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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schleifkontaktanordnung für einen
Unipolarmotor hoher Umfangsgeschwindigkeit, der einen wicklungslosen Stahlrotor
mit Schleifringen und einen den Rotor- umgebenden Stator aufweist.
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Es ist wünschenswert, Unipolarmotoren derart auszubilden, daß sie
bei minimalem Gewicht und minimalen Gesamtabmessungen eine hohe Leistung abgeben
und mit großem Wirkungsgrad arbeiten. Diese Eigenschaften sind von ausschlaggebender
Bedeutung für @-jie Verwendung von Batterien oder ähnlichen elektrischen Zellen
zum Antrieb von Fahrzeugen, sich. selbst antreibenden Vorrichtungen u. dgl. Um diese
Eigenschaften zu erreichen, mtiß ddr'Motör mit genügend hoher- Geschwindigkeit laufen:
Daraus ergibt sich, däß auch eine hohe Geschwindigkeit an der Kontaktschleiffläche
vorhanden sein muß.JWeiterhin ist es wünschenswert,. Schleifringe mit hoher Belastbarkeit
zu schaffen und den Einfluß von Wirbelströmen und die Ankerrückwirkung so niedrig
wie möglich zu halten.
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Bekannte Unipolarmotoren arbeiten gewöhnlich mit niedriger Spannung,
worauf anscheinend zurückzuführen ist, daß Unipolarmotoren nur beschränkte Anwendung
gefunden haben. Um höhere Spannungen zu erzielen, sind höhere Umfangsgeschwindigkeiten
erforderlich, wodurch die Stromzufuhr zum Rotor schwierig wird. Hierbei ist es notwendig,
eine Kühlung für die aufeinander schleifenden Stromleiter vorzusehen.
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Die Verwendung von »flüssigen Bürsten« ist bei Elektröriiötören bekährit:
Eine flüssige Bürste besitzt einen Schleifring, deir @ :.einer Nut umläuft, -die
mit einer leitfähigen Flüssigkeit, wie beispielsweise Natriumsulfatlösung oder metallischem
Quecksilber, ; gefüllt ist. Die Flüssigkeit wird in der Nut durch die Zentrifugalkraft
gehalten. Derartige flüssige Bürsten sind jedoch nicht bei kleinen transportierbaren
Motoren anwendbar.
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Andererseits ist es bekannt (britische Patentschrift 442169):, die
Bürsten bügelartig auszubilden, damit dieselben die Laüfdiwelle-möglichst weit umfassen.
Da die Bürsten aber radial gegen die Welle aufgestellt sind, benötigt man eine hohe
Anstellkraft, um die auftretenden radialen Vibrationen auszugleichen.
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Es ist außerdem ;bekannt, die_--Schleifringe über den Anker oder Läufer
zu kühlen. Die Zufuhr von Flüssigkeit zum mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden
Läufer bereitet jedoch große Schwierigkeiten. Da wegen Wirbelstromverlusten keine
Bohrungen oder anderen Unterbrechungen im Läufer vorbanden sein dürfen, ist die
Kühlung der Schleifringe sehr kompliziert und--ruft elektrische- Störungen hervor.
Eine weitere Kühlung der gegen den Läufer angestellten Bürsten ist daher erforderlich
(deutsche Patentschrift 866 525).
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Anordnung und Ausbildung
der Bürsten und Schleifringe eines Unipolarmotors derart zu verbessern, daß es möglich
ist, die Schleifkontaktanordnung in einfacher Weise wirkungsvoll zu kühlen und bei
geringen Anpreßdrücken einen guten Stromübergang zwischen den gegeneinander bewegten
Teilen zu erzielen.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen,
daß zwischen jedem der mit ihrer Schleiffläche senkrecht zur Drehachse des Rotors
angeordneten Schleifringe und dem Rotor entlang dem gesamten Umfang der Schleifringe
eine feste elektrisch leitende Verbindung besteht und daß der Stator unter Federkraft
an den Schleifringen auf ihrem ganzen Umfang anliegende feststehende Bürstenringe
trägt und daß ferner jeder Bürstenring mit Einrichtungen für die Zirkulation einer
Kühlflüssigkeit in der Nähe seiner ringförmigen Schleifkontaktfläche versehen ist.
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Bei dieser Schleifkontaktanordnung treten zwischen Rotor bzw: Läufer
und Bürsten wesentlich geringere Vibrationen als bei radialer Anstellung auf, so
daß man mit Anstellkräften auskommt, die nur etwa ein Fünftel bis ein Zehntel so
groß wie bei den bekannten Ausführungen sind, wodurch die Reibungsverluste wesentlich
verringert werden. Es wird also eine ein geringes Gewicht aufweisende flüssigkeitsgekühlte
Schleifring-undBürstenanordnung geschaffen, welche das Fahren des Motors bei hohen
Geschwindigkeiten und großen Belastungen ermöglicht. Gleichzeitig kann die Strom-
und Kühlflüssigkeitszufuhr zu den feststehenden Bürsten in einfacher und billiger
Weise verbessert werden: Es ist bei normalen Elektromotören,zwar-tiekännt (deutsche
Auslegeschrift 1187 312), Bürsten gegen einen Schleifring axial anzustellen, jedoch
ist hierbei keine Kühlung vorgesehen und-, die-; Bauweise im übrigen schwer und
groß.
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In -fier Zeichnung ist zur weheren Erläuterung der Erfindung ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäß ausgebildeten Unipolarmotors dargestellt, und zwar zeigt F
i g. 1 --einen Axialschnitt der oberen Hälfte des . Unipolarmotors und ,. -F i g.
2 eine Einzelheit, welche ein Schnitt durch einen Bürstenring des Motors aus F i
g. 1 ist.
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Die allgemeine Konstruktion des vorgeschlagenen Motors ist in F i
g. 1 schematisch dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, daß ein magnetisches Feld
von einer Magnetspule in einem sie umgebenden Stahlkörper 16 erzeugt wird. Dieses
Magnetfeld wird durch einen Anker oder Rotor 2 geteilt und erstreckt sich somit
durch den Rotor. Über eitle- elektrische Leitung 17 wird dem Rotor 2 an seinem einen
Ende Strom zugeführt, der von diesem Ende entlang der Außenseite des Rotors durch
eine Hälfte desselben zu einem mittleren Raum fließt. Von hier wird der Strom über
Bürstenringe und Leitungsstifte od. dgl. an die Außenseite des Motors geleitet und
von dort mittels Bürstenkabeln wieder zum entgegengesetzten Ende des Rotors und
weiter durch die andere Hälfte des Rotors zu einer oberen Bürste und von dort mittels
Leitungsstiften aus dem Motor hinausgeführt.
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Die Rotorwelle 1 besteht aus einem Körper, der einen zylindrisch erweiterten
mittleren Teil aufweist. Auf diesem mittleren Teil sind zwei Rotorhälften durch
Aufschrumpfen befestigt: Diese Hälften sind gegeneinander und gegenüber der Welle
1 durch Isoliereinlagen 15 elektrisch isoliert. Jede Rotorhälfte besitzt zwei Flansche,
die an einem Verbindungsstück angeordnet sind. Der Rotor ist aus Stahl hergestellt,
so daß er das magnetische Feld nicht unterbricht und gleichzeitig allen durch die
hohen Drehgeschwindigkeiten auftretenden Belastungen standhält. Die Rotorhälften
dienen außerdem unmittelbar als Ankerwicklungen und tragen demensprechend keine
besonderen Spulen oder Kupferdrahtwicklungen. Der Strom wird durch zwei Paare von
Schleifringen 3 und 4 den Rotorhälften zugeführt bzw. von
diesen
abgenommen; die beispielsweise aus Bronze bestehen und an den Flanschen des Rotors
durch Hartlötung befestigt sind. Die Rotorwelle I ist in zwei Kugellagern 13 drehbar
gelagert, welche mit engem Laufsitz in Konsolen 14 gelagert sind. Diese Konsolen
14 müssen aus nichtmagnetischem Material, wie Bronze oder rostfreiem Stahl, hergestellt
sein, damit der magnetische Fluß nicht durch die Lager hindurchgehen kann.
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Der mittlere Teil des Rotors ist von einem freien Raum umgeben, der
eine im wesentlichen rechteckige Querschnittsform aufweist. In diesem Raum sind
eine Magnetspule 5 und zwei Bürstenringe 6 angeordnet. Die Magnetspule 5 besteht
aus einem Kupferband, welches einen guten Füllkoeffizienten und vorteilhafte Wärmeleitbedingungen
schafft.
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Der Stator bildet den Hauptteil des die Magnetspule 5 umgebenden magnetischen
Kreises, der schließlich über den mittleren Stahlrotor 2 geschlossen wird. Der Stator
ist aus zwei oder mehr Stahlkörpern 16 zusammengesetzt. Im Hinblick auf die Magnetisierung
und das gewünschte Gewicht sollte der magnetische Kreis vorzugsweise so kurz wie
möglich sein. Deshalb soll der die Magnetspule und die oberen Bürsten enthaltende
Raum eine ; rechteckige Querschnittsform besitzen und so klein wie möglich sein.
Die vorteilhaftesten Bedingungen werden erzielt, wenn die Querschnittsfläche des
magnetischen Kreises konstant und im wesentlichen gleich der maximalen Querschnittsfläche
des Rotors ist.
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Die Bürstenringe sind gemäß der Erfindung in folgender Weise ausgebildet:
Ein Bürstenring besteht aus einer Schleifkontaktfl'ache 7 (F i g. 2) aus Metallgraphit,
welche an einem ; Metallring 8 angelötet ist, in dem sich ein Kühlmittelkanal befindet.
Der Stromanschluß des Bürstenringes 6 besitzt vier Anschlußrohre 9 aus Kupfer, die
gleichzeitig als Ein- und: Auslaßrohre für Kühlflüssigkeit, wie Wasser, dienen.
An die äußeren Enden der Anschlußrohre sind in der in F i g. 1 dargestellten Weise
flexible Bürstenkabel als elektrische Verbindungselemente angeschlossen. Die Zu-
und Abführrohre für die Kühlflüssigkeit sollten ebenfalls flexibel und elektrisch
isoliert sein. Zu diesem Zweck kann ein Rohr vorzugsweise aus jedem geeigneten Kunststoffmaterial
verwendet werden. Die Bürstenringe sind durch Federn 10 belastet, die mittels Kunststoffrohren
11 gegenüber den Bürsten isoliert sind. Außerdem sind die Anschlußrohre 9 gegenüber
dem Stator mittels Kunststoffhülsen 12 isoliert. Die unteren Bürsten sind in ähnlicher
Weise aufgebaut und ausgebildet und werden von den Lagerkonsolen 14 getragen.
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Die Ausbildung der Bürstenringe gemäß der Erfindung ist in folgender
Hinsicht vorteilhaft: Die maximal mögliche Umfangsgeschwindigkeit betrug bei bekannten
einpoligen Elektromotoren etwa 40 m/sec, während es durch die Erfindung möglich
ist; wegen der vorteilhaften Flüssigkeitskühlung in unmittelbarer Nähe der Schleifkontaktflächen
der Bürsten mit Geschwindigkeiten bis zu 200 m/sec zu arbeiten.
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Gewöhnlich betrug die maximal zulässige Stromdichte etwa 20 A/cm°,
während bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Konstruktion eine Stromdichte von
bis zu 60 A/cm= möglich ist.
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Die Bürstenringe sind sehr leicht ausgebildet, so daß sie den Schleifringen
bei hohen Drehgeschwindigkeiten leicht folgen können und es leicht ist, die Bürstenringe
auszuwechseln, welche die sich am schnellsten abnützenden Teile des Motors sind.