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Elektrischer Stellmotor mit Kommutator für den Regelantrieb mechanischer
Stellglieder Die Erfindung betrifft einen elektrischen Stellmotor mit Kommutator
für den Regelantrieb mechanischer Stellglieder, bei dem der in einem magnetfelddurchsetzten,
zwischen zwei festen Ständerteilen gebildeten scheiben- oder ringförmigen Zwischenraum
umlaufende Rotor aus mehreren innerhalb des magnetisch aktiven Bereiches in durch
die Axial-und die Radialrichtung der Maschine gegebenen Ebenen angeordneten, in
Umfangsrichtung miteinander abwechselnden Lagen von elektrischen Leiteranordnungen
und lamellenartigen, magnetisierbaren Flachleitern, die den Zwischenraum bis auf
die erforderlichen Luftspalte ausfüllen, aufgebaut ist.
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Für die Betätigung von Ventilen oder anderen ähnlichen Organen müssen
elektrische Motoren besonders zwei Anforderungen erfüllen. Wegen der brüsken Abbremsung
am Hubende und einer raschen Beschleunigung bei Beginn einer Ventilverstellung soll
einerseits das Massenträgheitsmoment der umlaufenden Teile möglichst klein sein.
Andererseits müssen derartige Motoren im gebremsten Zustand längere Zeit unter vollem
Strom stehen. Daher sind bisher derartige Motoren nur für relativ geringe Leistungen
ausgeführt worden.
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Es sind Motoren bekannt, bei denen die Rotorwicklung als gedruckte
Schaltung ausgeführt ist, die auf einer dünnen Scheibe aus einem Isolierstoff, z.
B. einem geeigneten Kunststoff, auf einer oder beiden Oberflächen der Scheibe angebracht
ist. Dabei ist auch bereits eine Ausführung bekannt, bei der der Rotor als magnetischer
Leiter ausgebildet ist, um die Luftwege im magnetischen Feld möglichst klein zu
halten. Da der stromführende Leitungsquerschnitt bei diesen bekannten Motoren sehr
klein ist, ist die Leistung dieser Motoren sehr gering; sie beträgt im Höchstfalle
einige 100 W. Besonders für den geschilderten Verwendungszweck, bei dem der Rotor
im Stillstand noch ein gewisses Drehmoment aufbringen muß, um den mechanischen,
an dem Ventil angreifenden Kräften das Gleichgewicht zu halten, ist es wichtig,
die Nennleistung dieser Motoren, die bekanntlich durch das in dem Motor infolge
der Erwärmung durch die entstehenden Verluste vorhandene Temperaturmaximum bestimmt
wird, zu erhöhen. In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, daß bei stillstehendem
Rotor die durch den drehenden Rotor erreichte Kühlwirkung ausfällt, so daß die Einsatzmöglichkeit
der bekannten Motoren für den aufgezeigten Verwendungszweck stark eingeschränkt
ist.
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Weiterhin ist eine elektrische Maschine der eingangs aufgeführten
Art bekannt, deren glockenförmiger Rotor aus in Umfangsrichtung abwechselnden Schichten
aus eisernen Stegen und aus in Radialrichtung verlaufenden Reihen von Wicklungsdrähten
besteht. Zwar wird durch diesen Aufbau erreicht, daß der Luftspalt zwischen dem
Rotor und dem Stator im Bereich des Magnetfeldes sehr klein und der magnetische
Widerstand des Lufspaltes sehr gering wird; diese bekannte Konstruktion besitzt
jedoch für die Lösung der geschilderten Aufgabe erhebliche Nachteile. Durch die
dauernden Wechsel in der Wicklung zwischen aus Kupfer bestehenden Wicklungsdrähten
und eisernen Stegen ergeben sich für die Verbindungen an den Übergangsstellen beider
Materialien erhebliche technologische Schwierig keiten, z. B. durch erhöhte Korrosionsanfälligkeit.
Weiterhin erfordert der Aufbau der Wicklung aus einzelnen Drähten an den Wickelköpfen
ein kompliziertes, räumliches Aneinandervorbeiführen der Drähte, um die gewünschte
Schleifen- oder Wellenwicklung zu erreichen. Dies bedingt relativ lange Wege für
die in den Wickelköpfen angeordneten Verbindungen zwischen den einzelnen im Magnetfeld
rotierenden Leitern. In den Wickelköpfen ist daher ein hoher Materialaufwand notwendig,
durch den die träge Masse des Rotors erheblich vergrößert wird. Ferner besitzt der
Rotor der bekannten Maschine, der lediglich von Bandagen zusammengehalten wird,
eine geringe mechanische Festigkeit, besonders auch an den Verbindungsstellen zwischen
dem Kupfer und dem Eisen. Schließlich ist bei der bekannten Maschine der pro Einheit
der Querschnittsfläche
des Rotors vorhandene Kupferquerschnitt
relativ gering.
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Ferner ist eine Maschine mit einem scheibenförmigen Rotor bekannt,
dessen Wicklung aus gespaltenen Kupferstreifen besteht; bei dieser bekannten Maschine
ist jedoch der magnetische Widerstand sehr groß, da der Rotor keinerlei Einlagen
aus ferromagnetischem Material besitzt.
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Das Ziel der Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile der bekannten
Maschine zu vermeiden, und einen Rotor mit einesteils großer mechanischer Festigkeit,
anderenteils jedoch möglichst geringer träger Masse zu schaffen, bei dem darüber
hinaus der Leitungsquerschnitt für den Strom im Gegensatz zu den einleitend beschriebenen,
bekannten Motoren relativ groß ist, um den elektrischen Widerstand zu erniedrigen
und Leistungsaufnahmen des Motors bis zu einigen KW zu ermöglichen.
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Die diese Aufgabe lösende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Lagen der elektrischen Leiteranordnungen als den Zwischenraum zweischichtig
vollständig ausfüllende, lamellenartige Flachleiter ausgebildet sind, bei denen
das Ende einer Vorderschicht mit dem Anfang einer Hinterschicht verbunden ist, und
daß die magnetisierbaren und die elektrischen Leiter des Rotors mit Kunstharz zu
einer selbsttragenden Einheit vergossen sind.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Motors können die elektrischen
Leiter im Gegensatz zu dem einen erwähnten Motor, bei dem die elektrischen Leiter
zum Teil aus Eisen bestehen, vollständig aus einem elektrisch sehr gut leitenden
Material, z. B. Kupfer, ausgeführt sein, wobei sich durch die Ausbildung der elektrischen
Leiter als Flachleiter ein maximaler Leitungsquerschnitt pro Flächeneinheit der
Querschnittsfläche ergibt. Weiterhin ermöglicht es der erfindungsgemäße Aufbau des
Rotors, mit einem Minimum an Material für die Wickelköpfe und ohne einen besonderen
Träger für die Wicklung auszukommen und so die träge Masse des Rotors so klein wie
möglich zu halten.
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Andererseits werden durch die magnetisch leitenden Lamellen die zur
Erzeugung eines bestimmten Magnetfeldes notwendigen Teile gegenüber dem bekannten
Motor, bei dem der Rotor nur aus nichtmagnetisierbarem Material besteht, beträchtlich
verkleinert.
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Die Kommutationseigenschaften des Motors lassen sich verbessern, wenn
die Selbstinduktitität der Wicklung möglichst klein gehalten wird. Dies kann man
dadurch erreichen, daß das von dem in einer Wicklung bei Kurzschluß an einer Bürste
auftretenden Strom erzeugte Magnetfeld mit seinen Kraftlinien möglichst weitgehend
in Luft verläuft, so daß der Selbstinduktionskoeffizient und damit die in der Wicklung
induzierte Kurzschlußspannung klein werden. Daher ist es vorteilhaft, wenn sich
die jeweils kommutierenden Leiter des Rotors in beidseitigen Erweiterungen des Luftspaltes
befinden.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung kann der Rotor
als Scheibe ausgebildet sein, wobei die Lamellen der elektrischen Leiter im wesentlichen
in Radialrichtung der Scheibe verlaufen, wobei gleichzeitig die magnetischen Leiter
keilförmig ausgebildet sein können. Zur Abschwächung der Wirbelstromverluste können
die magnetischen Leiter aus einzelnen dünnen Blechen hergestellt sein oder ferrithaltigem
Kunststoff in ebenfalls bekannter Weise lamellenartig oder keilförmig gegossen werden.
Ferner können die elektrischen Leiter des Rotors Fortsätze aufweisen, die den Kollektor
bilden.
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Der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele
im Zusammenhang mit der Zeichnung erläutert.
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F i g.1 zeigt im Längsschnitt längs der Schnittlinie I-1 der F i g.
2 eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der der Motor als Gleichstromkollektormotor
ausgeführt ist; F i g. 2 stellt den Schnitt längs der Schnittlinie II-11 in F i
g. 1 dar; F i g. 3 gibt den Ausschnitt einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Rotors
in einer Ebene wieder, wobei die einzelnen Lamellen perspektivisch dargestellt und
räumlich auseinander gezogen sind; F i g. 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Servomotors in gleicher Darstellung wie in den F i g.1 und
2; F i g. 6 bis 8 verdeutlichen eine dritte Ausführung eines Motors, bei dem der
Rotor als Scheibe ausgebildet ist. Dabei stellen F i g. 7 einen Schnitt VII-VII
und F i g. 8 auf der linken Seite 8 a einen Schnitt VIII-VIII und auf der rechten
Seite 8 b einen Schnitt IX-IX von F i g. 6 dar, die den Schnitt VI-VI von F i g.
8 wiedergibt; F i g. 9 zeigt ein Detail aus F i g. 7, in dem der radiale Teil der
Rotorwicklung mit zwischen zwei elektrischen Leitern befindlichen, keilförmig magnetischen
Leitern dargestellt ist.
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Das Magnetfeld des Motors nach den F i g. 1 und 2 wird durch Permanentmagnete
1, 1', 1" usw. erzeugt, die mit den zugehörigen Polschuhen 2,2', 2" usw. zu einem
sternförmigen Gebilde vereinigt sind und durch Bandagen 3 zusammengehalten werden.
Die Permanentmagnete sind als rechteckige Quader handelsüblicher Größe und Form
ausgeführt, die in Richtung der kleinsten Hauptachse magnetisiert sind (F i g. 2).
Der so gebildete innere Statorteil sitzt auf einer Hülse 6, die über ein mit dem
Gehäuse 7 verschraubtes Zwischenstück 27 in diesem Gehäuse 7 gehalten ist. Im Gehäuse
7 ist mittels des Ringes 8, der mit Schrauben 19 im Gehäuse 7 befestigt ist, der
äußere Statorteil9 festgeklemmt, der aus Weicheisen besteht und polschuhartige Rotationsflächen
16 trägt. Ein Gehäusedeckel 25, der mit Schrauben 26 in dem Ring 8 gehalten ist,
bildet den Abschluß des Gehäuses 7.
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Im Ringspalt 17 zwischen dem inneren (1, 2) und dem äußeren Statorteil9
befindet sich der aus magnetisierbaren und elektrischen Leitern aufgebaute Teil
10 des Rotors 11, wobei sich die magnetisierbaren Leiter nur über den in dem Magnetfeld
befindlichen mittleren Teil 10c des Leiterteils 10 erstrecken. Der Rotor 11 besteht
neben dem Leiterteil 10 noch aus der Scheibe 12 und der Welle 13, wobei die Scheibe
12 auf einen konischen Teil der Welle 13 geschoben ist und mit einer Mutter gehalten
wird. Auf dem zylinderartig verlängerten Außenumfang der Scheibe 12 ist der Leiterteil
10, der in seinen Teilen 10 a und 10 b kein magnetisch leitendes Material
aufweist, befestigt. Die Welle 13 wird durch die Lager 14 und 15 getragen, die selbst
in der Hülse 6 liegen.
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Der Teil 10 ist in F i g. 3 abgewickelt dargestellt. Er besteht aus
den radial-axial stehenden magnetisierbaren Leitern 20 und den dazwischenliegenden
vier elektrischen Leitern 21a bzw. 21b, die in
Spulenköpfen 22 und
23 miteinander verbunden sind. Die einzelnen Leiter sind durch kunstharz-oder lackartige
Füllstoffe genügend hoher mechanischer Festigkeit und Klebkraft gegeneinander isoliert.
Der so aufgebaute Rotor bildet eine stabile, selbststragende Einheit, die z. B.
durch Glasfaserbandagen noch verstärkt werden kann.
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F i g. 1 läßt erkennen, daß die Spulenköpfe 22 zu einem Kollektor
vereinigt sind, auf dem die Bürsten 24 gleiten. Die Halterung der Bürsten 24 erfolgt
im Ring 8 und ist in üblicher Weise so ausgeführt, daß die Bürsten 24 federnd auf
dem Spulenkopf 22 aufliegen. Die ebenfalls keine Besonderheiten aufweisende Stromzuführung
zu den Bürsten 24 ist nicht ausdrücklich dargestellt.
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Wie F i g. 2 zeigt, erweitert sich der Luftspalt 17 in Umfangsrichtung
gesehen nach jedem Polschuhpaar 2, 16, durch Ausnehmungen in dem inneren bzw. dem
äußeren Statorteil 1, 2 bzw. 9 zu dem Luftspalt 17a. Die in F i g. 1 gezeigten Bürsten
24 sind nun so längs des Rotorumfanges verteilt, daß die kommutierenden Leiter in
dem Bereich des erweiterten Luftspaltes 17a liegen. Dadurch werden die Kommutationseigenschaften
des Motors verbessert, da der relativ große Luftweg und der geringe Eisenweg in
dem Spalt 17a für das durch den Strom bei Kurzschluß der elektrischen Leiterlamellen
10 an den Bürsten 24 erzeugte Magnetfeld einen großen magnetischen Widerstand ergeben
und so die Selbstinduktionskoeffizienten und damit die induzierte Kurzschlußspannung
klein bleiben.
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Bei der Montage werden die Magnete erst peripher und dann mittels
zweier Ringe 4 stirnseitig kurzgeschlossen. Nach dem Zusammenbau der beiden
Statorhälften und dem Einbau des Rotors 11 werden durch die Lücken 18 hindurch die
an den beiden Enden mit Links- bzw. Rechtsgewinde versehenen Gewindebolzen 5, die
in Ausnehmungen 28 zwischen den Polschuhen 2, 2' usw. verlaufen, gedreht, so daß
die genannten Ringe 4 von den Permanentmagneten 1 abgehoben werden. Damit wird der
von den Permanentmagneten 1 her induzierte magnetische Kreis über die Polschuhe
2, die magnetisierbaren Leiter 20 des Rotors und den äußeren Statorteil 9 geschlossen.
Der Motor ist damit betriebsbereit.
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Die F i g. 4 und 5 stellen einen ähnlich aufgebauten Motor dar, bei
dem der aktive Stator anders ausgebildet ist. Er besteht hier aus einem rohrförmigen
Weicheisenkern 30, der durch eine Feldwicklung 31 magnetisiert werden kann. Die
Stromzuführungen zu der Wicklung 31 weisen keine Besonderheiten auf und sind daher
ebenfalls nicht dargestellt. Auf den beiden Stirnseiten des Kerns 30 sitzen dreiarmige
Polschuhe 32, die fingerartig derart ineinandergreifen, daß an der Peripherie des
inneren Statorteils Nord- und Südpol miteinander abwechseln (F i g. 5). Mit 17 a
ist in F i g. 5 wiederum der bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel
beschriebene erweiterte Luftspalt bezeichnet. Die Bezeichnungen der mit der Ausführungsform
nach F i g. 1 und 2 übereinstimmenden Teile sind die gleichen wie dort.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (F i g. 6 bis 9) ist der Rotor
nicht wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen, als Hohlzylinder ausgebildet,
sondern besitzt die Form einer kreisförmigen Scheibe. Das Magnetfeld wird auch in
diesem Beispiel durch Permanentmagnete 42 erzeugt, die eine den Magneten in F i
g. 1 ähnliche handelsübliche Form und Größe besitzen. Zwischen den Magneten
42 sind die Polschuhe 43 angeordnet. Sie sind zur Erzeugung des Magnetfeldes
in dem Luftspalt, in dem der scheibenförmige Rotor 40 umläuft, mit kreissektorförmig
ausgebildeten Endstücken 50 versehen. Die Permanentmagnete 42 und die Polschuhe
43 werden durch einen Ring 51, der zur Kühlung des Motors Luftnuten 52 besitzt,
zusammengehalten.
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Der passive Statorteil wird aus Polschuhen 44 gebildet, die in ihrer
Form, Größe und Lage den Endstücken 50 der Polschuhe 43 entsprechen.
Die magnetischen Kraftlinien werden von den Polschuhen 44 aus über eine Scheibe
45 aus Weicheisen geschlossen.
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Um eine ausreichende Kühlung durch Luftzirkulation zu erreichen, sind
in der Hülse 6 Nuten 55 vorgesehen.
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Der Rotor 40 wird unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht
56 in einer Nabe 57 gehalten, die auf einem konischen Teil der Welle 13 sitzt und
mit einer Mutter befestigt ist. An seinem äußeren Umfang wird der Rotor 40 an den
Spulenköpfen 22 durch ein elektrisch isoliert aufgebrachtes Band 53 zusammengehalten.
Der ganze Rotor ist mit einem harzartigen Isoliermaterial 54 ausgegossen,
um ihm mechanische Stabilität zu geben.
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F i g. 7 zeigt einen Teil der elektrischen Wicklung des Rotors, wobei
mit 58 der im Schnitt VII-VII gesehene obere Teil der Wicklung aus den elektrischen
Leitern 21 a (F i g. 3) und mit 59 der untere Teil mit den elektrischen Leitern
21 b (F i g. 3) bezeichnet ist. Zwischen den elektrischen Leitern 21 befinden sich
in dem Radialteil der Wicklung die magnetisierbaren Leiter 20, die, wie in
F i g. 9 vergrößert dargestellt, aus einzelnen Blechen so zusammengesetzt sind,
daß sie den keilförmigen Zwischenraum zwischen den Leitern 21 b ausfüllen. Die Stirnverbindungen
(Wikkelköpfe) der Kupferleiter beschreiben, wegen der minimalen Platzbeanspruchung,
Evolventenbahnen.
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An der Scheibe 45 ist der Bürstenträger 46 befestigt, in dem die Bürsten
47, die wiederum im Bereiche eines vergrößerten Luftspaltes liegen, in einer Hülse
60 gehalten sind. Die Bürsten werden durch eine Feder 61 in axialer Richtung gegen
die inneren Spulenköpfe 48 des Rotors gepreßt. Mit 62 ist die elektrische Zuleitung
zu den Bürsten 47 bezeichnet.