-
Elektrischer Kleinstmotor Zusatz zum Patent: 1188 709
Die Erfindung
bezieht sich auf einen elektrischen Kleinstmotor mit einer im Luftspalt zwischen
einem feststehenden Kernmagneten und einem ebenfalls feststehenden, den Kernmagneten
umgebenden magnetischen Rückschlußmantel umlaufenden, frei tragenden Trommel-Ankerwicklung.
Im Hauptpatent 1188 709 ist bei einem solchen Motor vorgeschlagen worden,
daß die, im axialen Hin- und Hergang jeweils eine Polteilung überstreichende Ankerwicklung
aus einem einzigen Draht maschinell nach einem an sich bekannten Stromlaufschema
zickzackförrnig hin- und herlaufend und sich nach jedem Umlauf des Drahtes eng Windung
an Windung legend zwei- oder mehrlagig und im Außendurchmesser mit jeder Lage wachsend
gewickelt ist, wobei dieser fortlaufende Draht an den axialen Enden des Ankerkörpers
je-
weils lediglich in die neue Richtung umgelenkt und nur an seinem Anfang
und Ende zu einem und mit einer oder mehreren Anzapfungen zu anderen Stromzuführungsorganen
geführt ist.
-
Um diese Wicklung für elektrische Kleinstmotoren besonders gut auszunutzen
und einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, wird in Weiterbildung des Hauptpatentes
bei der hier vorliegenden Zusatzerfindung ein Kollektor mit einer ungeradzahligen
Anzahl von Lamellen in Form eines fünf-, sieben- oder neunteiligen Kollektors vorgesehen.
Mit diesen Kollektorlamellen sind also die Stromzuführungs- und -abführungsleitungen
der Ankerwicklung verbunden.
-
Es ist zwar bereits bei dem beim Gegenstand des Hauptpatentes vorausgesetzten
Stand der Technik bekannt, nach dem bekannten Stromlaufschema zickzackförmig am
Anker hin- und herlaufende Wicklungen an einen Kommutator mit ungeradzahliger Lamellenzahl
- nämlich 79 bzw. 63 Lamellen - anzuschließen; die vorliegende,
Erfindung nutzt jedoch die Erkenntnis aus, daß bei elektrischen Kleinstmotoren die
Anwendung der geringen ungeradzahligen Kollektorlamellenzahl von 5 bis
9 auf die im Hauptpatent vorgeschlagene Wicklungsart besonders vorteilhaft
ist.
-
Die nachfolgende Beschreibung erläutert die dieser Zusatzerfindung
zugrunde liegenden Erkenntnisse und gibt dazu konstruktive Baumerkmale an. Dabei
erhellt, daß im allgemeinen eine größere Anzahl als neun Kollektorlamellen bei den
der Erfindung zugrunge liegenden Kleinstmotoren keine weiteren Vorteile erbringt.
-
Bevor die Erfindung selbst erläutert wird, sei an Hand von F i
g. 1 nochmals der im Hauptpatent vorgeschlagene Wicklungsaufbau dargestellt.
Es gibt darin die Strecke 1 den Umfang der Wicklung an, C
die aufgeschnitten
und in die Zeichenebene umgebogen dargestellt ist. Am Punkt 2 wird der Strom zu-und
- um 1800 dazu verschoben - an Punkt 3 ab-"eführt. (7
Wie beim Gegenstand des Hauptpatentes verlaufen die Wicklungsdrähte schräg, und
es sind jeweils diejenigen Drähte, in denen der Strom nach unten fließt, dick ausgezogen,
während diejenigen, in denen der Strom nach oben fließt, gestrichelt gezeichnet
sind.
-
Der Wicklungsschritt, d. h. die Rück-kehr des zickzackförnlig
geführten Drahtes, beträgt in bekannter Weise n ± 1, wobei n die Gesamtwindungszahl
über den Umfang der Wicklung ist. In der schematischen F i g. 1 ist ein Wicklungsschritt
gezeichnet, der etwas kleiner als 360' ist. Er beträgt demnach n
- 1.
Vom Punkt 2 aus fließen, wie im Hauptpatent näher dargelegt, in
der in sich geschlossenen ringförmigen Wickluna die Ströme nach beiden Seiten ab,
und es ergibt sich das auch dort schon gezeigte Bild der Strombelagzonen, in welchen
der Strom, und zwar die drehmomentbildende Komponente des schrägfließenden Stromes,
nach oben bzw. nach unten aerichtet ist, was durch Pfeile in der F i g. 1
dargestellt ist.
-
In F i g. 1 wurden die Strombelagzonen durch den Verlauf der
Ströme in den Wicklungsdrähten gezeig In F i g. 2 wird die Gestalt und Verteilung
der Strombelagzonen durch eine geometrische Konstruktion erreicht, die aus F i
g. 1 hervorgeht und die bei den
folgenden überlegungen zugrunde
gelegt ist, um nicht jedes Mal die Strombelagzonen aus dem Stromverlauf in den Wicklungsdrähten
aufs neue konstruieren zu müssen.
-
In F i g. 2 erkennt man in der Mitte liegend die Strombelagzone
4, innerhalb welcher der Strom aufwärts fließt, und seitlich daran anschließend
die Strombelaazonen 5, innerhalb welcher der Strom abwärts fließt. Dazwischen
befinden sich die dreieckiörmic,en Zonen 6, in welchen die Ströme in aus
F i g. 1 ersichtlicher Weise in gleicher Stärke sowohl aufwärts als auch
abwärts fließen, so daß in diesen Zonen keinerlei Kraftwirkung im sinusförmigen
Magnetfeld des Kernmagneten, in welchem sich die Wicklung dreht, entsteht.
-
Die über den Umfang differentielle Stärke des Strombelages, in Fig.
2 in dem rhombenförmigen Belag 4 als schmaler Streifen 7 schraffiert gezeichnet,
ergibt sich jeweils als Höhe des Strombelagfeldes an der betreffenden Stelle. Trägt
man in F i g. 3 diese Höhen über der Grundlinie 8 fortlaufend auf,
wie dies für den herausgehobenen Streifen 7 geschehen ist, dann erhält man
die Linie 9 als den Verlauf der jeweiligen Stärke des Strombelages an den
einzelnen Stellen des Umfanges, der Wicklun'-.
-
In F i a. 4 stellt die Kurve 10 den Verlauf des magnetischen
Feldes in dem im Hauptpatent angeggebenen Kernmagnetensystemen der Erfindung dar.
Bekanntlich ist der Verlauf der Induktion über den Umfang eines Kernmagnetensysterns
im allgemeinen sinusförinil-.
-
Das Zustandekommen des Drehmomentes eines Kleinstmotors mit dem beschriebenen
Aufbau kann man nun durch Multiplikation der Ordinaten von Kurve 9 und
10 berechnen; das Ergebnis wird durch die Kurve 11 der F i
g. 5 wiedergegeben. Diese Figur zeigt, wie das wirkende Drehmoment über den
Umfang verteilt ist. (Die Kurve 11 gibt also nicht etwa die zeitliche Schwankunc,
des Drehmomentes während einer Umdrehung wieder.) Nach diesen all-emeinen Erläuterungen
ist zur Klarstellung der Erfindung in F i g. 6 eine Wicklung gezeigt, die,
unterschiedlich von F i g. 2, nicht an den Punkten 2 und 3, sondern
an den Punkten 2 und 12 gespeist wird, welche auf dem Umfang um 120' aus einander
liegen. Nach der geometrischen Konstruktion, ähnlich wie in F i g. 2, werden
die Strombelagzonen ermittelt, und zwar ist, analog den Verhältnissen der F i
g. 2 und 3, in F i g. 7 durch die Kurve 13
der Verlauf
des Strombalages einer nach F i g. 6 gespeisten Wicklung über den Umfang
wiedergegeben. Man erkennt, daß die Stromzuführung nicht an um 1801 el. auf
dem Durchmesser verschobenen Punkten erfolgt, wie in F i g. 1 und 2, und
somit der Strombelag trapezförmig verläuft. Außerdem werden die in F i
g. 2 gezeigten dreieckigen neutralen Zonen 6 in F i g. 6
wesentlich
größer, was darauf hindeutet, daß die Wicklung nicht so gut ausgenutzt wird wie
in F i g. 2. Man sollte also stets die sogenannte »Durchmesserspeisung« anstreben.
Beim Aufbau eines Kleinstmotors sind notwendigerweise durch die Bewegung des Kollektors
innerhalb der Bürsten beim Umlauf jeweils ein oder zwei Kollektorlamellenpaare kurzgeschlossen.
In F i g. 8 beim fünfteiligen Kollekter ist ein Lamellenpaar, in F i
g. 9 beim sechsteiligen Kollektor sind zwei Lamellenpaare gerade, kurzgeschlossen.
Untersucht man die Wirkung der kurzgeschlossenen Lamellenpaare auf die Wicklung,
dann findet man gemäß F i g. 10 im schematischen Aufbau, daß sich nunme-hr
fünf Arten von Strombelagzonen ausbilden, nämlich die Strombelagzonen 4, ähnlich
F i g. 2, Stromrichtung nach oben, die Strombelagzonen 5, Stromrichtung
nach unten, die Zonen 6, die sich nach außen neutral verhalten, und zusätzlich
die Zonen 14, in denen der Strom zwar nach oben fließt, jedoch mit halber Stärke,
und die Zonen 15, in denen der Strom nach unten fließt, ebenfalls mit halber
Stärke. Dies ist bei den Zonen 14 und 15 durch die verkürzten Pfeile angedeutet.
überträgt man, wie von F i g. 2 nach F i g. 3, den wirklichen Verlauf
des Strombelages auf eine Abszisse, dann findet man einen Verlauf nach Kurve
16 (F i g. 11). Diese Kurve zeigt einen Verlauf, der symmetrisch zum
halben Umfang liegt. (Man vergleiche hierzu F i g. 7, wo ein trapezförmiger
Verlauf nicht symmetrisch zu der Stelle des halben Umfanges erscheint.) In F i
g. 12 ist ein fünfteiliger Kollektor gezeigt in einer Stellung, in welcher
kein Lamellenpaar kurzgeschlossen ist. Dagegen erfolgt die Speisung hier nicht an
zwei um 1801 versetzten Punkten, sondern an zwei Punkten, die um 144' auseinander
stehen. Es ergibt sich bei dieser Speisung ein Strombelag ähnlich der F i
g. 7. Bei Weiterdrehung des Kollektors (F i g. 8) ergibt sich ein
Strombelag mit Kurzschluß nach F i g. 11. Zwischen diesen in F i
g. 7
und 11 angegebenen Kurven für den Strombelag pendelt nun das Drehmoment
in seinem zeitlichen Verlauf während einer Umdrehung.
-
Diese Erläuterungen machen klar, daß die Wahl von fünf, sieben bzw.
neun Kollektorlamellen besonders günstig ist. Beim fünfteiligen Kollektor pendelt
das Drehmoment, wie bereits erwähnt und wie die Verschiedenheit der Strombeläge
der F i g. 7 und 11
zeigt, hin und her, und zwar bei einem Umlauf des
Ankers zehnmal. Selbstverständlich ist bei der gedanklichen übersetzung von der
Strombelagkurve auf die Drehmomentkurve stets zu beachten, daß die Induktion nach
F i g. 4 sinusförmig verläuft.
-
Würde man hingegen eine geradzahlige Kollektorlamellenanzahl wählen,
dann hätte die Strombelagkurve einmal den aus F i g. 3 ersichtlichen Verlauf,
das andere, Mal den in F i g. 14 angegebenen, der aus F i g. 13 herausgezeichnet
wurde. Man erkennt, daß die Unterschiede zwischen F i g. 3 und 14 größer
sind, also der Ungleichförmigkeitsgrad im Drehmoment größer ist, und daß zum anderen
bei einer Umdrehung das Drehmoment nunmehr sechsmal schwankt.
-
Dies sind die Gründe, welche den Vorteil der Erfindung bilden. Bei
ungeradzahliger Kollektorlainellenanzahl ist die dem gleichförmigen, vom Motor abgegebenen
Nutzdrehmoment überlagerte Störschwankung des Drehmomentes in der Frequenz höher
und in der Amplitude niedriger als bei Wahl einer geradzahligen Kollektorlamellenanzahl.
Es ist deshalb von besonderem Vorteil, ungeradzahlige Kollektorlamellenzahlen zu
wählen. Wie man sich leicht überlegen kann, gibt es dabei eine wirtschaftliche Grenze,
die bei der Kollektorlamellenzahl neun liegt, oberhalb welcher die Aufwendungen
für weitere Kollektorlamellen nicht mehr durch wesentliche Erhöhungen des Drehmomentes
und bessere Betriebsbedingungen ausgeglichen werden, da bei einem neunteiligen Kollektor
die Speisung bereits an zwei Punkten erfolgt, welche um 1600 auseinander
liegen. Diese überlegung gilt selbstverständlich für die der
Erfindung
zugrunde liegenden Kleinstmotoren für niedrige Spannungen zwischen 0 bis
6Volt. Bei höheren Spannungen können gegebenenfalls andere überle,m,ngen es ratsam
erscheinen lassen, größere Kollektorlamellenanzahlen zu wählen.
-
Verwendet man eine ungeradzahliee Kollektorlamellenanzahl, dann nehmen
die Kurven des Strombelags einmal den in F i g. 7 und einmal den in F ig.
11 gezeigten Verlauf an. Damit nun stets die beste Ausnutzung bezüglich des
Drehmoments ge-Cleben ist, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Feldkurve
relativ zu den feststehenden Bürsten derart gelegt, daß das Produkt der magnetischen
Induktion mit den Ordinaten der Strombelagskurven nach F i g. 7 und
11 in der Summe einen Maximalwert annimmt. Dieser Zusammenhang ist in F i
g. 15 gezeigt. In dieser Figur sind die beiden Kurven des Strombelags
13 und 16 eingezeichnet und darüber gestrichelt die Sinuskurve
10 des Feldverlaufs, deren Scheitel nicht wie in F i g. 4 symmetrisch
liegt, sondern um den Betrag 17 verschoben ist.