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Gleichstrommotor Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrommotor,
insbesondere als Stellantrieb für Kreisel, bestehend aus einem mit Permanentmagneten
versehenen Stator und einem radial dazu liegenden, Ankerwicklungen tragenden Rotor,
wobei Stator und Rotor auf im Querschnitt U-förmigen, mit ihren Schenkeln ineinandergreifenden
Gehäuse-Ringflanschen sitzen, die über ein einziges zwischen den Schenkeln angeordnetes
Lager gegeneinander drehbar sind.
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Es sind bereits solche Gleichstrommotoren bekannt, bei denen die Kommutatoren
aus massiven Kupferstäben bestehen, die entweder in Schlitzen angeordnet oder durch
einen an der Ankerwelle befestigten Ring aus Stahl oder Kunststoff zusammengehalten
sind. Bei einer anderen bekannten Konstruktion sind die Dauermagnete in einer Haltevorrichtung
aus Stahl eingebettet, welche die Polstücke und Magnetträger bildet. Ferner können
die Magnete in einem einzigen mehrpoligen Aggregat mit ausgeprägten Polen eingegossen
sein. Bei allen diesen bekannten Konstruktionen ist eine hohe Eingangsleistung für
ein bestimmtes abzugebendes Drehmoment erforderlich, d. h., ihr Wirkungsgrad ist
gering. Außerdem erhält der Anker eine übermäßige Länge, wenn man Kommutatoren aus
an der Ankerwelle befestigten massiven Stäben verwendet. Wenn die massiven Kommutatorstäbe
in Schlitze eingebaut werden, wird der Anker zwar kürzer, doch nehmen die Stäbe
wertvollen Raum ein. Die in den Haltern aus Stahl eingebetteten Dauermagnete haben
einen geringen Wirkungsgrad, da der Halter einen großen Teil des Flusses kurzschließt,
so daß dieser das Drehmoment bestimmende Teil des Flusses nicht in den Luftspalt
gelangt. Die einteiligen mehrpoligen Magnete bedingen einen geringen Wirkungsgrad,
da man sie nicht aus einem hochgradig orientierten Magnetmaterial herstellen kann.
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Schließlich ist auch eine Gleichstrommaschine mit gedrucktem Ankerstromkreis
bekannt, bei der die Permanentmagnete auf dem Gehäusedeckel angebracht sind und
eine Ankerscheibe mit der aufgedruckten Wicklung vor den Magneten rotiert. Auf der
den Magneten abgewandten Seite der Ankerscheibe schleifen die Bürsten. In ihrer
Bauweise ähnelt deshalb dieser Motor der altbekannten Gramme-Maschine. Nachteilig
ist vor allem der konstruktionsbedingte hohe Bedarf an Einbauraum, da das Magnetfeld
in axialer Richtung verläuft, zwei Lagerstellen notwendig sind und die Halterung
der Bürsten in dem den Magneten gegenüberliegenden Gehäuseteil zusätzlichen Bauraum
erfordert. Ferner ist dieser Motor spannungsmäßig begrenzt, da auf der Ankerscheibe
nur wenige Ankerwicklungen untergebracht werden können; nachdem der magnetische
Fluß nicht nur den Luftspalt zwischen der Ankerscheibe und den Magneten; sondern
auch zusätzlich den Luftspalt zwischen der Ankerscheibe und einem gehäusefest angeordneten
Weicheisenring zum Rückschluß des Magnetkreises durchsetzen muß, ist bei diesem
bekannten Gleichstrommotor das Magnetmaterial nicht optimal ausgenützt.
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Bekannte Gleichstrommotoren, die einen an der Stirnseite des Rotors
angebrachten Kommutator verwenden oder auch mit Ankerscheiben sowie Kommutatoren
nach Art gedruckter Schaltungen arbeiten, weisen den Nachteil auf, daß die Unterbringung
des Kommutators und der Bürsten erheblichen Platz beansprucht oder sich im Falle
der gedruckten Ankerscheiben durch die Anordnung mit zwei Luftspalten und dem axialen
Magnetfeld ein zusätzlicher erheblicher Aufwand ergibt. Bei diesen Bauarten ist
also der zur Verfügung stehende Bauraum nicht optimal ausgenützt.
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Diese Nachteile der bekannten Maschinen sind bei einem Gleichstrommotor
der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch behoben, daß die Stirnwand
des den Rotor mit einem geschichteten Anker-Blechkörper und in Nuten gelegten Ankerwicklungen
tragenden Ringflansches einen in gedruckter Schaltung ausgeführten scheibenförmigen
Kommutator
trägt und die stromzuführenden Bürstensätze axial in den zwischen den stabförmigen
Permanentmagneten und dem Kommutator gebildeten Zwischenräumen angeordnet sind.
Durch das radial verlaufende Magnetfeld, die Anordnung der Kontaktbürsten in den-bei
bekannten Maschinen ungenützten Zwischenräumen zwischen den Permanentmagneten und
dem Kommutator und die Gestaltung des Kommutators wird bei sehr gedrängter-Bauweise
ein Stellmotor mit der nötigen Genauigkeit der Drehbewegung vermittelt. Trotz der
platzsparenden Bauweise ist die Anordnung von geschichteten Anker-Blechkörpern mit
eingelegten Ankerwicklungen in -einem Raum möglich, der bei bekannten Vorrichtungen
für den Kommutator vorgesehen ist. Hierdurch ist eine wesentliche Erhöhung des Drehmoments
und des Wirkungsgrades erzielbar.
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Durch die in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene Verwendung eines
Gehäusematerials von hoher Permeabilität wird sowohl weiterer Raum eingespart als
auch eine Gewichtsverminderung dadurch erzielt, daß eine besondere magnetische Abschirmung
und ein besonderes Rückschlußjoch des magnetischen Kreises wegfallen. Ferner ergibt
sich eine wesentlich vereinfachte Montage und Erleichterung bei Instandsetzungsarbeiten,
da der Rotor zusammen mit den Wicklungen und dem Kommutator als Teilaggregat hergestellt
werden kann. Infolge des radial verlaufenden Magnetfeldes kann eine verhältnismäßig
hohe Anzahl von Ankerwicklungen untergebracht werden, womit noch ,der zusätzliche
Vorteil vermittelt ist, daß die Drehmomentschwankungen sehr gering gehalten werden
können.
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Die Erfindung wird in der Gesamtheit der Merkmale des Hauptanspruchs
gesehen.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an Hand-
der Zeichnung erläutert. In. ihr stellt dar F i g. 1 einen erfindungsgemäßen Gleichstrommotor
im Längsschnitt, F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1, F i g..
3 eine weitere Ausbildungsform der Erfindung im Längsschnitt, F i g. 4 einen Schnitt
längs der Linie 4-4 in F i g. 3 und F i g. 5 eine dritte Ausbildungsform der Eifindung
-im Längsschnitt.
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In F i g. 1 ist ein insgesamt mit 10 bezeichneter erfindungsgemäß-
ausgebildeter Gleichstrommotor ge-'.zeigt, der- einen U-förmigen Gehäuse=Ringflansch
12 ' umfaßt, der aus einem Material -von hoher Perure-- abilität besteht und eine
innere zylindrische Wand 14 und eine äußere zylindrische Wand 16 aufweist, -die
durch eine scheibenförmige Stirnwand 18 verbunden sind. Auf der äußeren zylindrischen
Wand 16 sind mehrere Dauermagnete 20 in Umfangsabständen verteilt - angeordnet und
auf geeignete - Weise befestigt, d. h., sie sind mit -der zylindrischen Wand-16-durch-
Verkleben, Löten oder auf andere Weise verbunden. --Die orientierten Achsen- aller
Magnete 20 verlaufen radial, und ihre Pole sind gemäß F i g. 2 so angeordnet,- daß
bei jedem zweiten Magnet der Nordpol und bei- den dazwischen -angeordneten Magneten
der Südpol nach-- außen gerichtet ist. -Auf der inneren zylindrischen Wand 14 ist
ein Lager 22 angeordnet, dessen innerer Laufring mit einer Schulter 24 durch eine
auf das rechte Ende- der zylindrischen inneren Wand 14 aufgeschraubte Mutter 26
verspannt ist. Ein drehbares, ebenfalls als U-förmiger Ringflansch ausgebildetes
Gehäuse 28 aus einem Material von hoher Permeabilität ist mit Hilfe des Lagers 22
auf dem ortsfesten Ringflansch 12 drehbar angeordnet. Das Gehäuse 28 umfaßt eine
innere zylindrische Wand 30, die durch eine scheibenförmige Stirnwand 34 mit einer
äußeren zylindrischen Wand 32 verbunden ist. Die innere zylindrische Wand 30 ist
am äußeren Laufring des Lagers 22 befestigt und trägt an ihrem inneren Ende eine
Lippe 36, die über eine Stirnfläche des äußeren Laufrings des Lagers 22 greift;
ein Sprengring 38 greift über die -andere Stirnfläche des äußeren Laufrings, um
das drehbare Gehäuse 28 gegen axiale Bewegungen gegenüber dem Lager 22 zu sichern.
In dem drehbaren Gehäuse 28 ist ein zusammen mit diesem drehbarer -Ankerblechkörper
40 angeordnet, der als Ganzes in das drehbare Gehäuse eingeführt bzw. aus ihm entfernt
werden kann. Der Anker-Blechkörper 40 umfaßt einen aus -Schichten aufgebauten Ankerring
42 mit mehreren radialen Schlitzen 44, die in Umfangsabständen verteilt und gemäß
F i g. 2 am inneren Ende geschlossen und am äußeren Ende offen sind, wobei die zylindrische
äußere Wand 32 die Schlitze an ihren offenen Enden verschließt. In den Schlitzen
44 sind mehrere in Reihe geschaltete Ankerwicklungen 46 in üblicher Weise angeordnet.
Ein scheibenförmiger Kommutator 52 in Form einer gedruckten Schaltung auf einer
scheibenförrnigen isolierenden Unterlage 54, die an der Stirnwand 34 des drehbaren
Gehäuses 28 anliegt, wird von dem geschichteten Ankerring 42 aus durch einen Ring
56 aus einem geeigneten Isoliermaterial unterstützt. Die gedruckte Schaltung auf
der Stirnfläche des Kommutators 52 bildet mehrere getrennte, kreisbogenförmig gekrümmte
Kommutatorsegmente, von denen jedem Magneten 20 einer zugeordnet ist. Der Kommutator
52 trägt mehrere vorher daran befestigte Zuleitungen 68, von denen jede mit einem
anderen Kommutatorsegment verbunden ist. Jede Zuleitung 68 verläuft durch den oberen
Teil des benachbarten Schlitzes 44 und ist mit dem einen oder anderen Ende der in
Reihe geschalteten Wicklungen 46 an Anschlußstellen verbunden, die gemäß F i g.
1 auf der linken Seite der Wicklungen liegen. Die Bürsten 58 sind mit Hilfe von
Isolierklötzen 62 an den Magneten 20 befestigt und mit den Zuleitungen 64 und 66
verbunden. Der ortsfeste Ringflansch 12 besteht, wie erwähnt, aus einem Material
von hoher Permeabilität, so daß ein guter magnetischer Rückschluß zwischen den Magneten
20 vorhanden ist; das Gehäuse 28 besteht ebenfalls aus einem- magnetisch leitfähigen
Material, wodurch auch am Läufer ein magnetisch gut leitfähiger Rückschluß und eine
magnetische Abschirmung für den Motor 10 erzielt wird. Der verbleibende Teil des
ortsfesten Gehäuse-Ringflansches 12- wird durch einen becherförmigen Deckel 73 aus
magnetisch leitfähigem Material gebildet und hierdurch eine zusätzliche magnetische
Abschirmung- erreicht. Der Deckel 73 ist auf der -äußeren zylindrischen Wand 16
des. ortsfesten Bauteils 12 angeordnet und mit einem radialen Schlitz 72 zum Durchführen
der Zuleitungen 64 und 66 versehen. Der-- Deckel ist in einem geeigneten Abstand
von den Ankerwicklungen 46 und von der Umfangsfläche des drehbaren Gehäuses 28-
angeordnet, damit -die Drehbewegung nicht behindert
wird. Der -
als gedruckte Schaltung ausgebildete Kommutator 52 hat sehr kleine Abmessungen
und ein geringes Gewicht. Er hat geringe axiale Ausdehnungen, so daß er wenig Raum
einnimmt und ein größerer Raum für die Unterbringung der Ankerwicklungen zur Verfügung
steht; hierdurch erhöht sich der Wirkungsgrad des Motors.-Der Kommutator ist in
einem möglichst kleinen Abstand von der Drehachse des Gehäuses angeordnet, wodurch
das Reibungsdrehmoment der Kontaktbürsten wegen des kleinen radialen Hebelarms der
Kontaktbürsten auf einem sehr kleinen Wert gehalten wird. Da das ortsfeste Bauteil
12 aus einem Material von hoher Permeabilität besteht, braucht man für den Stator
keinen besonderen magnetischen Rückleitungsweg vorzusehen. Durch die Verwendung
eines magnetisch durchlässigen Materials für das drehbare Gehäuse 28 und den Deckel
73 wird die Notwendigkeit vermieden, eine besondere magnetische Abschirmung
vorzusehen. Auf diese Weise wird das Gewicht des Motors durch das Gehäuse nur in
einem minimalen Ausmaß vergrößert. Die Teile zum Befestigen der Kontaktbürsten an
den Magneten 20 sind in einem normalerweise verlorenen Raum angeordnet, so daß sich
minimale axiale Gesamtabmessungen für den Motor ergeben. Der abnehmbare Deckel
73 ermöglicht es, die Magnete 20 mit Hilfe eines magnetischen Ankers auf
die äußere zylindrische Wand 16 des ortsfesten Bauteils 12 aufzuschieben, so daß
die Magnete mit hohem Fluß arbeiten können; hierdurch wird der Wirkungsgrad günstig
beeinflußt. Dadurch, daß die einzelnen Magnete 20 an der äußeren zylindrischen Wand
16 so befestigt sind, daß die Orientierungsachsen der Magnete radial verlaufen,
wird ferner die Verwendung von hochgradig orientiertem Magnetmaterial mit entsprechend
hoher Leistung ermöglicht. Durch die Verwendung geschlossener Schlitze 44 bei dem
geschichteten Anker werden außerdem Drehmomentsschwankungen auf ein Minimum herabgesetzt.
Da der als gedruckte Schaltung ausgebildete Kommutator 52 mit Hilfe des isolierenden
Ringes 56 direkt an dem geschichteten Anker befestigt ist, kann man das gesamte
Ankeraggregat mit den Wicklungen versehen, es als Teilaggregat fertigstellen und
dieses dann als Ganzes in das Gehäuse 28 einführen.
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In F i g. 3 und 4 ist eine weitere Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen
Gleichstrommotors dargestellt und insgesamt mit 80 bezeichnet. Bei dieser Ausbildungsform
sind die Dauermagnete 20 radial außerhalb des geschichteten Ankerringes 42 angeordnet
und an einer zylindrischen Wand 82 eines Gehäuse-Ringflansches 84 aus einem Material
von hoher Permeabilität befestigt, das eine innere zylindrische Wand 86 aufweist,
welche am inneren Laufring eines Lagers 22 befestigt ist. Der Ankerring 42 ist an
einer inneren zylindrischen Wand 88 eines drehbaren, als Ringflansch ausgebildeten
Gehäuses 90 aus magnetisch durchlässigem Material befestigt, und der als gedruckte
Schaltung ausgebildete Kommutator 52 wird in dem Gehäuse 90 von dem Ankerring 42
aus durch einen isolierenden Ring 92 unterstützt, so daß, ebenso wie bei der Ausbildungsform
nach F i g. 1 und 2, ein zusammenhängendes Teilaggregat vorhanden ist. Die unter
Federspannung stehenden Kontaktbürsten 58 sind an den Stirnflächen der Magnete 20
ebenfalls mit Hilfe isolierender Klötze 62 befestigt und mit den Zuleitungen 64
und 66 verbunden; -die- Zuleitungen 68 :der Ankerwicklungen sind mit -dem Kommutator
52 verbunden, verlaufen durch die Ankerschlitze 44 und sind in der dargestellten
Weise mit den Enden der Wicklungen verbunden. Der Motor 80 arbeitet somit in der
gleichen Weise wie der Motor 10 nach F i g. 1 und 2; bei ihm ist lediglich das drehbare
Ankeraggregat radial innerhalb der Dauermagnete 20 angeordnet.
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In F i g. 5 erkennt man eine weitere, insgesamt mit 100 bezeichnete
Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors, bei der der geschichtete
Ankerring 42 und der als gedruckte Schaltung ausgebildete Kommutator 52 ortsfest
angeordnet und durch einen isolierenden Ring 102 miteinander verbunden sind. Diese
Teile sind als Teilaggregat in einen den Stator tragenden Gehäuse-Ringflansch 104
aus magnetisch leitfähigem Material eingebaut, dessen innere zylindrische Wand 106
am inneren Laufring eines Lagers 22 befestigt ist. Bei dieser Ausbildungsform sind
die Zuleitungen 64 und 66 direkt mit den Kontaktbürsten 114 verbunden und über eine
öffnung 108 in der Stirnwand eines Gehäuseteils 112 nach außen geführt. Die Zuleitungen
68 sind in der beschriebenen Weise mit den Enden der Wicklungen verbunden.
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Die Magnete 20 sind an einer inneren zylindrischen Wand 110 des Gehäuse-Ringflansches
112 aus einem Material von hoher Permeabilität befestigt; die Wand 110 ist mit dem
äußeren Laufring des Lagers 22 verbunden und dreht sich zusammen mit diesem Laufring.
Auf jedem Magneten 20 sind zwei Kontaktfedern 114 angeordnet, die auf der Stirnfläche
des als gedruckte Schaltung ausgebildeten Kommutators 52 schleifen. Bei dieser Konstruktion
wird die Verbindung zu der hier nicht gezeigten Gleichstromquelle über die Zuleitung
64 hergestellt, und der Stromkreis verläuft von dieser Zuleitung aus über eine der
Kontaktbürsten 114, die gedruckte Schaltung des Kommutators und eine der Zuleitungen
68 zu einem Ende der in Reihe geschalteten Ankerwicklungen 46 und von dort aus zu
einer anderen Zuleitung 68, zu der gedruckten Schaltung des Kommutators und schließlich
über die Zuleitung 66 zurück zur Gleichstromquelle. Die umlaufenden federnden Kontaktbürsten
arbeiten also mit dem als gedruckte Schaltung ausgebildeten Kommutator zusammen.