DE1438291A1 - Rotierende elektrische Maschine - Google Patents

Description

Prankfurt, den 22. Februar 1962 Gz/Ls

Arthur Williarr Haydon,

Rotierende elektrische faschine

Die vorliegende Erfindung betrifft rotierende elektrische Maschinen, insbesondere Gleichstrommotor mit scheibenförmigem Rotor.

Die Erfindung ist insbesondere bei kleinen Gleichstrommotoren mit einem scheibenförmigen Rotor brauchbar, der mit an jeder Seite der Scheibe ausgebildeten Leitern versehen ist, aus einer Schicht von leitendem Faterial, z.B. Kupfer. Solche Leiter können auf verschiedene technische Weise hergestellt sein, insbesondere mit Hilfe der Technik gedruckter Schaltungen. Dementsprechend können sie beispielsweise mit Hilfe der Seidenschirm- oder lithografischen Technik, der Fotowiderstands- oder anderer fotografischen Technik hergestellt sein, die für verschiedene Arten des .Ätzens oder Plattierens benutzt werden oder durch Gravieren oder Stanzen, Pressen oder Prägen.

Bei gewissen bisherigen Rotoren mit gedruckter Schaltung wurde eine tragende Scheibe aus Isoliermaterial vorgesehen, die auf ihren beiden Oberflächen gedruckte Schaltungsleiter aufweist, mit Anschlüssen von einer oberfläche der Scheibe zur andern, um hierdurch zusammengesetzte Windungen zu bilden, die auf den beiden Oberflächen der Scheibe verteilt sind. Bei einigen Vorschlägen war eine große Anzahl solcher Verbindungen bis in die Hunderte vorhanden. Bei anderen Vorschlägen wurden mehrere spiralige Windungen auf jeder Oberfläche vorgesehen und für jede solche spiralige Windung zwei von oberfläche zu Oberfläche verlaufende Zwischenbindungen.

Eine große Anzahl solcher Zwischenverbindungen 1st jedoch aus zahlreichen Gründen unerwünscht, zu denen auch die Kosten der Herstellung

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und der Umstand gehören, daß sie den Bereich der Scheibe, der für ein Drehmoment erzeugende Leiter verfügbar ist, zu mindern suchen. Außerdem ist, je größer die Anzahl von reihengeschalteten Zwischenverbindungen ist, desto größer auch die Wahrscheinlichkeit, daß ein gegebener Rotor einen Fehler hat; demzufolge können die Ausschlußzahl und die Wartungskosten hoch sein.

Ein Problem besonderer dichtigkeit bei Motoren mit· gedrucktem Schaltkreis und der Ausbildung, daß die Motorleiter im wesentlichen in zwei Ebenen, entsprechend den zwei oberflächen der Scheibe liegen, beruht darauf, daß es von einer gegebenen Schicht aus leitendem Material schwierig ist, eine Desamtlänge der Leiter vorzuziehen, die so groß ist, wie sie gewünscht wird. Es läßt sich besser verstehen, wenn man sich vergegenwärtigt, daß bei anderen Arten von Rotoren, bei denen Leiter aus isoliertem Draht benutzt werden, die zu einer Spule aufgewunden sind, viele Lagen der Leiter übereinander angeordnet werden können, ohne daß die Gefahr besteht, daß eine Windung eine andere Windung kurzschließt. Έβι gewissen Ausführungsformen von· Rotoren mit gedruckter Schaltung können jedoch tatsächlich nur zwei Lagen von Windungen, eine auf jeder Oberfläche der Scheibe, vorhanden sein. Hieraus ist ersichtlich, daß die Beschränkung auf zwei solche Windungslagen praktisch eine Beschränkung auf die gesamte Länge der die Windungen bildenden Leiter entspricht.

Um nun den Vorteil der Bildung der Windungen aus einer Schicht aus leitendem Piaterial mit Hilfe der Technik gedruckter Schaltungen oder dgl. zu gewinnen, muß man praktisch eine gewisse Beschränkung hinsichtlich der Querschnittsfläche der Leiter hinnehmen. Um ein größeres Drehmoment hervorzurufen, ist indessen erwünscht, daß der Rotor eine große Anzahl Windungen seiner Leiter aufweist. Praktisch treten jedoch Probleme auf, wenn man versucht, die Windungszahl'über einen gewissen Punkt hinaus zu erhohen, weil je mehr Windungen vorhanden sind, die aus einem gegebenen Kupferblech gewonnen werden, desto dünner die Leiter sein müssen.« Und wenn die Dicke der Leiter über einen gewissen Punkt hinaus vermindert wird, wird es wiederum schwierig, die" Dicke noch weiter herabzusetzen und sie gleiohwohl noch mit Hilfe dieser technischen Verfahren befriedigend herzustellen und auszubilden.

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Überdies ist es, falls sehr dünne Leiter, z.B. durch Atzen auszubilden sind, nicht möglich, durch Benutzung einer entsprechend dickeren Kupferschicht einen Ausgleich zu bewirken. Vielmehr ist das Gegenteil der Fall. Weil die.Ätzung zu einer Hinterschneidungswirkung neigt, ist die übliche Regel, daß, wenn die Leitungsdicke vermindert wird, das Gewicht oder die Dicke der leitenden Schicht entsprechend vermindert werden muß. Die entstehende Verminderung der Querschnittsfläche der Leiter erhöht indessen ihren Widerstand pro Längeneinheit und vermindert entsprechend den Leistungsgrad des Motors.

Sonach ist es, weil also die Leiterlänge vorrangig ist, wichtig, Ausbildungen zu benutzen, bei denen die zur Verfugung stehende Fläche der Scheibe aufs wirksamste ausgenutzt wird.

Ferner ist bedeutsam, daß eine wichtige Anwendung von mit gedruckter Schaltung ausgestatteten ^p'otoren insbesondere kleiner Größe bei tragbaren Vorrichtungen und Geräten stattfindet, die Batterien verhältnismäßig niedriger Spannung, in manchen Fällen nur eine einzige Zeile, enthalten. Beispielsweise ist bei vielen auf dem ^T"arkt befindlichen Batterien die niedrigste zur Verfügung stehende Spannung 1,2 Volt, '.','eitere ünliche Batteriespannungen sind 1,5 Volt, 2 Volt, 12 Volt, 24 Volt. Es ist nun erwünscht, mit gedruckter Schaltung ausgestattete T'otore zu schaffen, die Spannung^- und Strombedindungen haben, die auf die Spannung und den Strom zugeschnitten sind, den handelsübliche Zellen oder Batterien liefern. Es ist außerder. erwünscht, mit gedruckter Schaltung ausgestattete T^fotore zu schaffen, die solchen Spannungs- und Strombedingungen genügen und kleine Größen haben. Ein bisher bei einigen der kleineren, mit gedruckter Schaltung ausgestatteten !'otoren bestehendes Problem lag darin, daß die an ihren Eingangaklemmen verlangte Spannung zu niedrig war (in manchen Fällen niedriger als sogar die aus einer einzigen Zelle verfügbaren Spannung^, und daß ihr Strombedarf zu hoch war, um passende, handelsübliche Kraftquellen benutzen zu können. Des weiteren ist auch erwünscht, einen mit gedruckter Schaltung ausgestatteten T'otor zu schaffen, der .für eine gegebene Eingangsspannung kleiner als die bisher verfügbaren T'otoren ist.

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Sodann ist auch ein Problem, daß bei bisher bekannten, mit gedruckter Schaltung ausgestatteten Motoren bestimmte weitere Umstände hinsichtlich der Kommutierwirkung bestanden, die den Leistungsgrad der "otnren herabzusetzen suchten. Um das Bestreben der Kommutatorbürsten möglichst zu vermindern, daß es nämlich zu einer unerwünschten Tberbrückung von einem Kommutatorsegment zum nächsten kommt, waren die Bürsten verhältnismäßig schmal; bei bisherigen typischen Rotorausbildungen erzeugten jedoch große Ströme durch die verhältnismäßig schmalen Bürsten hohe Stromdichten in denselben, was zu einer raschen Erosion der Bürsten und der Kommutatoren sowie zur Herabstetzung des Drehmoments führte.

Bei rotoren mit scheibenförmigen Rotoren, die Kommutatoren aus gedruckter Schaltung aufweisen und die Windungen an der einen Oberfläche der Scheibe haben, sollte die Größe der Kommutatoren und Bürsten so klein wie möglich gehalten werden, um für die arbeitenden Leiter soviel nützlichen Raum wie möglich zu gewährleisten, wie auch um die Reibung "zu vermindern. Diese Wechselbeziehung zwischen Rürsten- und Kommutatorgröße und Leiterlänge weicht von derjenigen bei. T'otoren ab, wo die herkömmlichen zylindrischen Kommutatoren benutzt werden, weil in letzterem Falle die Fläche des Kommutators dadurch vergrößert werden kann, daß seine Länge vergrößert wird, "hne daß hierbei die Länge der Leiter des Rotors beeinträchtigt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun v->n einer rotierenden elektrischen "aschine, z.B. einen Gleichstrommotor ausgegangen, der einen scheibenförmigen Rotor mit einer ^T"ehrzahl von Windungen an jeder seiner entgegengesetzten Außenflächen aufweist, wobei an einer Außenfläche der Scheibe gemeinsame Verbindungsmittel vorgesehen sind, die ein Ende jeder der Windungen an dieser Außenfläche der Scheibe anschließen, sowie Oberfläche-zu-nberfläche-verbindende Leitermittel, die das andere Ende jeder der zuletzt erwähnten Windungen mit einem Ende von einer der Windungen an der entgegengesetzten Außenfläche verbinden.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß sie einen mit gedruckter Schaltung ausgestatteten Rotor für Gebrauch, z.B. in kleinen Gleichstrommotoren schafft, der für einen Betrieb mit größerer Eingangsklemmenspannung geeignet und leistungsfähiger als bisherige,

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mit gedruckter Schaltung ausgestattete Motoren vergleichbarer Größe ist. Ein Teil dieser Verbesserung wird durch eine Gestaltung erzielt, die einen größeren Anteil der Oberfläche des Rotors zu einer brauchbaren Benutzung befähigt. Eine weitere Quelle der Verbesserung liegt bei gewissen Ausführungsfnrmen darin, daß während des Betriebes Str^m, der von einem Koromutatoreingangssegment durch den f'ntor hindurch zu einem Kommutatorausgangssegment fließt, eine größere Anzahl '^indungen, als bei Serienvorrichtungen dieser Art durchläuft. Auf diese "/eise kann der Strom bei gewissen Kommutatorstellungen in ein gegebenes Kommutatorsegment eintreten, eine Windung an einer Seite des Rotors durchlaufen, von Oberfläche zu Oberfläche durch den lotor hindurch zur entgegengesetzten Seite gelangen, eine erste Windung an dieser entgegengesetzten Seite durchlaufen, sodann eine zweite "Mndung an dieser Seite, um hierauf zur ersten Seite zurückzukehren und noch eine weitere Windung an der ersten Seite zu durchlaufen, do daß er insgesamt vier .solcher Windungen durchlaufen hat, bevor er den Rotor durch das zweite Kommutatosegment verläßt.

Inder, eine größere wirksame Arbeitslänge der reihengeschalteten Leiter geschaffen wird, bewirkt die Ausbildung des neuen Rotors eine höhere Gegen-EMK, wodurch ein'Motor geschaffen wird, der bei einer höheren Betriebsspannung als bisherige Motoren arbeiten kann, während andere Faktoren die gleichen sind.

Der ^r'otor nach der vorliegenden Erfindung hat mithin viele bedeutsame Vorteile, einschließlich niedrigeren Kosten, eines h-^hen Betriebsleistungsgrades aus einer praktisch und sofort verfügberen Kraftquelle, einer geringeren Anzahl von Zwischenverbindungc-n, und eines geringsten Bestrebens, während des Betriebes zu feuern,

'Veitere !'erkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichekiir-sn der neuen Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Darstellungen von Ausfübrungsbeispielen, sowie aus der folgenden Beschreibung Es zeigen:

Fig. 1 einen Grundriß eines Gleichstrommotors gemaS einer ''unführungeform der neuen Erfindung, wobei gewisse Teile; weggebrochen und andere geschnitten dargestelltsind,

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Fig» 2 einen Vertikalschnitt nach der Linie 2-2 der Figur 1,

•Fig. 3 einen Grundriß einer Seite eines scheibenförmigen Rotors, der sich für die Ausführungsform der I'lrfindung nach der Figur 1 eignet, .

Fig. 4 einen Grundriß der entgegengesetzten Seite des Rotors nach der Figur 3»

Fig. 5 eine· schematische ^ perspektivische Darstellung der Einrichtung des elektrischen Schaltkreises am Rotor nach der Figur 3». -wobei die Rotorscheibe in Figur 5 aus Gründen größerer Deutlichkeit fortgelassen ist,

Fig. 6 einen Grundriß einer Seite eines scheibenförmigen Rotors •gemäß einer weiteren Ausführungsform der neuen Erfindung,

Fig* 7 einen Grundriß der entgegengesetzten Seite des Rotors nach der Figur 6₉

Fig. 8 eine teilweise auseinandergezogene Darstellung» zum Teil im Schnitt von gewissen Teilen des in Figur 1 veranschaulichten Motors, - "

Fig« 9 eine verwundene gradlinige, perspektivische Darstellung der Anordnung von Kommutatorsegmenten und Windungen am Rotor nach der.Figur 3» wobei die Rotorscheibe in dieser Figur aus Gründen größerer Deutlichkeit ausgelassen ist und

Fig. 10 einen Schnitt, im allgemeinen nach den Linien 10-10 der Figur 29 wobei ebenfalls gewisse Teile fortgelassen sind.

Die Figuren 1 ~ 5 der Zeichnung lassen einen Gleichstrommotor erkennen, der einen dünnen, plattenartigen Rotor 12 hat, der an einen Fjnde einer Welle 13 gelagert ist. Der Rotor weist eine Stützscheibe 15 auf, die aus dielektrischem Material niedriger Permeabilität, z."R. aus Epoxyglas besteht, ".■■■'.-

Die Scheibe 15 ist an jeder ihrer Seiten mit einem elektrischen Schaltkreis versehen, der mit Hilfe der Technik gedruckter Schaltungen gebildet worden ist» Dieser Kreis weist drei Paare vn Rotorwindungen auf, die in Form eines Y verbunden sind,, Sonach weist eine Scheibe der Saite (die in Figur 4 veranschaulichte Seite) einen gedruckten Ringleiter. 17 auf, der die Welle 13 eng umgibt, sowie drei g&druekte Schaltkreiswindungen 20, 21 und 22, von denen je ein Ende

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mit dem Leiter 17 verbunden ist» Diese Windungen laufen spiralig einwärts zu Verbindungsstellen 23 bzw. 24 bzw, 25.

An der entgegengesetzten Seite (Fig. 3^ der Scheibe 15 sind drei als gedruckter Schaltkreis ausgeführte Windungen 30* 31 und 32 vorgesehen, die im allgemeinen ähnlich oder gleich den Findungen 20, 21, und 22 angeordnet aber mit drei K^mmutatorsegmenten 35 bzw. bzw. 37 verbunden sind. Die windungen 30, 3"! "und 32 sind im wesentlichen den Windungen 20, 21 und 22 überlagert und-laufen in denselben Drehrichtungen einwärts zu Anschlußstellen 40, 4I und 42. Die Anschlußstellen 23 und 40 für die entgegengesetzten Windungen 20 und JO sind mittels eines leitenden Zweiges I5 (Figuren 5 und 9) elektrisch miteinander verbunden, der sich unmittelbar durch die isolierende Scheibe ·15 an einer Stelle zwischen der Witte der Scheibe und dem Scheibenunfäng hindurch erstreckt. In gleicher Weise im Abstand zueinander angeordnete leitende Zweige 46 und 47 dienen der Verbindung der Anschlußstellen 24 und 4I für die entgegengesetzten Windungen 21 und 31 und der Verbindungsstellen 25 und 42 für die entgegengesetzten Windungen 22 bzw. 3²·

Bei dieser Anordnung kann ein gesonderter elektrisch leitender Pfad vom Ringleiter 17 über ein paar Windungen am Hotor zu jedem Kommutatorsegment 35» 36 und 37 geführt werden. Einer dieser Pfade erstreckt sich vom Hingleiter durch die Windung 20 zur Anschlußstelle 23 an einer Seite der Scheibe, und zwar längs des Zweiges 45 zur Verbindungsstelle '40 an der entgegengesetzten Seite der Scheibe, worauf er duroh die Windung 30 hindurch zum Segment gelangt. Ein zweiter Pfad kann vom Hing-leiter durch die Windung 21 hindurch zur > Verbindungsatelle 24, längs des Zweiges 46 zur Verbindungsstelle 41 an der entgegengesetzten Seite der Scheibe, und weiter durch die Windung 31 hindurch zum Segment 36 geführt werden. Der dritte Pfad erstreckt sich vom Ringleiter durch die Windung 22 hindurch, weiter über die Anschlußstelle 25, den Zweig 47, die Anschlußstelle 4? und die Windung 32 zum Segment 37.

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Die Windungen und ⁿberfläche-zu-nberf lache-Zweige an der Rotorscheibe 15 sind daher so angeordnet, daß für .jedes entgegengesetzte Windungspaar.ein einziger Zweig Torgesehen ist.

Jede Windung hat die Form einer zusammenhangenden, ebenen geometrischen Figur, wobei die Windungen 20, 21 und 22 in einer einzigen flachen Ebene- an einer Außenfläche der Scheibe 15 liegen, während die Windungen 30, 31 und 32 in einer einzigen flachen Ebene an der entgegengesetzten Scheibenaußenfläche liegen. Die Windungen haben jeweils im wesentlichen dreieckige Gestalt, wobei Teile davon mit Bezug auf Hotor radial verlaufen. Auf diese Weise nähert sich die Gestalt jeder Windung einem spiralig einwärts verlaufenden gleichschenkeligen Dreieck, wobei die Seiten in radialer Richtung vom Mittelteil der Scheibe weg verlaufen, während sich die Basis über einen gebogenen Pfad parallel zum Seheibenumfang erstreckt. Die Anordnung ist derart, daß gemäß einer richtigen Ausnutzung"des an den Scheibenoberflächen verfügbaren Raumes, ein beträchtlicher Teil jeder Windung auf den Rotor·radial verläuft; die Gründe hierfür werden weiter unten einleuchten. Die besondere Windungsgestaltung ermöglicht, zusammen mit der Anwendung eines einzigen Yerbindungszweiges für jedes Windungspaar die Anordnung einer größten V'indungsanzahl für einen ^otor gegebener Größe.

Koaxial gelagert befindet sich unter Abstand* aber benachbart zur Seite des Motors 12, die den Ringleiter 17 aufweist, ein permanent magnetisierter Stator 5¹^ (figuren 2 und 10). Der Stator hat ringförmige Gestalt und einen Außendurchmesser, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser,des Rotors ist. Die Dicke des Stators ist, obwohl sie großer als diejenige aes Rotors ist, beträchtlich klei-. ner als der Statordurchmesser.

■Der Statormagnet 50 besteht aus einem Ferrit-Material init hoher ■ Koerziv-Kraft und niedriger Permeabilität. Ein für diesen Zweck befriedigendes Material ist Baryum Ferrit, Ba Fe _ n, , das im Handel unter dem Warennamen "Wagnadure" von der Ferroxcube= Corporation ^> TJSA erhältlich ist. Dieses Material ist magnetisch "hart" und hat

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eine hohe Koerzivkraft von etwa I.6OO Oersted. Die Permeabilität des Materials ist niedrig und annähernd gleich derjenigen von Luft.

Wie Figur 10 am besten zeigt, weist der Statormagnet ein dauermagnetisierte Teile oder Bereiche 52 und 53 auf, die einen magnetischen Fluß hervorrufen, der sich in einer Richtung parallel zur gemeinsamen Achse des Stators und des Rotors erstreckt. Diese Teile sind in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert, wobei der eine Nord-(w)-Polarität und der andere Südpolarität hat. Bas. T^agnetnaterial, das eine hohe Koerzitivkraft hat, ermöglicht die Ausrichtung, der entgegengesetzt gepalten "Bereiche 52 und. 53 i*¹ enger Nachbarschaft zueinander. Bei dem Ausführungbeispiel nach der Figur 10 erstreckt sich ,jeder Bereich vorteilhafterweise über einen Bogen vn im wesentlichen 180 Grad des ^Magnetumfangs, wie es in dieser Figur durch die vin den N- und S-Polen wegführenden Pfeile schematisch angedeutet wird. Bei weiteren guten Anordnungen und Einrichtungen können die magnetisieren Bereiche weiter voneinander entfernt sein und einen kleineren Bogen, z.B. von 120 Grad beschreiben. Außerdem braucht der Statormotor bei gewissen J\usführungsforraen nicht ringförig zu sein, sondern kann beispielsweise die Form von zwei im Abstand zueinander angeordneten, entgegengesetzt magnetisieren Teilen oder Abschnitten haben, von denen jeder z.B. 120 Grad breit ist. Der Statormagnet 50 wird von einer im wesentlichen quadratischen Lagerplatte 55 (Fitfur 2) aus magnetisch weichem Material wie z.B. kaltgewalztem Stahl getragen, die mit einer axial angeordneten Lagereinrichtung 56 versehen ist, durch die die Rotorwelle 13 sich hindure.hr erstreckt. Bine quadratische Deckplatte 60, ebenfalls aus¹ magnetisch weichem '.laterial, ist z.3, durch lickzapfen 62 im Abstand zur Platte 55 gehalten, und ebenso auch im Abstand zum Rotor 12, und zwar an derjenigen Seite desselben, die entgegengesetzt zu der Seite liegt, die dem stator 50 benachbart ist.

Die Platte 60 ist innen mit einer länglichen ("ffnung 64 versehen, die sich aus unmittelbarer F'p.her der T^rommut#tor-Segmente 35» 36 und 37 am Rotor nach außen zu einem Rand der Platte erstreckt. Rin Isoliertet! 65 ruht zweckentsprechend innerhalb der öffnung 64 und ni"imt zwei "ürsten 67 und 68 auf, die parallel zur TvHtTwelle 13

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ausgerichtet sind. ,Die Bürsten werden von Blattfedern 70 bzw.- 71 getragen, die der Vorbelastung der Bürsten zum Angriff an gewissen Kommutator-Segmenten 55» 5^ und 57 dienen. Ein Gehäuseteil 75 umschließt teilweise die Bürsten und deren Blattfedern, und ist mittels" einer waschinenschraube 74 ^a® Teil 65 angebracht.

Die Bürsten67 und 68 sind elektrisch mit einer (nicht veranschaulichten) Batterie oder mittels Leitern 75 und f6 mit einer anderen Gleichstromquelle verbunden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 ist die Querschnittsfläche jeder Bürste verhältnismäßig groß, während die Bürstenbreite wesentlich größer als der Abstand zwischen benachbarten Kommutator-Segmenten ist. Bei dieser Anordnung ist die Stromdichte in den Bürsten für eine Batterie gegebener Größe vergleichsweise klein,wodurch die schädlichen Wirkungen..der Bürstenerosion, des Peuerns usw. weitgehend vermieden werden.

Der Magnetfluß aus dem dauermagnetisierten Statormagnet 50 f einem Pfad verhältnismäßig⁷ hohen magnetischen l'iiderstands, der von dem Statorteil 52 ausgeht und weiter über den Luftspalt zwischen dem Magnet 50 und dem Rotor 12, sodann über den benachbarten Teil des Rotors und durch den Luftspalt zwischen dem Rotor und der "Deckplatte 60 zur Deckplatte 55verläuft. Der Flußpfad setzt sich dann über die Deckplatte in eine Stellung neben dem entgegengesetzt magnetisierten Statorteil· 55 fort, durchsetzt den Luftspalt zwischen dem ,Deckel und dem Rotor, verläuft weiter durch den Rotor und dann durch den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Teil 55 zu diesem Teil. Hierauf kehrt der Fluß durch die Lagerplatte 55 hindurch zum Teil 52 zurück.

Der Axiale Abstand zwischen der Deckplatte =60 und dem Statormagnet ' 50 ist im Vergleich zur Magnetdicke klein« (in Figur 2 ist dieser axiale Abstand zu Zwecken größerer Deutlichkeit übertrieben dargestellt) Wie früher angegeben, hat das Mägnetmaterial eine Permeabilität, die annähernd derjenigen von Luft gleicht,, Der gesamte magnetische Wider·= dtand des magnetischen Kreises ist im wesentlichen gleich der Summe aus dem vergleichsweise großen magnetischen Widerstand des Magneten 50 und dem verhältnismäßig kleinen magnetischen Widerstand des Luftgpaltes zwischen dem Magnet und der Deckplatte „ Sonach cufen Ä'nderun-

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gen des A"bstandes zwischen dem Stator und dem Rotor eine äußerst kleine prozentuale Änderung des gesamten magnetischen Widerstandes hervor.

Bei Anwendung einer Gleichspannung an den isolierten Leitern 75 und 76 fließt Gleichstrom vnn den Bürsten 67 und 68 durch gewisse Kommutator-Segmente und Windungen auf dem Rotor 12, wodurch ein magnetischer Fluß erzeugt wird, der.parallel zur gemeinsamen Achse der Rotors-chei"be und des Stators 50 und somit parallel zu dem vom Stator erzeugten Fluß verläuft. Die Wechselwirkung zwischen dem Rotor- und dem Statorfeld ruft eine Drehung hervor. Wenn der Rotor Geschwindigkeit annimmt, zeigt er ein Bestreben» sich nach außen abzuplatten, wodurch die Gegenwirkungen der Änderungen des Luftspaltes zwischen dem Rotor und dem Stator weiter vermindert werden.

Der an den Jfotor angelegte Gleichstrom folgt einem Pfad von der Batterie zum Leiter 75 und der Bürste 67. Bei einigen Kommutatorstellungen fließt der Stro.m von dieser Bürste zu einen der Kommutator-Segmente 35t 36 oder 37 am Rotor und dann durch vier der Rotorwindungen hindurch, bevor ein weiteres der Kommutator-Segmente, die Bürste 68 und den Leiter 76 zur Batterie zurückkehrt. Sonach flieBt, während der Zeit, wo sich die Bürsten 67 bzw 68 beispielsweise mit den Kommutator-Segmenten 35 und 36 in Berührung befinden, der dem Fommutatnr-Segment 35 zugeführte Strom durch die bindung 30 (Figur 5) zur Verbindungsstelle 40 an einer Seite der Rotorscheibe, über den leitenden Zweig 45 zur Verbindungsstelle 23 an der entgegengesetzten Seite der Scheibe durch die bindung 20, den Ringleiter-17 und die Windung 21 hindurch zur Verbindungsstelle 24 an dieser letzteren Scheibenseite, zurück durch den leitenden Zweig 46 zur Verbindungsstelle 41 an der ersten Seite der Scheibe und dann durch die Windung 31 zum Kommutator-Segment 36 und der Bürste 68.

Der durch die vier in. leihe geschalteten Windungen 30, 20, 21 und 3I fließende Strom wirkt mit dem Magnetfeld des Stators 50 zusammen, um ein hohes Drehmoment zum Antrieb des Rotors zu erzeugen und hierdurch den Gesamtleistungsgrad des Fotors zu erhöhen. Außerdem liefert die

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größere effektive Länge der in Reihe geschalteten '^indungen eine hohe Gegen-GiiK und ermöglicht somit einen Betrieb des Motors bei einer an die Bürsten angelegten erhöhten Spannung. ■ '

Wenn der Rotor umläuft, überbrücken die Bürsten 67 und. 68 abwechselnd benachbarte Paare der Komrutator-Segmente 55j 36 und 37· Der Strom fließt -während dieser ttberbr-ückungswirkung von einer der Bürsten durch einen Kreis hindurch, der die überbrückten Segmente enthält, ■weiter die zugehörigen parallelen Paare der in 'Reihe geschalteten Rotorwindüngen, und das dritte in Reihe geschaltete Windungspaar und somit das Segment, worauf er zur anderen Bürste gelangt. Wit dieser Anordnung wird der Gesamtleistungsgrad des ^TTotnrs weiter erhöht.

Wie zuvor dargetan, werden sowohl der Rotor als auch der Stator vorzugsweise aus Materialien niedriger Permeabilität gefertigt. Der vergleichsweise hohe magnetische Widerstand des magnetischen Kreises vermindert die Selbstinduktion der Rotorwindungen und setzt hierdurch die schädlichen Wirkungen des Feuerns, der Radiofrequenzstörungen und dgl. weitgehend heraTj. Während des Betriebes des ^T!rotors wird der Kreis für jedes aufeinanderfolgende Windungspaar augenblicklich geöffnet, wenn sich das Kommutator-Segment für diese Windungen aus der Berührung einer der Bürsten heraus bewegt. Die verminderte Induktanz in den Windungen dient Jedoch der -weitestgehenden Verminderung der * induktiven Gegenwirkung, die anderenfalls während dieses Leerlaufzustandes auftreten -würde. Ils Folge hiervon können die Rotorwindungen in T-Form angeschlossen werden, mit allen zugehörigen Vorteilen, ohne die unerwünschten Effekte einer hohen induktiven Gegenwirkung.

Der durch die radial verlaufenden Teile der Rotorwindungen fließende Strom schneidet unmittelbar quer durch den den Rotor durchsetzenden Statorfluß hindurch. Durch Anordnung einer wesentlichen .Anzahl dieser radialen Windungsteile -wird das wirksame Drehmoment am "R^t^r weiter erhöht, .

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Bei gewissen vorteilhaften Ausführungsformen wird der Rotor 12 auf der Welle 1J gelagert, daß sich der Rotor zu allen Zeiten in genauem Gleichgewicht befindet. Demgemäß wird, wie Figur 8 am besten erkennen läßt, eine Lagerhülse 77 zweckentsprechend an der Welle befestigt, während der Rotor mit einer Stirnfläche dieser Lagerhülse, wie bei 78 verklebt oder verkittet wird. Bevor dieses Bindemittel erhärtet, wird die "/eile mit hoher Geschwindigkeit gedreht. Me Zentrifugalkräfte am Rotor dienen dazu, ihn rechtwinkelig zur Welle auszurichten mit dem Ergebnis, daß bei Betrieb des Fotors die auf den Rotor wirkenden Kräfte gleichmäßig und richtig ausgewogen sind.

Die Figuren 6 und 7 veranschaulichen einen abgewandelten Rotor 80 gemäß der neuen Erfindung. Der Rotor gleicht im allgemeinen dem oben geschilderten Rotor 12 und weist eine Stützscheibe auf, die mit in Y-Form angeschlossenen gedruckten Schaltkreiswindungen versehen wird, die in zwei parallelen Ebenen an entgegengesetzten Scheibenaußenflächen angeordnet werden. Die die verschiedenen Windungen des Rotors 80 bildenden Leiter sind ,jedoch wesentlich breiter als diejenigen des Rotors 12. Außerdem sind die Windungen an derjenigen Seite des Rotors 80, die entgegengesetzt der die Kommutator-Segmente aufweisenden Seite ist, durch einen Ringleiter 85 miteinander verbunden, der um den Umfang der Scheibe herumreicht, statt sich nahe des Mittelteils der Scheibe zu befinden. Kin Vorteil der Anordnung nach den Figuren 4 und 5 ist, daß nahe der Mitte der Ringseite der Scheibe für die Windungen mehr Raum verfügbar ist. Demgemäß läßt sich für eine gegebene Motorgröße die Anzahl der einzelnen Windungen jeder Wicklung vermindern.

Bei der Herstellung der in der Zeichnung veranschaulichten Rotoren 12 und 80 können die leitenden Teile an den zwei Seiten der Rotorscheibe aus einem Paar Kupferbleche gebildet sein, wobei eines an jeder Seite der Scheibe, durch isolierendes Material getrennt angeordnet ist. Auf diese Weise sind die Kommutatoren und Windungen und Zwischenverbindungen an einer Seite aus einem Kupferblech gebildet, während die Windungen und Zwischenverbindungen an der anderen Seite aus einem anderen Kupferblech bestehen.

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Wie schon geschildert, sind Vorteile vorhanden, wenn der Rotor so ausgebildet wird, daß die Anzahl der reihengestalteten oberflächezu-^berfläche-Zwischenverbindungen vermindert wird. Die hier geschilderten Rotoren ermöglichen die Anwendung von Ciberf läche-zu^berf läche-Zwischenverhindungen bei einer kleinen Anzahl von Rotorflächen. Beispielsweise sieht man gemäß den'Figuren 3 und 5» daß Oberflächezu-Oberfläche-Zwischenverbindungen bei diesem besonderen Rotorbeispiel nur in drei kleinen Flächen vorgesehen sind: nämlich den Bereichen der Verbindungsstellen 40, "41 und 42. Sonach ist die Anzahl der - drei - Zwischenverbindungsflächen gleich der Anzahl der - drei - Paare entgegengesetzter lbindungen. In einigen Fällen können Vorteile vorhanden sein, wenn bei jedem dieser Zwischenverbindungsbereiche mehr als ein einziger ⁿberfläche~zu-Oberfläche-Verbindungszweig vorgesehen wird. Beispielsweise können zwischen den Verbindungsstellen 41 und 42 nicht gerade ein einziger Verbindungszweig 46, sondern eine Mehrzahl solcher Zweige, beispielsweise 5» parallel geschaltet, vorgesehen werden.

Sonachist innerhalb des kleinen Bereiches oder Fläche, die v^n dem im allgemeinen geschlossenen geometrischen Muster oder der ebenflächigen geometrischen Figur einer gegebenen Windung umschlossen wird, eine einzige Zwischenverbindungsfläche vorhanden, die die einzige Oberfläche-zuOberflache-Zwischenverbindung oder -Zwischenverbindungen zwischen der gegebenen Windung und der entgegengesetzten Viindung umfaßt. .- ""-■."- . ."■"■-.

ßs versteht sich, daß die Anwendung einer Mehrzahl von parallelen Verbindungszweigen in einem gegebenen Zwischenverbindungsbereich von den früher unerwünschten Anordnungen abweicht, bei denen eine große Anzahl reihengeschalteter Zwischenverbindungen vorgesehen war; bei den letzterwähnten Anordnungen erzeugt eine einzige und vollständige Verbindung tatsächlich einen offenen Kreis, weil sie alle in Reihe geschaltet sind. Andererseits dienen, wenn eine der mehreren parallelen Verbindungen-zufällig unvollständig ist, die anderen der Aufrechterhaltung eines leitenden Pfades. ,

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Die Verbindungszweige können auf die verschiedenste Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann die Rotorschwibe "bei einer zufriedenstellenden Technik mit einem ^berflächen-zu-'^berflächen-L'-ich an " jeder Stelle versehen werden, wo ein ^weig gebildet wird, während das Loch mit Kupfer oder einem anderen elektrisch leitenden T*aterial plattiert wird. Die verschiedenen "^indungen, werden dann in der oben geschilderten Weise gebildet, mit passenden Verbindungsstellen in Berührung mit den plattierten Löchern. Bei einer weiteren technischen ⁿerstellungsart wird jedoch jedes Loch in der Scheibe mit einer Fupferöse, Schlaufe oder dgl. versehen, die an entgegengesetzen Enden an die entsprechenden Verbindungsstellen an den '"'indungen angelötet werden.

'Vährend bisher verschiedene beispielsweise Ausführungsformen der rotierenden elektrischen Maschinen in Ausbildung und Einrichtung gemäß der neuen Erfindung auf ihren Gebrauch als Sieichstrommotoren geschildert worden sind, lassen sich diese und weitere Ausführungsformen zufriedenstellend auch als Generatoren für elektrisches Potential nutzen, in dem der Rotnr mechanisch mit einer Kraftmaschine angetrieben und in Spannung sowie Strom von den leitenden Anschlüssen der Bürsten abgenommen wird. ■

Die vorliegend-verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen der Schilderung und nicht der Beschränkung. Es besteht snnach durch den i?e~ brauch dieser Begriffe und Ausdrücke keine Absicht, irgendwelche Äquivalente der veranschaulichten und geschilderten Merkmale oder Teile derselben auszuschließen, da vielmehr mannigfaltige Abwandlungen innerhalb des beanspruchten Bereiches der Erfindung möglich sind.

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Claims (11)

Ansprüche:

1. Routierende elektrische Faschine^ z.B.

Gleichstrommotor, mit einem scheibenförmigen /Rotor mit einer Mehrzahl von Windungen an ,jeder seiner gegenüberliegenden Außenflächen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schei.be an einer Außenfläche mit gemeinsamen Verbindungsmitteln versehen ist, die ein Ende ,jeder Windung an dieser Außenfläche der.

Scheibe anschließen, und ^berfläche-z.u-^/Vberfläche-Verbindungsleitmittel vorgesehen sind, die das andere Fnde ,jeder der letzterwähnten Windungen mit einem Ende einer der Windungen an der entgegengesetzten Außenfläche verbindet.

2„!,faschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Rotor« windungen in Y - Form verbunden sind.

5.Maschine nach Ansprüchen 1 ■? 2 dadurch gekennzeichnet, daß die verbindenden Leitmittel von einer Außenfläche der Scheibe zur anderen-Außenfläche reichen, um Windungen an entgegengesetzten Außenflächen der Scheibe in Paaren miteinander zu verbinden, wobei ein einzelnes Kommutator-Segment für ,jedes ^iSTindungspaar vorhanden und mit der Bindung nur an der entgegengesetzten Fläche der Scheibe verbunden ist. ■

4.Faschine nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die verbindenden Leitmittel innerhalb Zwischenverbindungsflächen so angeordnet sind, daß sie durch die Scheibe hindurch reichen, wobei die Anzahl der Zwischenverbindungsbereiche gleich der Anzahl der Paare der Windungen ist.

5.Faschine nach Ansprüchen 3 - 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutator-Segmente und die Verbindungsmittel gedruckte Schaltkreismittel sind. , . " -. ■

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6. T'aschine nach Ansprüchen 3-5 dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen gedruckte Schaltkreisleiter an jeder an jeder Außenfläche der Scheibe aufweisen, und diese Leiter in einer Mehrzahl zusammenhängender geometrischer Figuren angeordnet sind, wobei die verbindenden Leitmittel ein Ende jedes Leiters mit einen gleichen Ende des entgegengesetzten Leiters an der anderen Außenfläche der Scheibe verbinden, während die anderen Enden der Leiter an einer Außenfläche de~^-Scheibe mit den Kommutatnrsegmenten und die anderen Enden der Leiter an der anderen Außenfläche der Scheibe mit den Verbindungsmitteln verbunden sind.

7. Maschine nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel einen gedruckten Schaltkreisring um die Fitte der Scheibe herum aufweisen.

8. Faschine nach Ansprüchen 6-7» dadurch gekennzeichnet, daß jede 'bindung einen Streifen aus leitendem Material aufweist, der zu einer zusammenhängenden, ebenflächigen, geometrischen Figur aus im wesentlichen dreieckiger Gestalt gebildet ist.und Teile davon mit Bezug auf den Rotor radial verlaufen.

9. Faschine nach Ansprüchen 6-8 dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe in einer Fehrzahl von aneinandergrenzenden, einander nicht überlappenden Teilen unterteilt ist, wobei die Windungen in parallelen Ebenen an den entgegengesetzten Oberflächen der Scheibe und in jedem der Teile angeordnet sind, während jede der Windungen einen Endteil nahe dem ί-iittelteil der Scheibe sowie einen zweiten Endteil zwischen dem Mittelteil der Scheibe und deren Außenkante aufweist.

10. Maschine nach Ansprüchen 1-9» gekennzeichnet durch die Anordnung eines ringförmigen Stators aus magnetisch hartem Faterial koaxial zum Rotor, in unmittelbarer Nachbarschaft aber im Abstand zu diesem, wobei der Stator ein Paar dauermagnetisierte Teile aufweist, die in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert sind, um einen Fluß parallel zur Statorachse' zu erzeugen.

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11. Maschine nach Ansprüchen 1 - 10, gekennzeichnet durch Bürstenmittel zur Zufuhr von Strom zu den Windungen von einer elektrischen Spannungsquelle₄

O δ 8 2. S / O 1 -1.7 BAD ORIGINAL

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