DE1538992B2 - Gleichstrommotor mit einem zylindrischen Rotor und einem einzigen Permanentmagneten im Stator - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrommotor mit einem zylinderförmigen Rotor und einem einzigen Permanentmagneten im Stator, der eine zu einem Abschnitt der zylinderförmigen Oberfläche des Rotors entsprechend zylinderförmig gekrümmte Polfläche aufweist und senkrecht zu seiner Polfläche magnetisiert ist, und mit einem Joch aus magnetischem Material, das einen zylinderförmig gekrümmten Steg aufweist, der der Gegenpol zu dem durch den Permanentmagneten gebildeten Pol ist und ihm gegenüberliegt.

Moderne Permanentmagnetwerkstoffe und -techniken haben ein großes Anwendungsgebiet für kleine Motoren eröffnet, besonders für solche, die aus einer Gleichstrombatterie betrieben werden. Diese modernen Magneten schaffen nicht nur einen verbesserten magnetischen Wirkungsgrad — dies insbesondere auf Grund ihrer stärkeren Felder —, sondern sie lassen auch mechanische Konstruktionen zu, die sehr verschieden von denjenigen sind, die mit Elektromagneten oder auch mit reinen Ferro-Permanentmagneten als Feldmagneten verwendet werden mußten. Diese Abweichungen bezüglich des mechanischen Aufbaus können zu verbesserten elektrischen Eigenschaften neben größeren magnetischen Feldstärken führen. So können die Form und Ausbildung der Permanentmagnete sehr genau bestimmt werden, da sie üblicherweise durch Gieß- oder Sinterverfahren hergestellt werden, mit denen der Magnet bei sehr engen Toleranzen in fast jeder denkbaren Konfiguration hergestellt werden kann.

Aus »Valvo-Berichte«, Bd. 10, 1964, Heft 4, S. 340, sind Gleichstrommotoren der eingangs angegebenen Art bekannt, bei denen Permanentmagnete aus Ferroxdure Verwendung finden. Bei dieser bekannten Motorausführung ist das den Gegenpol bildende Jochteil in Art eines geschlossenen Ringes um den Anker und den Feldmagneten herumgeführt. Die Ausbildung des Jochs ist dabei im Interesse eines ausreichend guten magnetischen Wirkungsgrades so gewählt, daß der Magnetfluß aus der der Mantelfläche des Ankers angepaßten Polfläche des Feldmagneten aus- und in den Anker eintritt und an der der Eintrittsstelle radial gegenüberliegenden Seite aus dem Anker aus- und in den durch einen Jochabschnitt gebildeten Gegenpol eintritt; von dem Gegenpol aus ist über den geschlossenen Jochring ein magnetischer Pfad zurück zum Feldmagneten gebildet. Dieser Flußpfad bedingt eine Konstruktion, die wegen des zwischen Anker und den Rückflußpfad bildenden Teilen des Jochs notwendigen großen Luftspaltes zur Vermeidung von Magnetflußkurzschlüssen einen erheblichen Platzbedarf hat.

Aus der OE-PS 237 094 ist ferner eine Gleichstrommotorkonstruktion bekannt, bei der ein in je einem besonderen Lagerschild gelagerter Anker und wenigstens zwei zu diesem ausgerichtete Permanentmagneten von einem aus zwei L-förmigen, identisch zueinander ausgebildeten Teilen bestehenden magnetisierbaren Joch umgeben sind. Zur verbindungselementfreien, einstellbaren Halterung dieser Motorenteile ist das Joch mit Öffnungen versehen, in welche an den Lagerschilden vorhandene Nasen mit quer zur Ankerachse liegendem Spiel eingreifen. Dieser Gleichstrommotor weist den gleichen Magnetflußverlauf auf wie der zuvor beschriebene Motor, so daß auch hier auf eventuelle Magnetflußkurzschlüsse durch Einhaltung bestimmter Abstände der den Magnetfluß führenden Teile voneinander zu achten ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Motorkonstruktion anzugeben, die sich durch eine besonders raumsparende Bauweise auszeichnet und einen hohen magnetischen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem Gleichstrommotor der eingangs genannten Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Joch eine etwa C-förmige Ausbildung mit an den Steg beidseitig anschließenden und quer zum Steg verlaufenden Schenkeln hat, in denen die Wellenenden des Rotors gelagert sind, und daß die Enden der Schenkel mit ihrer Stirnseite innen an die zylindrische Polfläche des Permanentmagneten anstoßen und durch eine Haltevorrichtung in Anlage an der zylindrischen Polfläche des Permanentmagneten gehalten sind.

Die erfindungsgemäße Bauweise hat gegenüber bekannten Elektromotorausführungen vor allem den Vorteil, daß die den Rückweg für den Kraftfluß bildenden Bauteile den Gesamtraumbedarf des Motors nicht vergrößern und ein besonders günstiger Flußverlauf gewährleistet ist. Bei der erfindungsgemäßen Bauweise fließt der Kraftfluß über die Lagerbereiche des Ankers zum Gegenpol und von dort durch den Anker zurück zum Feldmagneten. Der gesamte Motor ist daher in der einen Richtung nicht größer als der Durchmesser des Rotors selbst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der

Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische, etwas vergrößerte Ansicht eines vollständig zusammengebauten Motors gemäß der Erfindung,

F i g. 2 einen Horizontalschnitt in der durch die Pfeile 2-2 der F i g. 1 gezeigten Ebene,

F i g. 3 einen Querschnitt gemäß der Linie 3-3 der Fig. 2,

Fig.4 eine gebrochene Schnittansicht gemäß der Linie 4-4 der F i g. 2 und

F i g. 5 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Motors.

Der Aufbau und die Anordnung der Hauptteile des Motors sind in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung am besten zu sehen. Diese Hauptteile umfassen einen konventionellen Rotor 10 mit seinem Kollektor und mit in sich selbst ausrichtenden Lagerbuchsen 14 und 16 gefaßten Ankerwellenenden. Der mit 18 bezeichnete Permanentmagnet weist eine dem Rotor zu geV richtete, zylinderförmig gekrümmte Fläche 20 einer magnetischen Polarität (z. B. Nordpol) und eine ebene Hauptfläche 22 von entgegengesetzter Polarität (Südpol) auf. Dieser relativ dünne Permanentmagnet kann also für die Magnetisierung in Richtung seiner kleinsten Abmessung, d. h. in Richtung seiner Dicke, vorgesehen sein. Die magnetisch neutrale Fläche (F i g. 5) liegt in der Mitte zwischen den Hauptflächen 20 und"22.

Eine Induktionsflußanalyse zeigt, daß die magnetisehen Flußlinien, die aus der gekrümmten Fläche 20 des Magneten austreten, direkt und allgemein in radialer Richtung in den Rotor 10 ein- und durch ihn hindurchtreten. Die gekrümmte Fläche des Magneten bildet also selbst einen der zwei üblichen Feldpole des Motors. Der gegenüberliegende Feldpol wird durch die zylinderförmig gekrümmte Fläche des Steges eines C-förmigen Jochteils 24 gebildet, dessen·' Schenkel 26 und 28 in die sie umgreifenden Schenkel 30 und 32 eines anderen Jochteils genau passend eingeordnet sind. Der ebene, zentrale Steg 34 dieses zweiten Jochs schmiegt sich eng an die Südpolseite 22 des Magneten 18. Die zwei eisernen (und daher magnetisch permeablen) Jochteile schaffen einen Induktionsflußpfad, dessen magnetischer Widerstand etwa ebenso niedrig wie der des Rotors 10 ist, wobei Streuflüsse durch den in den Luftspalten auftretenden hohen magnetischen Widerstand (abgesehen von dem radialen Spalt an der Oberfläche des Rotors, der für die Drehbewegung notwendig ist) vermieden werden.

Aus dem Obigen geht hervor, daß das Jochteil 24 unabhängig von möglichen Toleranzen oder Ungenauigkeiten in der Dickenabmessung des Magneten bezüglich der zylinderförmigen Polflächen 20 des Magneten genau angeordnet ist. Die Jochschenkel 26 und 28 bestimmen sowohl den Abstand des Jochs 24 von der zylinderförmigen Magnetfläche als auch die Zentrierung der Rotorachse in diesem Zwischenraum.

Die Halterung der Motorbürsten ist deutlich in den Fig. 1, 2 und 3 der Zeichnung erkennbar. Beide Bürsten 36 und 38 sind konventionelle Kohlebürsten von vorzugsweise quadratischer Querschnittsform und sind in einer quadratischen Fassung 40 verschiebbar gelagert. Die Fassung 40 ist mit einer Lagerplatte 42 aus Kunststoff einteilig ausgebildet, dessen eine Seitenkante 44 (Fig. 3) so ausgestaltet ist, daß sie sich an die zylinderförmig gekrümmte Polfläche 20 des Magneten 18 anschmiegt, und dessen entgegengesetzte Seitenkante dem ebenen Bereich 46 des Jochs 24 entsprechend gerade ausgebildet ist. Wenn die Jochteile vollständig zusammengesetzt sind, wird die Bürstenlagerplatte 42 also zwischen der Seite 20 des Magneten 18 und dem ebenen Teil 46 des Jochs 24 in seiner Lage gehalten. Die flexiblen Anschlußdrähte der entsprechenden Bürsten sind um kurze, senkrecht aus der Lagerplatte hervorstehende Stifte, wie z. B. 48 und 50, herumgeführt und werden von dort an die äußere Batteriespannungsversorgung des Motors geführt. Die Bürsten werden leicht gegen die Segmente des Kommutators 12 mittels entsprechender Federn 54 gedruckt. Die Federn 54 sind um andere, senkrecht aus der Lagerplatte hervorstehende Stifte 56 gewickelt, und ihre Enden sind hinter Stiften 58 verspannt.

Um die Bürstenanordnung vor einer Bewegung in Richtung der Achse des Rotors 10 zu sichern, ist eine Vorrichtung vorgesehen, die am besten in den F i g. 2 und 5 zu erkennen ist. Die Lagerplatte 42 der Bürsten weist eine zentrale Bohrung auf, durch die ein Wellenende des Rotors durchgeführt ist. Diese vorzugsweise kreisförmige Bohrung ist mit im gegenseitigen Abstand angeordneten gebogenen Rippen 60 versehen, die hinter die Rippen 62 eines Befestigungsrings 64 greifen und mit diesem einen Bajonettverschluß bilden. Der Befestigungsring 64 weist einen Außensechskant 68 auf, der nach der Einordnung des Befestigungselements in die Öffnung 66 und nach dem Festdrehen der Bajonettverschlußelemente mit zwei einander gegenüberliegenden Sechskantkanten in einen im Schenkel 30 des anderen Jochs eingeordneten Schlitz 70 gleitet. Durch diese Anordnung wird eine Drehbewegung des Befestigungsrings 64 verhindert und die Lagerplatte der Bürsten flach gegen die Innenfläche des Jochschenkels 26 gedrückt und in einer solchen Stellung gehalten, daß die Bürsten mit den Kommutatorsegmenten in Eingriff treten.

Der Befestigungsring 64 weist eine nach außen gerichtete, konisch geformte Lagerfläche 72 (F i g. 2) auf, die im Zusammenwirken mit der nach außen abgerundeten Lagerbuchse 16 zu einer selbstausrichtenden Lagerung führt. Das andere, ebenfalls konisch geformte Ende der Lagerbuchse 16 sitzt in einem konischen Loch einer Blattfeder 76. An jedem Ende dieser Blattfeder ist ein Vorsprung 78 (F i g. 5.) vorgesehen, der nach dem Zusammenbau in eine zugehörige Ausnehmung 80 am Jochschenkel 30 eingreift, wobei die Länge der Blattfeder so gewählt ist, daß sie beim Einsetzen der Vorsprünge 78 in die zugehörigen Ausnehmungen 80 leicht gebogen werden muß und nach dem Einsetzen fest gehaltert ist.

Der Schenkel 28 des Jochs 24 weist eine konische, ringförmige Öffnung 82 auf, durch die das entgegengesetzte Wellenende des Rotors 10 durchgeführt ist. Dieses Wellenende ist in einer anderen selbstausrichtenden Lagerbuchse 14 gelagert, die ihrerseits durch eine Blattfeder 86 gesichert ist, deren Endvorsprünge in Ausnehmungen 84 des Jochschenkels 32 passend angeordnet sind. Der Abstand zwischen den zueinander parallellaufenden Jochschenkeln 30 und 32 ist so gewählt, daß sie fest über die ebenfalls parallellaufenden Schenkel 26 und 28 des anderen Jochteils greifen, jedoch ein Zusammenschieben der Schenkel ineinander, wie in F i g. 5 angedeutet, zulassen, nach-

dem der Rotor und die Bürstenlagerplatte in das Joch 24 eingesetzt worden sind.

Um das Jochteil 24 in einer genauen Lage relativ zum anderen Jochteil und zum Permanentmagneten 18 zu halten, sind die äußeren Kanten der Schenkel 26 und 28 des Jochteils 24 bei 88 und 90 derart gekrümmt und gestaltet, daß sie sich genau in die gekrümmte Fläche 20 des Permanentmagneten einpassen. Wenn also die Jochteile fest zusammengesetzt worden sind, wobei die Rückseite 22 des Magneten an der Stegfläche 34 des Jochteils anliegt, ergibt sich ein genauer Luftspalt zwischen dem Rotor 10 und den vorgesehenen Polflächen. An den Schenkeln 30 und 32 des äußeren Jochteils sind nach außen gebogene Flanschstücke 92 vorgesehen, die nach außen über die Rotorwellenlager 14, 16 hinausstehen und z. B. mit Gewinde versehene Löcher zur Montage des Gesamtmotors in einem Gehäuse oder an Halterungen einer Maschine aufweisen.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß, der zylinderförmig ausgebildete Rotor des Motors von zylinderförmig gebogenen Flächen der Feldanordnung bei geeignetem radialem Luftspalt umfaßt wird. Dabei ist die eine Fläche eine Polfläche 20 des Permanentmagneten 18, während die diametral gegenüberliegende die Innenfläche des Steges des Jochteils 24 ist. Jede dieser Flächen ist entlang der vollen Lange und über einen Sektor des Rotors diesem angepaßt. Die genannten Flächen sind also zur Zylinderform des Rotors 10 entsprechend gekrümmt. Die Lagerbuchsen 14 und 16 ermöglichen mit ihren abgeschrägten oder konisch geformten Endflächen ein genau zentrales Ausrichten des Rotors in dem zylindrischen Raum zwischen dem Magneten 18 und dem Joch 24, während das genaue Anlegen der Kan- -ten 88 und 90 des Jochteils 24 gegen die Fläche 20 des Magneten 18 genau den Durchmesser dieses Zylinderraumes und damit den Gesamtluftspalt und seine gleichmäßige Verteilung an den einander gegenüberliegenden Seiten des Rotors bestimmt, wenn der letztere sich in seiner zentralen Anordnung befindet. Die abgeschrägten Innenkanten der Lagerschalen bringen den Rotor zwangläufig zu den Schenkeln 26 und 28 des Jochteils 24 in die geeignete Lage, während ihre abgeschrägten äußeren Enden

ίο und die Federn 76 und 86 sie in ihrer Relativlage zu den Schenkeln der Jochteile trotz leichter Bewegungen bei der Selbstausrichtung halten.

Es ist über einen zur Öffnung 66 des Schenkels 26 führenden Schlitz leicht möglich, den Anker und die Bürstenhalterung in das Joch 24 einzusetzen (nachdem das entgegengesetzte Ende der Rotorwelle zunächst in die Öffnung 82 des Schenkels 28 eingesetzt worden ist). Der danach eingesetzte und mit seinem Bajonettverschluß in der Lagerplatte 42 gesicherte Befestigungsring 64 legt sich und die Lagerplatte 42 am Schenkel 26 fest.

Da der Wirkungsgrad von Motoren dieser Art sehr ■< stark von der Reduzierung des Luftspaltes zwischen dem Rotor und den diesen umgebenden Polflächen abhängt und da die Summe der Toleranzen bei bisher bekannten Motoren dieser Art zu einem relativ großen Luftspalt führte, ergibt die erfindungsgemäße Konstruktion erhebliche Vorteile. Diese erreicht eine wesentliche Verringerung des Luftspaltes auf einfache Weise dadurch, daß sowohl die Lager des Rotors als auch der von dem Magneten entfernt angeordnete Feldpol in ihrer Lage auf die Magnetinnenfläche direkt bezogen sind. Die Toleranzen der Magnetdicke und der Ausmaße des Jochteils 34 sind also für die Größe des Luftspaltes unmaßgeblich, so daß dieser sehr klein gehalten werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche-

1. Gleichstrommotor mit einem zylinderförmigen Rotor und einem einzigen Permanentmagneten im Stator, der eine zu einem Abschnitt der zylinderförmigen Oberfläche des Rotors entsprechend zylinderförmig gekrümmte Polfläche aufweist und senkrecht zu seiner Polfläche magnetisiert ist, und mit einem Joch aus magnetischem Material, das einen zylinderförmig gekrümmten Steg aufweist, der der Gegenpol zu dem durch den Permanentmagneten gebildeten Pol ist und ihm gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (24) eine etwa C-förmige Ausbildung mit an dem Steg beidseitig anschließenden und quer zum Steg verlaufenden Schenkeln (26, 28) hat, in denen die Wellenenden des Rotors gelagert sind, und daß die Enden (88, 90) der Schenkel mit ihrer Stirnseite innen >an die zylindrische Polfläche (20) des Permanentmagneten (18) anstoßen und durch eine Haltevorrichtung in Anlage an der zylindrischen Polfläche des Permanentmagneten gehalten sind.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (18) langer ist als der Wicklungsträger des Rotors (10), daß der zylindrischen Polfläche (20) eine ebene Seite (22) des Permanentmagneten gegenüberliegt und daß die Haltevorrichtung aus einem C-förmigen Joch mit einem flachen Stegteil (34) gebildet ist, welches an der ebenen Seite (22) anliegt und Schenkel (30, 32) aufweist, die die Schenkel (26, 28) des Jochs (24) außen überlappen. ,