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Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden US-Anmeldung
iNo. 259 848 vom 20. Februar 1963 in Anspruch genommen. Gleichstrommotoren bekannter
Bauart weisen eine Reihe von Eigenschaften auf, die deren Anwendungsgebiete einschränken.
Als solche seien hier angeführt; die Motoren neigen zu Drehgeschwindigkeitsunstetigkeit
in Abhängigkeit von der jeweiligen Winkellage des Läufers im Feld, verschiedene
bekanntgewordene Ausführungen neigen zur Überhitzung, da die Wärme vom Läufer nur
ungenügend abgeführt werden kann; andere weisen hohe Inductance auf; bei einzelnen
Konstruktionen traten Laufungleichmäßigkeiten durch hohen und veränderlichen Bürstendruck
bzw. Bürstenreibung auf. Ein anderer Nachteil bekanntgewordener elektromechanicher
Energieumsetzer ist, daß sie durch große Impulsströme
entmagnetisiert
werden, und generell weisen die bekanntgewordenen Gleichstrommotoren eine höhere,
mechanische Zeitkonstante auf, als für zahlreiche Anwendungen zulässig oder erwünscht.
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In diesem Zusammenhang wird unter dem Begriff "mechanische Zeitkonstante"
die Zeit verstanden, die erforderlich ist, damit ein Motor, gegebenenfalls mit Last,
63% seiner E2nd-Winkelgeschwindigkeit erreicht, wenn er zur Zeit Null mit einer
Stromquelle konstanter Spannung mit dem Innenwiderstand Null verbunden wird.
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Gegenstand der Erfindung ist ein als zylindrischer Gleichstrommotor
ausgebildeter Energieumsetzer,der eine extrem kleine mechanische Zeitkonstante,
beispielsweise von 0,004 Sekunden aufweist und in seinen verschiedenen Ausführungsformen
frei von anderen oben angeführten nachteiligen Eigenschaften ist, insbesondere nicht
zur Überhitzung und zu Laufungleichmäßigkeiten neigt sondern unabhängig vun der
Winkelstellung des Läufers bzw. der Motorachse konstante Dreh-Winkelgeschwindigkeit
aufweist, vernachlässigbare elektrische Inductance besitzt und nicht durch Stromimpulse
entmagnetisiert wird.
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Der elek-tromechdnische Energieumsetzer nach der Erfindung
besteht
im wesentlichen aus einem in einem Magnetfeld angeordneten, grundsätzlich zylinderhülsenförmig
ausgebildeten Läufer mit einer über seine Oberfläche gleichmäßig verteilten Wicklung
und einer das Magnetfeld erzeugenden Anordnung, die als einen für die Funktion wesentlichen
Bestandteil einen magnetisch wirksamen Kern besitzt, der im Inneren des Läufers
angeordnet ist und sich relativ zu diesem und völlig frei drehen kann, sowie einer
Kommutatoranordnung, die mit der Läuferwicklung in geeigneter Weise verbunden ist,
oder durch die diese bildenden Leiter gebildet wird.
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Zur besseren Verarschaulichung der Erfindung in verschiedenen Ausbildungen
sollen nachfolgend die beigefügten Zeichnungen besprochen werden.
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Im einzelnen ist: Abb. 1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen
Gleichstrommotors; Abu. 2 eine verkleinerte Barstellung des gleichen Motors im Querschnitt
entlang der Linie 2-2;
Abb. 3 eine Aufsichtdarstellung des Läufers
zum in Abb. 1 wiedergegebenen Motor, und zwar abgebildet entlang der Linie 3-3,
wobei die Wicklung schematisch gezeichnet ist; Abb. 4 eine Teildarstellung des Läufers
im Querschnitt entlang der Linie 4-4 in Abb. 1; Abb. 4a eine solche beispielhafte
Darstellung einer anderen, vorteilhaften Ausführung der Abschlußplatte des Läufers;
Abb. 5 eine Teil-Querschnittdarstellung eines Läufers, entsprechend der Linie 5-5
in Abb. 1, in der der Kommutator dargestellt ist; Abb. 6 ein Schaltdiagramm der
in Abb. 1 benutzten Läuferwicklung; Abb. 7a und 7b Schnittdarstellungen einer anderen
erfindungsgemäßen Motorausführung.
Schließlich stellen die Abb.
8 bis 10 Leiterdiagramme für verschiedene Läuferwicklungen dar, die sich beispielsweise
für erfindungsgemäße elektromechanische Energieumsetzer eignen.
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Die Erfindung soll nunmehr im einzelnen an Hand der Abbildungen 1
und 2 dargelegt werden. Darin ist 10 ein erfindungsgemäßer, als Gleichstrommotor
ausgebildeter Energieumsetzer. Hierbei wird das magnetische Feld von - beispielsweise
4 permanenten - Magneten 11, welche auf einem geeigneten Kreisring 12 aus ferromagnetischem
Material zur Feldrückleitung montiert sind, wobei dieser Kreisring vorteilhafterweise
Teil des Motorgehäuses sein kann. Die Magnete 11 können auch als Elektromagnete
ausgebildet sein. Teil der das Magnetfeld erzeugenden Anordnung ist auch 13, auf
dessen Konstruktion im folgenden noch näher eingegangen wird.
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Des weiteren enthält der dargestellte Motor 10 eine hohl ausgebildete
Läuferarmatur, die im wesentlichen aus einer zylinderförmigen Hülse besteht, 14,
welche die Läuferwicklung 15 trägt; diese Wicklung ist in Achsrichtung angeordnet
und möglichst gleichmäßig über die Oberfläche der Hülse verteilt, wie in den Abbildungen
1 und 3 dargestellt.
Die Zylinuerhülse 14 ist vermittels der Flansche
16a und 16b aus geeignetem Isoliermaterial auf der Achse 17 befestigt, die ihrerseits
in den Lagern 18 im Motorgehäuse geführt ist.
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Die Läuferhülse 14 kann beispielsweise aus geeignetem Isoliermaterial
bestehen oder, falls Wirbelstromdämpfung gewünscht wird, zweckmäßigerweise aus einem
leitfähigen, nicht ferromagnetischen Werkstoff.
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Teil 13 der magnetfeldausbildenden Anordnung ist vorzugsweise ein
homogener Kern aus ferromagnetischem Material geringen magnetischen Widerstands.
Dieser Kern ist vermittels der Lager 20 auf der Achse 17 innerhalb des Läufer 14
angebracht und ist damit in bezug auf diese Achse 17 und den Läufer 14 frei beweglich
drehbar. Kern 13 kann auf seiner äußeren Oberfläche mit einer oder mehreren geeigneten
Nuten oder mit Sperriefen (im magnetischen Sinne) ausgestattet sein, um auf diese
weise eine bevorzugte Stellung des Kerns 13 in bezug auf die Magnete 11 zu erreichen.
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Der Meter nach Abb. 1 ist mit einem geeigneten Kommutator ausgerüstet,
der von der Endplatte 21, welche radial vorstehende Erhebungen 21 trägt und mit
elektrisch leitenden Anschlußpunkten 22 versehen ist, gebildet wird; vergl.
Abbildung
5. Die Kommutatorbürsten 23, 24 sind in den Abbildungen 1 und 2 schematisch dargestellt,
wobei sie um 90° versetzt sind.
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Die Lauferwicklung entsprechend Abbildung 1, 4 und 5 besteht vorzugsweise
aus Spulendraht 15, der zwischen bestimmten Haltepunkten der Läuf erhülsenabschlußplatten
16a und 16b angeordnet ist und elektrisch leitend mit bestimmten Anschlußstellen
der den Kommutator bildenden oder tragenden Endplatte 21 verbunden ist.
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Um die Wicklung auf der Läuferhülse in der gewanschten Lage f estzuhalten,kann
ein geeignetes Kunstharz, wie beispielsweise ein tEpoxyharz, dienen.
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Um möglichst gleichmäßige Kühlung der Läuferwicklung zu erreichen,
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, diese als Einlagenwicklung auszubilden, und
zwar wie in Abb. 6 schematisch dargestellt. hierbei sind die Schlitze in den Endplatten
16a und 16b durch zwei Reihen von Kreisen dargestellt, die mit 16a und 16b bezeichnet
sind, und die Anschlußpunkte des Kommutators sind mit einer weiteren Reihe von Kreisen
dargestellt, die mit 21 bezeichnet sind. Dementsprechend geht der Leiterzug von
Schlitz 1 von 16a, 16b zum Kommutatoranschlußpunkt 2 gegenüber den Schlitzen
4
und 5. Sodann verläuft der Leiterweg von Punkt 2 zu Schlitz B. Hierbei sind die
Leiterzügekreuzungsstellen im Bereich der Endplatte 16a in geeigneter Weise isoliert.
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Auf diese Art wird eine fortschreitende Wellenwicklung ausgebildet,
wobei die Leiterzüge auf der Oberfläche der Läuferhülse Seite an Seite angeordnet
sind und praktisch die ganze Läuferhülsenoberfläche bedecken.
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Betrachtet man die Arbeitsweise des in Abbildung 1 dargestellten Motors,
so erkennt man, daß das magnetische Feld von den Magneten 11 über einen Luftspalt
zum Kern 13 verläuft, wie dies in Abbildung 2 vermittels gestrichelter Linien schematisch
dargestellt ist. Der zum Betrieb des Motors dienende, elektrische Strom wird über
die Bürsten und den Kommutator in üblicher Weise dem Läufer zugeführt. Infolgedessen
rotiert der Läufer 14 mit seiner Achse 17 im Motorgehäuse 10. Der Kern 13, ist,
wie ausgeführt, in Lagern 20 gehalten, so daß der Achse 17 sich im Inneren des Kerns
13 drehte dieser aber im wesentlichen stationär bleibt. Im Betrieb vermag eine geringfügige
Rotation des Kerns aufzutreten" doch ist diese ohne nennenswerte Bedeutung. Um diese
gegebenenfalls vollkommen zu unterbinden, kann, wie weiter oben ausgeführt, der
Kern 13 mit Nuten versehen werden, die mit den Spalten zwischen benachbarten Magneten
11 korrespondieren; auf diese Weise wird dann der Kern magnetisch festgehalten.
Die
Abbildungen 7a und 7b stellen einen anderen erfindungsgemäßen Motor dar. Bei dieser
beispielsweisen Ausführung dienen zur Felderzeugung zwei Hufeisenmagnete 30, 30,
die es ermöglichen, im Gebiet zwischen den Polschuhen 31,31 maximale Feldstärke
zu erreichen. Die Läuferarmatur ist ähnlich aufgebaut wie die für den Motor nach
Abbildung 1 beschriebene. Sie besteht wiederum aus einer hohlen, zylindrischen Hülse
32, die die Wicklung trägt, wobei diese mit einem zylindrischen Kommutator 40 verbunden
ist; im Inneren des Läufers befindet sich der frei drehbar angeordnete Kern 33.
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Die Wicklung des Läufers kann in jeder geeigneten Weise ausgeführt
sein, beispielsweise entsprechend den schematischen Darstellungen nach Abbildung
8, 9 und 10. Abbildung 8 ist die Darstellung einer gweipol-Schleifenwicklung, wobei
sich alle Leiterelemente an der Oberfläche der Läuferhülse befinden mögen.
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Die Verbindungen zu einer geeigneten 8-Segment Kommutator können entsprechend
Abbildung 8 ausgeführt werden, wobei die Bürsten 34 und 35 in Abbildung 7a geeigneterweise
180o versetzt angeordnet werden.
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Abbildung 9 stellt die schematische Darstellung einer
2-pol
Wellenwicklung mit einer Halbwindung pro Pol dar; hierbei kann ein 4-Segment Kommutator
mit einer Bürstenanordnung entsprechend der Abbildung benutzt werden. Abbildung
10 ist hingegen das Schema einer 2-Pol Wellen-Wicklung mit 1 1/2 Windungen pro Pol,
die zweckmäßig miteinem geeigneten 8-Segment Kommutator bentutz wird. Grundsätzlich
kann jede der vorstehend beschriebenen Wicklungen als Einlagenwicklung ausgeführt
werden, oder, falls dies in bestimmten Fällen vorteilhaft, als Zwei-oder Mehr-Lagenwicklung,
wobei die Windungen der folgenden Lage so angeordnet sind, daß sie die Zwischenräume
der vorangehenden Lage überdecken und so eine besonders gleichmäßige Wicklungsverteilung
herbeiführen. Zweckmäßig werden alle Wicklungen so ausgeführt, daß die einzelnen
Windungen sich berühren, wobei für elektrische Isolation zwischen ihnen gesorgt
werden muß.
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Grundsätzlich kann die Wicklung des Läufers auch in der Art sogenannter
gedruckter Schaltungen ausgeführt werden. Hierbei können die Leiter im Ätzverfahren
bzw. durch,galvanische oder nichtgalvanische Metallabscheidung ausgebildet werden.
Da
die Läuferarmatur ein sehr geringes Trägheitsmoment aufweist, sind die erfindungsgemäßen
elektromechanischen Energieumsetzer durch eine außerordentlich kleine meohanische
Zeitkonstante ausgezeichnet. Da diese Armaturen eisenfrei sind, sind nach der Erfindung
aufgebaute Motoren unempfindlich gegen hohe Impulsstrombelastungen und zeigen keine
Entmagnetisierungserscheinungen; Die gleichmäßig über die ganze Läuferoberfläche
verteilt Wicklung bedingt, daß derartige Motoren nicht zum Überhitzen örtlich thermisch
überlasteter Stellen neigen. Diese gleichmäßige Verteilung der Wicklung im Verein
damit, daß der Läufer eisenfrei ist und der Kern im Inneren des Läufers aus homogenem
ferromagnetischen Material besteht und gegenüber dem Läufer unabhängig und frei
beweglich drehbar ist, bewirkt, daß derartige Motoren keinerlei bevorzugte Stellungen
aufweisen und frei von Geschwindigkeits variationen in Abhängigkeit von der jeweiligen
Winkelstellung des Läufers sind.
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Wie bereits erwähnt, kann die Läuferwicklung zweckmäßig derart ausgeführt
werden, daß die einzelnen Leiterelemente dicht aneinander liegen. Hierbei kann es
beispielsweise vorteilhaft sein, nach einer Ausführungsform erfindungsgemäßer Läuferwicklungen
diese aus leitfähigem Material herzustellen, das beispielsweise einen rechteckigen
Querachnitt aufweint, um so für eine gegebene Anordnung maximal Strombelastbarkeit
zu erzielenivergl. Fig. 4a, 16a' und 15'.