-
Gleichstrommotor Die Erfindung bezieht sich auf Gleichstrommotoren
mit einem zwei- oder mehrpoligen,: permanentmagnetischen Ständer und einem koaxial
hierzu angeordneten magnetischen Rückschlußteil sowie einem in den kreisringförmigen
Spalt zwischen Ständer und Rücksehlußteil eintauchenden hohlzylinderförmigen Läufer,
dessen Spulen an einen Kommutator angeschlossen sind. -Die Geschwindigkeit, mit
der die Drehzahl und Drehrichtung eines solchen Motors Änderungen in der Größe und/oder
Richtung des Antriebsgleichstromes zu folgen vermag, hängt in großem Maße von der
Trägheit des Rotors ab. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Rotor möglichst
geringer Trägheit vorzuschlagen, damit der Gleichstrommotor irgendwelchen Änderungen
der Größe oder Richtung des Antriebsgleichstromes möglichst schnell zu folgen vermag:
Die Erfindung besteht darin, daß jede der Läuferspulen in Richtung radial zur Läuferwelle
nur eine Drahtstärke dick ist und die Spulen derart angeordnet -sind, daß die radial
zur Läuferwelle gemessene Dicke der Wicklung nirgends mehr als zwei. Drahtstärken
beträgt. Es werden also Flachspulen
geringstmöglicher Höhe verwendet
und so angeordnet, daß sich an keiner Stelle mehr als zwei dieser Flachspulen überlappen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des neuen Gleichstrommotors sind die Läuferspulen
selbsttragend in_ein Umhüllungsmaterial eingebettet. Hierunter soll ein Material
verstanden werden, welches alle Teile der Spulen ausreichend bedeckt und zusammen
mit den Spulen der gesamten Spulenanordnung eine genügende mechanische Festigkeit
gegen die auf den Läufer während des Betriebes einwirkenden Kräfte verleiht.- Es
hat sich gezeigt, daß sich dies erreichen läßt, ohne die Dicke des Läufers um mehr
als den Betrag einer Drahtstärke zu vergrössern. Die übermäßige Verwendung von Umhüllungsmaterial
würde das Trägheitsmoment des Läufers in unerwünschter Weise vergrößern und damit
die Empfindlichkeit des Motors verringern. Als Umhüllungsmaterial eignet sich besonders
ein nichtmagnetischer Isolierstoff, dem gesintertes Metalloxyd als Füllstoff beigefügt
ist. Bei Verwendung einer Wicklung aus '.pf erdraht und von Polyesterharz als Umhüllungsmaterial
wird die Mischung von Polyesterharz und Metalloxyd zweckmäßig derart gewählt, daß
der Wärmeausdehnungskoeffizient des Umhüllungsmaterials praktisch gleich dem des
Kupfers ist: Während die Leistungsfähigkeit von Gleichstrommotoren mit hohlzylinderrförmigem
Läufer bisher durch die Schwierigkeit der Wärmeabfuhr. aus dem Läufer begrenzt war,
führt die dünnwandige Ausbildung des Läufersund die Zugabe gesinterten Metalloxyds
zu einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit und Wärmeabgabe: In zweckmäßiger Ausgestaltung
der Erfindung sind die Läuferspulen hexagonal geformt. Sie werden in Weiterbildung
der Erfindung derart über den Läuferumfang verteilt, daß in jeder Läuferstellung
nur eine Spule einem Polstück des Ständers gegenübersteht und die Umfangsbreite
jeder Spule nicht größer
ist als die auf den Läufer projizierte
Umfangsbreite der Stirnfläche eines Polstückes.
-
Die Erfindung offenbart ferner ein Verfahren zur Herstellung solcher
selbsttragender hohlzylinderförmiger Läufer für Gleichstrommotoren. Dabei werden
aus mit einer Binderschicht umhülltem Draht zunächst die Flachspulen von der axialen
Dicke einer. Drahtstärke gewickelt und anschließend bis zum Erweichen oder zumindest
teilweisen Anschmelzen des Binders erhitzt. Beim Abkühlen erhält man eine selbsttragende
spule. Diese Spulen werden sodann auf einem im wesentlichen zylindrIschen Formstück.
derart verteilt und anschließend befestigt, daß nirgendwo mehr als zwei Spulen übereinanderliegen.
Der Binder wird dann aktiviert, beispielsweise durch ein Lösungsmittel; wodurch
die einzelnen Spulen zu einer selbsttragenden hülsenförmigen Spulenanordnung zusammenkleben
oder backen: Diese Spulenanordnung wird auf die Läuferwelle aufgesetzt und mit dem
Kommutatnr verbunden. Schließlich wird die Spulenanordnung in Umhüllungsmaterial
eingebettet, beispielsweise durch Eintauchen,-wodurch nach dem Trocknen " Erhärten
des Umhüllungsmaterials ein selbsttragender hohlzylindrischer Läufer entsteht.
-
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachfolgend ein Ausführuhgsbeispiel
anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Hierin zeigt Figur I die Ansicht des
Motors in Achsrichtung bei abgenommenem und strichpunktiert angedeutetem Kommutatordeckel,
2-2 in Figur 1 und Figur 3 einen Längsschnitt durch den Läufer in vergrößertem Maßstab.
-
Figur 4 1äßt die Verteilung der hexagonalen Läuferspulen über den
Umfang des. Läufers erkennen, wobei der Übersichtlichkeit
halber
die Spulen derart eingezeichnet sind, als ob sie in einer Ebene lägen.
-
Figur 5 zeigt in perspektivischer Ansicht dep Ständer des Motors und
den Läufer in axial auseinandergezogener Darstellung vor dem Zusammenbau sowie den
Feldverlauf im Ständer. Bei dem in den Fig. l und 2 gezeigten Gleichstrommotor 10
. bildet der Ständer 12 den äußeren zylindrischen Teil des Motors. Der Ständer besteht
aus einem rohrförmigen äußeren Gehäuse 14, welches aus einem Material hoher magnetischer
Leitfähigkeit, beispielsweise aus kalt gewalztem Stahl, angefertigt Ist, und vier
in gleichem Abstand sich nach innen erstreckenden Polstücken 16, de an der nneren'zylindrischen
Fläche des Gehäuses 14 befestigt sind. Die Polstücke sind derart magnetisiert, daß
benachbarte Polstücke an Ihren inneren Enden jeweils@entgegengesetzte Polarität
haben. Sie bestehen aus permanentmagnetischem Material, beispielsweise "Alnico 5-7",
und sind an der Innenfläche des Gehäuses 1`t befestigt. Ein Polschuh 1$ aus kalt
gewalztem Stahl ist jeweils an der dem Läufer zugewandten Stirnfläche der Polstükke
16 angebracht. Es können jedoch auch andere Formen von Ständern benutzt werden,
beispielsweise einstüekige Kreis-_ ringständer, deren Pole durch unterschiedliche
Magnetisierung der verschiedenen Zonen erzeugt werden.
-
Mit Hilfe mehrerer Schrauben 24 sind an die Stirnflächen des Gehäuses
14 die beiden Lagerschilde 20 und 22 angeschraubt, die aus einem Material geringer
magnetischer Leitfähigkeit, beispielsweise Aluminium, bestehen, damit sie nicht
den Magnetfluß leiten. Der Lagerschild 22 ist um das zylindrische Rückschlußteil
26 herumgegossen, welches aus hochpermeablem Material ähnlich dem der Polstücke
16 besteht. Dieses Rück-. schlußteil 26 für den Magnetfluß befindet sich koaxial
im Ständer 12 und begrenzt zwischen sich und den Polstücken einen kreisringförmigen
Luftspalt, der, wie Fig. 5 zeigt,
aus vier Bogenstücken jeweils.
zwischen der Außenfläche des Rüaksohlußteils und den betreffenden Polstücken 16
besteht. Auf diese Weise entsteht in jedem der vier Quadranten des ärmeren Gehäuses
14 ein Magnetkreis, der sieh von einem Polstück 16 ausgehend über den Luftspalt
27 in das RückschluB-teil 26 und von diesem zurück über den Luftspalt 27 durch das
benachbarte Polstück und den zwischen den beiden Polstücken liegenden Teil des Gehäuses
14 schließt.
-
In dem Rückschlußteil 26 ist eine zentrale axiale Bohrung 28 vorgesehen,
die an ihrem linken Ende zu einer das Kugellager 32 aufnehmenden Auenehmung vergrößert
ist. Das Kugellager wird durch einen Sperring 34 in seiner Lage gehalten. Der Lagerschild
20 ist mit einem Mittelloch 36 zur Aufnahme des Kugellagers 38 versehen, welches
hierin durch einen Ring 40 gehalten wird. Die von den beiden Kugellagern 32 und
38 getragene Welle 42 ragt durch die Bohrung 28 im Rüeksehlußteil 26
hindurch
und aus den beiden Lagerschilden 20 und 22 heraus. Sie trägt den Läufer $3 von kreisringförmigem
Querschnitt, der sich in und, wie Fig. 2 zeigt, vollständig durch den kreisförmigen
Luftspalt 27 erstreckt.
-
Wie insbesondere Fig. 3 erkennen läßt, ist die Welle 42 an beiden
Enden in ihrem Durchmesser verringert, so daß zwei Schultern 44-und 46 entstehen.
Die Schulter 46 liegt am inneren Käfig des Kugellagers 32 an, während die Schulter
44 die Lage eines.Bundes 48 festlegt. Dieser besteht aus einem nichtleitenden Material,
beispielsweise Polyearbonatharz, und weist eine Reihe radialer Sehlitze 50 auf,
die gleichmäßig über seinen Umfang verteilt sind und den Zusammenbau der Spulen
erleichtern sollen: Der rechts von der Schulter 44 befindliehe Teil verringerten
Durchmessers ist nochmals im Durchmesser abgesetzt, wodurch eine zweite Schulter
52 entsteht, Gegen diese stützt sieh der Kommutator 54 ab, der gleichmässig über
seinen Umfang verteilt die Kupferstege 56 trägt.
Er wird durch Preßsitz
auf der welle 4a gehalten, wobei die Mittellinien der Kupferstege 56 abwechselnd
den Mittellinien entsprechender Schlitze 50 im Bund 48 gegenüberstehen. Die
Kupferstege 56 sind voneinander durch Glimmerstreifen 58 und von der Welle 42 durch
einen Glimmerring 60 isoliert.
-
An dem Kommutator-54 ist die Spulenanordnung 64 von kreisringförmigem
Querschnitt, beispielsweise durch Einbringen von Umhüllungsmaterial 70, zwischen
den Bund 40 und den Kommutator befestigt. Durch den Bund 48 ist dafür gesorgt, daß
die Spulenanordnung 62 in koaxialer Lage Zur Läuferachse `1 '2 gehalten ist.
Einzelheiten der Spulenanord-,nung 62 werden spgter noch beschrieben.
-
Von jeder Spule 64 führt ein Anschlußleitungspaar 66, 68 zum Kommutator
54. Jede Spüle 64 ist derart auf dem Bund 48 ausgerichtet, daß der innere Anschlußdraht
68 durch einen Schlitz ,50 hindurchragt und durch Punktschweißen am zugehörigen
Kommutatorsteg 50 befestigt wird, während der äußere: Ansehluß# drraht 66 über die
Außenfläche des Bundes hinweg an den entsprechenden Kommutatorsteg geführt ist.
-
Bei der Herstellung des Läufers wird die Spulenanordnung 62 nach ihrem
Zusammenbau mit dem Kommutator und der Welle in en Umhüllungsmaterial 70 eingebettet,
welches vorzugsweise aus Polyesterharz mit einem Füllstoff aus gesintertem Metalloxyd
besteht: Die beiden Bestandteile sind in solchem Verhältnis gemischt, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Umhüllungsmaterials praktisch gleich dem der Kupferspulen ist. Die Menge des
Umhüllungsmaterials wird auf diejenige minimale Menge beschränkt, die verhindert,
daß irgendwelche Teile der Spulen aus der Umhüllung herausragen und
gleichzeitig
der Spulenanordnung die erforderliche mechanische Festigkeit gibt: Die Menge des
Umhüllungsmaterials kann unterschiedlich sein, aber bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Dicken-Zuwachs des Läufers infolge der Umhüllung nicht größer
als-die Stärke eines Spulendrahtes.
-
Als Metalloxyd-Füllstoff wird.vorzugsweise Aluminiumoxyd verwendet.
Es können jedoch auch andere Oxyde zur Vergrösserung der Wärmeabgabe und der Wärmeleitfähigkeit
des Umhüllungsmaterials-benutzt werden. Diese Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit verbessert
die Abfuhr der durch die in den Spulen fließenden Ströme erzeugten Wärme. Gleichzeitig
wird durch den Metalloxyd-Füllstoff die mechanische Festigkeit der Spulenanordnung
erhöht. Außerdem gestattet die Schleifwirkung des beigefügten Metalloxyds dem Läufer
geringfügige Ungenauigkeiten infolge von Unebenheiten des Läufers und der Polschuhe
oder infolge geringer Unwucht des Läufers selbst auszugleichen, indem das Metalloxyd
während des Probelaufs des Motors diese Ungleichmäßigkeiten abschleift.
wiedergegeben. Sie sind-dort als in einer Ebene liegend dargestellt; während bei
der Eierstellung des Läufers die Spulenanordnung 62 um ein zylindrisches nichtdargestelltes
Formstück herumgelegt wird, wobei die langen Spulenseiten parallel zur Achse des
Formstückes verlaufen. Jede der sechseckförmigen Spulen 64 ist in einer einzigen
Lage gewickelt, d.h., der Draht bildet eine deformierte Spirale, so daß die Spule
in radialer Richtung zum Läufer nur.so dick wie ein einziger Draht ist. Jede Spule
kann beispielsweise elf sieh gegenseitig umschlingende Windungen aufweisen. Die
erste oder innere*Windung endet in dem inneren Anschlußdraht 68 und die letzte oder
äußere Windung in dem
äußeren Anschlußdraht 66.
-
Bei der Herstellung des Läufers werden die Spulen um ,-das zylindrische
Formstück herumgelegt, Wobei ihre Außenteile in einer Linie liegen und jede Spule
die benachbarte überlappt. Der gegenseitige Versatz der Spulen gegenüber der jeweils
benachbarten ist so groß, daß in radialer Richtung des Läufers nie mehr als zwei
Drahtstärken über. einanderliegen. Die Breite jeder Spule 64 in Umfangsrichtung
des Läufers ist nicht größer als die Breite der Projektion eines Polschuhes 18:
auf den Läufer. Diese Projektion entsteht durch Verlängerung der Kanten der Polstücke
16
bis zum Schnitt mit dem Läufer 43 Die .seohseckförmige Spulenausbildung
verringert den Anteil inaktiven Kupfers im Bereich der Spulenenden und Anschlüsse.
Hierdurch werden sowohl das Trägheitsmoment des Läufers als auch die Wärmeverluste
in der Spule verringert.
-
Nachdem bei der Herstellung des Läufers: jeder Spule 64 die. hexagonale
Form gegeben ist, wird sie üblicherweise durch Stromfluß durch die Spule auf über
650 Celsius erwärmt: Hierdurch schmilzt
teilweise die Binderschicht
auf
den
Kupferdrähten, und die geschmolzene und dann wieder erstarrte Schicht
hält zunächst die hexagonnalen Spulen bis zum nächsten Fertigungsschritt zusammen.
Die Binderschieht dient einerseits als Bindemittel und andererseits als Isolator.
Hierfür geeignete Materialien sind bekannt. Anschließend werden. die einzelnen Spulen
über den Umfang des zylindrischen Formstücks verteilt und dann durch Halte-' ring
festgehalten und in die vorschriftsmäßige Lage gebracht. Die Spulen werden dann
mit einem Seidenfaden spiralförmig umwickelt, welcher durch Aktivierung des Binders
mit Hilfe.
einer geeigneten Lösung mit den Spulen verklebt wird.
Die Halteringe werden entfernt, und die gesamte Spulenanordnung 62 wird in eine
selbsttragende Anordnung überführt, indem der Binder aktiviert und die Anordnung
während der Trocknungszeit festgeklemmt wirr. Diese selbsttragende Spulenanordnung
62 wird alsdann mit dem Kommutätor 54 und der Welle 42 verbunden und mit einer Umhüllung
aus Polyesterharz und: gesinter-
diese Weise entsteht
ein selbsttragender Läufer 43, d.h.,
er
benötigt
keine weiteren Halteelemente.
-
Der Strom wird den Rotorspulen 64 über den Kommutator
54 und vier-Sehleitbürsten 701 zugeführt. Der Lagerschild 20 ist mit einer Nabe
72 versehen, welche die Bürstenanordnungen 70 trägt. Jede Bürstenanordnuig enthält
einen rohrförmigen Bürstenhalter 74, auf dessen Außenfljq4e-,ein isolierender Kunststoffring
76 aufgeschweißt ist. Dim4M13üratenhalter 74 sind in Öffnungen 78 in der
Außenseite der trabe 72 befestigt. Die Außenfläche jedes
Bürstenhalters
74 ragt über die Nabe 72 hinaus und ist mit einem Gewinde zur Aufnahme
einer Sicherungsmutter 80 versehen.
Eine MetallgraphiitbUrste 84 ist In jeden
der Bürstenhalter 74 eingesetzt und wird-von einer Feder 86 in ständigem Kontakt
mit dem Kommutator 54 gehalten. Die Feder 86 stützt sich an der mit einem Innengewinde
versehenen und über den Bürstenhalter-74 geschraubten Messingkappe 88 ab. Die elektrische
Verbindung zwischen den Bürsten 84 und den Haltekappen 88 wird
durch
vorzugsweise flexible Drähte 90 hergestellt..Bin Kunststoftdeckel
92 ist mittels einer Schraube 94 an der Nabe 72
befestigt und schützt
die Anschlußdrähte 82.
-
Die geringe Dicke der Spulenanordnung 62 von nur zwei
Drahtstärken und die vorzugsweise auf den Wert der einfachen Drahtstärke
beschränkte Gesamtdicke des Umhüllungsmaterials 70
führt zu einer äußerst
dünnen Läuferkonstruktion. Nimmt man an, daß zwischen dem Läufer 43 und dem magnetischen
Rückschlußteil
26 bzw. den Polstücken 16 ein Abstand von weniger
als einer Drahtstärke erforderlich ist; so kann der Luftspalt 27 auf die
Größenordnung von 4 Drahtstärken herabgesetzt werden. Hierdurch wird die Luftspaltinduktion
und damit das erzielbare Drehmoment entsprechend vergrößert.
-
Durch die Herabsetzung der Drahtlänge in den Spulen werden die Wärmeverluste
im Läufer verringert. Die Verwendung von Polyesterharz mit gesintertem Metalloxyd
als Füllstoff für die Umhüllung der Spulen verbessert die Wärmeabfuhr beträchtlich.
Hierdurch wird die Belastbarkeit des Motors erhöht. Die Herabsetzung der- Wandstärke
dds hohlzylindrischen Läufers und der Drahtlänge der einzelnen Spulen führt außerdem
zu einer Verringerung des Trägheitsmoments des Läufers, so daß der Motor in der
Lage ist, seine Geschwindigkeit und gegebenenfalls Drehrichtung sehr schnell zu
ändern. , Im Ausführungsbeispiel wurde ein Motor beschrieben, bei dem der Ständer
mit den Polstücken das magnetische Rückschlußteil koaxial umgibt. Die Anordnung
kann auch umgekehrt getroffen werden, indem das magnetische Rüekschlußteil den Ständer
mit den Polstücken koaxial umschließt. In beiden Fällen wird zwischen den Polstücken
und dem Rückschlußteil ein im wesentlichen kreisringförmiger Luftspalt gebildet.,,
in welchem der Läufer kreisringförmigen Querschnitts hineinragt.