DE1463833A1 - Gleichstrommotor - Google Patents

Gleichstrommotor

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DE1463833A1
DE1463833A1 DE19641463833 DE1463833A DE1463833A1 DE 1463833 A1 DE1463833 A1 DE 1463833A1 DE 19641463833 DE19641463833 DE 19641463833 DE 1463833 A DE1463833 A DE 1463833A DE 1463833 A1 DE1463833 A1 DE 1463833A1
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Circuit Research Corp
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/56Motors or generators having iron cores separated from armature winding

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc Machiner (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zur besseren Verarschaulichung der Erfindung in verschiedenen Ausbildungen sollen nachfolgend die beigefügten Zeichnungen besprochen werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Läuferhülse 14 kann beispielsweise aus geeignetem Isoliermaterial bestehen oder, falls Wirbelstromdämpfung gewünscht wird, zweckmäßigerweise aus einem leitfähigen, nicht ferromagnetischen Werkstoff.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Um die Wicklung auf der Läuferhülse in der gewanschten Lage f estzuhalten,kann ein geeignetes Kunstharz, wie beispielsweise ein tEpoxyharz, dienen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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'.

Claims (1)

  1. (Neue) Patentansprüche r 1, Gleichstromnotor mit einem eisenfreien, hohl ausgebildeten Läufer der in einem Arbeitsspalt angeordnet ist welcher aus Mantel und Kern einer Magnetfeldanordnung gebildet wird und dessen Läuferachse frei von bevorzugten Stellungen ist und eine von der Läuferposition unabhängige Drehwinkelgeschwindigkeit aufweist,dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlläufer ebenso wie der damit verbundene Kommutator massearm ausgeführt ist, daß die Läuferwicklung gleichmässig über die Läuferoberfläche verteilt ist wobei die Läuferwindungen sich im wesentlichen in Achsrichtung erstrecken und die Dicke der Läuferwicklung gering ist,vorzugsweise das einstellige Mehrfache der Windungsleiterstdrke nicht übersteigt, daß der im Inneren des Hohlläufers angeordnete Kern gegenüiber denn Läufer ,dar Motorachse und dem Motorgehäuse frei um die Motorachse drehbar angeordnet ist und aus material geringem magnetischen Widerstandes besteht sodaß sich an der Motorachse eine mechanische Zeitkonstante ergibt, die weniger als bzw. gleich o.oo4 Sekunden iste 2e Gleichstrommotor nach Ansprueh 1, dadurch gekennaoichnet,daß die Läuferwicklung als endlose Wellenwicklung ausgebildet ist. 3.Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Ausdehnung der Läuferwicklung gleich der Dicke eines Leisers ist. 4. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Läuferwicklung als Kommutator dient. 5. Gleichstrommotor nach mindestens einem der vosangegangenen Arispriiche, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufer- wicklung nach Art der gedruckten Schaltungen ausfrefiilsrt iste
DE19641463833 1963-02-20 1964-02-18 Gleichstrommotor mit massearmen Hohlläufer Expired DE1463833C3 (de)

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