DE1463997B2 - Rotor fuer einen kollektormotor - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht, sich auf einen Rotor für einen Kollektormotor, insbesondere zum Antrieb von Werkzeugmaschinenspindeln, mit in Kunststoff eingebetteter konisch verlaufender Wicklung, deren mechanische Verbindung mit der Antriebswelle über denselben Kunststoffkörper erfolgt, und mit einem axial vom Läufer angeordneten Kollektor. Es ist bereits ein derartiger Motor für ganz spezielle Anwendungen, z. B. für den Antrieb von Meßinstrumenten oder Präzisionsgerätenrbekanntgeworden, bei welchem der Rotor eine konische Form aufweist und bei dem die Einbettung der Ankerwicklung in einen Kunststoffüberzug erfolgt (USA.-Patentschrift 721284). Auch die gemeinsame Einbettung der Ankerwicklung und des Kommutators in einen Kunststoffüberzug ist bekannt (USA.-Patentschrift 102 964). An Kollektormotoren, die mit größerer Leistung arbeiten sollen und die insbesondere zum Antrieb der Spindeln von Werkzeugmaschinen verwendet werden, werden mehrere von den vorbekannten Motoren nur schwer zu erfüllende Bedingungen gestellt.

Da Übertragungen durch Treibriemen, Zahnräder usw. vermieden werden sollen, müssen diese Motoren in zunehmendem Maße unmittelbar konzentrisch an ihre Tragwellen insbesondere an Werkzeugmaschinenspindeln angebaut werden. Sie müssen sich einem weiten Drehzahlbereich anpassen und auch mit hohen Drehzahlen laufen können, wobei dieser Drehzahlbereich z. B. von 150 bis 7000 Umdrehungen in der Minute reicht.

Die Motoren müssen ferner ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl aufweisen und durch eine elektronische Steuerung so gesteuert werden können, daß sie eine vorher eingestellte Drehzahl annehmen, welche der Motor trotz der veränderlichen auf ihn wirkenden Einflüsse aufrechterhalten muß.

Die Motoren müssen ferner beim Auftreten einer Kraft, welche größer als das Moment ist, welches der Motor liefern kann, ohne übermäßige Temperaturerhöhung stehenbleiben können, bis die Ursache des Stillstands des Motors wieder aufgehoben ist, so daß dieser wieder anlaufen kann, wobei er dann wieder die genaue Drehzahl annehmen muß, welche vorher durch seine elektronische Steuerung eingestellt wurde. Bei einer großen Zahl von Anwendungen dieser Motoren wird ferner das vollständige Fehlen von Schwingungen und eine eine äußerst schnelle Änderung der Drehzahl ermöglichende sehr niedrige Trägheit der sich drehenden Teile verlangt.

Ferner soll der Platzbedarf möglichst klein sein. Unter den anderen gestellten Bedingungen ist ferner die Begrenzung und die Aufrechterhaltung der Genauigkeit der Motorwelle zu erwähnen. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Wärme abzuführen, bevor diese einen Wert erreicht hat, welcher die Toleranzen der miteinander gekuppelten drehbaren Teile beeinträchtigen kann.

Die gegenwärtig bekannten Motoren gestatten nicht, die obigen Bedingungen zu erfüllen. Diese Motoren besitzen eine große Trägheit und weisen einen schweren Kollektor auf, was sie zur Verwendung bei hohen Drehzahlen ungeeignet macht, während die Motoren mit einem scheibenförmigen Rotor und gedruckter Schaltung, deren Trägheit gering ist, bei niedrigen Drehzahlen nicht genügend starr sind (deutsche Auslegeschrift 1123 753).

Außerdem ermöglichen die bekannten Motoren keine Einstellung des Luftspalts. Die Motoren mit scheibenförmigem Rotor mit gedruckter Schaltung erfordern eine verhältnismäßig hohe Stromstärke, da sie nur eine geringe Spannung vertragen. Die bekannten Motoren können nicht dynamisch ausgewuchtet werden und besitzen eine zu große Trägheit beim Anlaufen und beim Wechsel der Drehzahl. Ihre Wellen mit kleinem Durchmesser sind zu schwach, um Antriebsstifte aufnehmen zu können oder das Durchstecken von Stäben zu ermöglichen. Ihr Gewicht ist zu groß, und ihre Herstellung ist langwierig und teuer.

Die Motoren mit gedruckter Schaltung besitzen einen sehr leichten Rotor, der jedoch leicht verformbar ist und keine hohe Belastung aushält. Ihre Benutzung ist nur bei kleinen Leistungen möglich.

Ferner zwingt die Eigentümlichkeit einer gedruckten Schaltung zum Arbeiten mit niedriger Spannung infolge der ungenügenden Spulenlänge. Hierdurch entstehen Schwierigkeiten bei der Speisung und infolgedessen ein niedriger Wirkungsgrad.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen Rotor für einen Kollektormotor der oben genannten Art zu schaffen, der die gestellten Bedingungen erfüllt und der eine besonders rasche Drehzahlände-

rung und häufiges Umsteuern gestattet, dabei aber eine hohe mechanische Steifigkeit aufweist. Vor allem soll durch die vorliegende Erfindung das Problem gelöst werden, bei einstückiger Zusammenfassung aller Läuferteile eine einwandfreie Drehmomentübertragung zwischen den tragenden Teilen des Kollektors und der Welle des Rotors auch bei größeren Drehmomentbelastungen zu gewährleisten.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird bei einem Rotor der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung, daß der Kunststoffkörper einstückig derart mit dem stirnseitig an den Läufer angebauten Kollektor und einer durch den Rotor hindurchgehenden, als Antriebswelle dienenden Buchse verbunden ist, daß tragende Teile des Kollektors unmittelbar über den Kunststoffkörper an der Drehmomentübertragung beteiligt sind.

Nach einer besonderen Ausführung des Rotors gemäß der Erfindung sind an den Lamellen des Kollektors Einkerbungen zur Verankerung der Stirnseite der Kollektorfläche im Kunststoffkörper vorgesehen, wobei der Kollektor zur radialen und axialen Ausdehnung frei ist.

Ferner können am Ende des größten Durchmessers des Kunststoffkörpers (6, 54 b), welches dem Ende mit dem kleineren Durchmesser und dem Kollektor (4, 55) gegenüberliegend angeordnet ist, unmittelbar die Ventilatorflügel (54 c) zur Kühlung vorgesehen sein.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Rotors weist dieser eine geringe Trägheit, jedoch eine große mechanische Festigkeit im Bereich des Kollektors auf, um auch bei schnellen Drehzahländerungen und gegebenenfalls häufigen Umsteuerungen eine sichere Übertragung des Drehmoments zu gewährleisten.

An Hand der Zeichnungen soll am Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform der Gegenstand der Erfindung näher erläutert werden.

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung unter Wegbrechung von Teilen einer Ausführungsform des Rotors gemäß der Erfindung,

F i g. 2 einen halben Längsschnitt des Motors mit eingesetztem Rotor gemäß Fig. 1,

F i g. 3 eine axial geschnittene Gesamtansicht eines Motors mit einer anderen Ausführungsform des Rotors gemäß der Erfindung,

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht eines Rotors mit stirnseitigem Kollektor entsprechend der Ausführung in Fig. 3.

Wie sich aus den F i g. 1 und 2 ergibt, weist der etwa 2 mm starke konische Rotor 1 Wicklungen 2 aus Kupfer auf, welche auf eine entsprechende Form gebracht und mit den Lamellen 5 des Kollektors 4 durch Leiter verbunden sind, welche in einem Kunststoffkörper 6 eingebettet sind. Der Kunststoffkörper 6 isoliert in elektrischer Hinsicht und weist in mechanischer Hinsicht eine genügende Festigkeit auf. Die konische Form des Rotors und seine Bildung ohne ferromagnetischen Werkstoff ergeben gleichzeitig eine große Leichtigkeit (bei geringer Trägheit, was schnelle Drehzahländerungen ermöglicht) und eine große Starrheit infolge seiner konischen Form, welche noch durch einen Umfangsring 13 erhöht wird. Außerdem ermöglicht die konische Form des Rotors 1 die bequeme Einstellung des Luftspaltes durch Längsverschiebung des Rotors zwischen den beiden Abschnitten 9 und 11 des festen Teiles des Stators B.

Der Kollektor 4 besitzt ebenfalls eine geringe Dicke und weist keinen ferromagnetischen Teil auf, so daß er eine geringe Trägheit besitzt. Er weist eine Reihe von Kupferlamellen5 auf, welche in die gleiche Kunststoffmasse 6 wie die Wicklung2 eingebe iet sind. Die Wicklung ist also einstückig derart mit dem Kollektor 4 und mit der durch den Rotor hindurchgehenden, als Antriebswelle dienenden axialen Buchse 3 verbunden, daß tragende Teile des Kollektors unmittelbar über den Kunststoffkörper an der Drehmomentübertragung beteiligt sind.

Die Vereinigung mit der metallischen Buchse erfolgt beim Erstarren des Kunststoffes infolge der an dem Umfang der Buchse vorgesehenen Nuten 74. Die Übertragung des Drehmoments auf den anzutreibenden Teil, z.B. eine Werkzeugmaschinenspindel, erfolgt durch die sich drehende Buchse 3. Da diese hohl ist, kann der anzutreibende Teil oder die Spindel gleichachsig innerhalb der Buchse angeordnet werden, was z. B. bei der Herstellung von Motoren für Spindelantriebe sehr vorteilhaft ist.

Wie sich ferner aus F i g. 2 erläuternd ergibt, wird der Bürstenhalter 8 durch eine Tragwand 24 gehalten, an welcher zwei U-Profile 25 befestigt sind, deren jedes mit einer Metallplatte 26 und einer isolierenden Platte 27 einen Käfig für eine Bürste 29 bildet, die gegen den Kollektor 4 infolge der Federn 30 angedrückt wird.

Bei der in F i g. 3 im Schnitt dargestellten Ausführungsform eines Motors mit dem Rotor gemäß der Erfindung ist der in F i g. 4 dargestellte Rotor durch die Ankerwicklungen 54 a gebildet, welche in den isolierenden Kunststoff 54 b eingebettet sind, welcher gleichzeitig die einstückige Vereinigung mit einem flachen oder stirnseitigen Kollektor 55 in der allgemeinen Form einer dünnen Scheibe bewirkt. Durch diese Ausbildung entsteht eine Erleichterung des sich drehenden Teils des Motors und eine Verringerung des Platzbedarfs in axialer Richtung sowie der Trägheit.

Es ist zu bemerken, daß die Einformung in den Kunststoff dem Kollektor alle Freiheit für seine Dehnung auf zwei Seiten in zwei Richtungen läßt, nämlich auf der mit den weiter unten beschriebenen Bürsten in Berührung kommenden Stirnseite 55 α und der Umfangsseite556. Die Wicklungen 54 α sind natürlich auf beliebige bekannte Weise an die Lamellen des Kollektors 55 angeschlossen.

An dem anderen Ende des Rotors 54 bildet der isolierende Einformungskunststoff 54 b unmittelbar mit angeformte Flügel 54 c für die Umwälzung der Luft zur Belüftung und Kühlung. Hierdurch ist der Ventilator unmittelbar an den Rotor mit angebaut, wodurch die Herstellung und der Zusammenbau vereinfacht werden.

Diese Ausbildung schließt jedoch nicht die Verwendung eines zusätzlichen aufgesetzten Ventilators aus, wenn die besonderen Arbeitsbedingungen dies erfordern. Ferner kann die dynamische Auswuchtung des mit Flügeln versehenen Rotors durch Entfernung und/oder gegebenenfalls durch Zusatz von Werkstoff an den Flügeln auf beliebige bekannte Weise erfolgen.

Ferner ist bei der Ausbildung gemäß F i g. 3 der Rotor 54 unmittelbar mit der axialen Buchse 54 d zu einem einzigen Stück geformt, wobei die Buchse in-

nen ζ. B. durch eine dünne Metallmuffe 56 bewehrt ist, oder auch durch Metalldrähte, Stäbe usw. Innere Anlageflächen 54 e zur Abstützung an der zentralen Welle können unmittelbar durch den isolierenden Kunststoff innerhalb der Buchse 54 d gebildet werden. Fig. 3 zeigt noch den außerhalb des konischen Rotors liegenden Abschnitt 59 des Stators sowie den inneren Abschnitt 60 für den Rückschluß des Magnetflusses. Der innere Abschnitt 60 ist jenseits des Rotors durch einen breiten Bund 60 α verlängert, welcher am Umfang des festen äußeren Abschnitts 59 auf beliebige Weise befestigt ist, z.B. durch Schrauben 61 und mit dem äußeren Abschnitt fest verbundene Stützsektoren 62.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Rotor für einen Kollektormotor, insbesondere zum Antrieb von Werkzeugmaschinenspindein, mit in Kunststoff eingebetteter konisch verlaufender Wicklung, deren mechanische Verbindung mit der Antriebswelle über denselben Kunststoffkörper erfolgt, und mit einem axial vom Läufer angeordneten Kollektor, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff körper (6, 546) einstückig'-derart mit dem stirnseitig an den Läufer angebauten Kollektor (4, 55) und einer durch den Rotor hindurchgehenden, als Antriebswelle dienenden Buchse (3, 54 d) verbunden ist, daß tragende Teile des Kollektors unmittelbar über den Kunststoffkörper an der Drehmomentübertragung beteiligt sind.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen des Kollektors (55) Einkerbungen zur Verankerung der Stirnseite der Kollektorfläche im Kunststoffkörper aufweisen, wobei der Kollektor zur Ausdehnung in radialer und axialer Richtung frei ist.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des größten Durchmessers des - Kunststofikörpers (6, 546), welches dem Ende mit dem" kleineren Durchmesser und dem Kollektor (4, 55) gegenüberliegend angeordnet ist, unmittelbar· Ventüatorflügel (54 c) zur Kühlung vorgesehen sind.