federnden
Drahtbürsten 34 hergestellt werden, die den Drahtbürsten der Fig. 1 und 2 ähneln;
nur werden die die Bürsten tragenden Bolzen so gestellt, daß die Bürsten in der
axialen Kontaktlage der Fig. 4 getragen werden. Man sieht auch hier, daß der Träger
29, welcher vorzugsweise aus Isolierstoff besteht, auch aus anderem Material hergestellt
werden kann, wenn nur eine isolierende Oberfläche vorgesehen wird, auf die die Schichtwiderstände
aufgebracht werden können, und für eine ausreichende Isolation zwischen den Kommutatorsegmenten.Sorge
getragen wird. Außerdem erkennt man, daß weitere Änderungen in der besonderen Anordnung
der hier .dargestellten Schichtwiderstände vorgenommen werden können, ohne dadurch
das Wesen der Erfindung zu ändern.
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Gemäß Fig. 5 sind die Läuferwicklungen 10 an der mit 35 bezeichneten
Stelle mit ihren Enden im Stern zusammengeschaltet. Jedes der äußeren Spulenenden
ist in der dargestellten Weise an das zugeordnete Kommutatorsegment angeschlossen.
Die Bürsten sind über Schraubenbolzen, welche wie die Bolzen 8 gemäß Fig. 1 und
2 das Gehäuse durchsetzen, an eine passende Gleichstromquelle 36 angeschlossen.
Der Feldmagnetring 2 ist diametral in der magnetischen Achse 37 und in vorgegebener
Lagebeziehung zu den Stiften 4 magnetisiert, welche gemäß Fig. 1 und 2 zur Einstellung
und Halterung der Bürsten dienen und dadurch die Bürstenachse 38 bestimmen.
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Wie vorher gesagt, ist es wichtig, daß die magnetische Feldachse mit
Bezug auf die Bürstenachse richtig liegt, um nicht nur die Wirkungsweise des Motors
zu sichern, sondern auch die Funkenbildung zwischen den Bürsten und dem Kommutator
auf einen Kleinstwert herabzusetzen. Die günstigste Lagebeziehung zwischen der magnetischen
Achse und der Bürstenachse ist natürlich bei verschiedenen Konstruktionen entsprechend
der Gestaltung der Läuferwicklungen, der Feldverteilung und anderer Bestimmungsgrößen
verschieden. aber die grundlegende Idee der Einstellung dieser beiden Achsen in
ihrer richtigen gegenseitigen Lage bei einer billigen Ausführung und mit einem Minimum
von Fabrikations- und Montagevorgängen ist allen Motoren dieser Bauart gemein.
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Fig. 6 dient zur allgemeinen Erläuterung eines Verfahrens, dieses
Ziel zu erreichen, und im besonderen des Herstellungsverfahrens für den vollständigen
Stator des Motors gemäß Fig. 1 und 2. Im allgemeinen umfaßt diese Methode die Herstellung
eines einheitlichen Stators 39 - mit einem Gehäuse 1, einem Feldring 2 und den die
Bürsten tragenden Stiften 4 und das anschließende Magnetisieren des Feldringes in
einer passenden Magnetisierfassung 40, wobei die magnetische Feldachse in eine vorbestimmte
Lage zu den Bürstenstiften 4 gebracht wird, welche die Bürstenachse festlegen. Bei
diesem Verfahren entfällt eine Anzahl von Fabrikations- und Montagearbeitsgängen,
die sonst erforderlich wären, um einen vormagnetisierten Feldkörper zusammen mit
Bürsteneinstellmitteln in einem Gehäuse richtig auszurichten und anzuordnen. Dieses
Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn man einen Feldring, z. B. der abgebildeten
Art, zu verwenden wünscht, da bei einer solchen symmetrischen Konstruktion nicht
von vornherein Ausrichtungs- oder Identifizierungsflächen vorhanden sind, mittels
deren die magnetische Achse ausgerichtet oder eingestellt werden könnte. Bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel wird die komplette Statoreinheit 39 in einem einzelnen
Formarbeitsgang gebildet, wobei der Feldring 2 zuerst in eine Form gelegt und das
Gehäuse dann um den Feldring herum geformt wird, um ihn dauernd in seiner Lage zu
sichern. Im selben Arbeitsgang werden die Haltestifte 4 der Bürsten und die Zentriervorrichtungen,
z. B. die Halter 6, mit dem Gehäuse in einem Stück geformt. Die Zentrierhalter 6
greifen in die entsprechenden Zentrierflächen 41 in der Sockelplatte 42 der Magnetisierfassung
ein, um so die richtige Einstellung des Stators in der Fassung zu ermöglichen. Die
Magnetisierfassung ist mit zwei Polschuhen 43 und mit den üblichen Magnetisierspulen
und anderen zugehörigen, aber nicht dargestellten Einrichtungen versehen.
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Gemäß den vorstehenden Ausführungen gibt die Erfindung neben anderen
Vorteilen einen billigen, für die Massenherstellung geeigneten Gleichstrommotor
und außerdem ein Herstellungsverfahren für diesen Motor, bei dem die magnetische
Feldachse genau in vorbestimmter Lage zur Bürstenachse angeordnet wird, wodurch
sich eine Maximalleistung und eine Reduzierung der Funkenbildung zwischen den Bürsten
und dem Kommutator auf einen Minimalwert ergibt und wobei die Funkenbildung zwischen
.den Bürsten und dem
Kommutator durch die Schaffung einer neuartigen,
billigen Ableiter-Widerstandsanordnung noch weiter reduziert und praktisch beseitigt
wird.