DE1763255A1

DE1763255A1 - Elektromotor und Verfahren zur Herstellung seines Ankers

Info

Publication number: DE1763255A1
Application number: DE19681763255
Authority: DE
Inventors: Susdorf Robert Allen; Armstrong Frederick James
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-04-27
Filing date: 1968-04-25
Publication date: 1971-10-28
Also published as: FR1572424A; GB1218771A; US3465186A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Elektromotoren hoher Leistungsfähigkeit, die schnell schaltbar sind, und insbesondere auf Motoren, deren Anker ein geringes Trägheitsmoment aufweisen. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung dieser Anker.

Seit einigen Jahren besteht ein laufend steigender Bedarf an leistungsfähigen Gleichstrommotoren, die sich in einer Zeit von größenordnungsmäßig einigen Millisekunden veränderten Betriebsbedingungen anpassen. Antriebe für Magnetbänder, Scheibenspeicher, Schnelldrucker, Kartensortierer und andere Zusatzgeräte für Computer sind Anwendungsbeispiele, in denen eine genaue und wiederholte Beschleunigung und damit verbunden die Schaltung eines hohen Stromes wichtig, wenn nicht

Neue Unterlügen (Art. 7 § l- Abs. 2 νγ. l Suul 3 des Anderungsges. ν. 4. 9.19C

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sogar entscheidend sind. Ganz allgemein läßt sich sagen, daß Motoren für diese Anwendungsbereiche einen Anker mit einem geringen Trägheitsmoment und den Umständen entsprechend eine nur kurze Trägheitszeitkonstante und eine kleine induktive Zeitkonstante aufweisen sollten, damit sie sich veränderten Betriebsbedingungen schnell anpassen können. Mit induktiver Zeitkonstante wird im allgemeinen eine Zeit von 62 % der Zeit angesehen, die der Rotor benötigt, um vom Anlegen der Spannung den Gleichgewichtszustand zu erreichen. Es ist sehr wünschenswert, daß sich der Strom und damit auch das Drehmoment während der Beschleunigung möglichst schnell aufbaut und daß dieser Strom auch möglichst hoch ist, ohne daß irgendwelche Einzelteile des Motors dabei beschädigt werden. Ferner wird für einen möglichst guten Betrieb des Motors angestrebt, daß der Verlauf der Beschleunigung, der neben anderen Faktoren von dem Trägheitsmoment des Ankers abhängt, möglichst linear ist. Der Motor sollte diese Eigenschaften bei wirtschaftlichem Betrieb für lange Zeiten erfüllen.

Wenn man sich diese gewünschten Eigenschaften für schnelle Betriebsänderungen betrachtet, gelangt man zu dem Schluß, daß der Anker einen kleinen Blind- und Wirkwiderstand besitzen sollte, er sollte viel Eisen im Ankerkern enthalten, und die Ankerwelle sollte innerhalb des Kerns möglichst klein sein, damit sich die bestmöglichen Resultate ergeben. Ein Maß hierfür ist das Verhältnis der axialen Länge des Eisenkerns zum Wellendurchmesser (in dem Eisenkern). In der Praxis ist jedoch ein Verhältnis über 17 : 1 äußerst schwierig zu erreichen gewesen, insbesondere wenn der Motor schnell auf mehr als 2500 U/min beschleunigt werden mußte. Unter diesen Bedingungen neigen die Wellen mit geringem Querschnitt zum Durchbiegen, und der Anker wird beim Betrieb stark beansprucht. Weiterhin bereitet die Abführung der entwickelten Wärme aus dem Anker Schwierigkeiten, insbesondere wenn der Motor bei hohen Temperaturen betrieben wird

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(Motor innen Temperaturen über 155 C) und außerdem sind die Anker dieser Motoren schwierig herzustellen.

Ziel der Erfindung ist daher ein Elektromotor mit einem Anker, der ein kleines Trägheitsmoment aufweist und ein Verfahren zur Herstellung dieses Ankers.

Weiterhin ist Ziel dieser Erfindung ein Elektromotor hoher Leistungsfähigkeit, der auf veränderte Betriebsbedingungen schnell reagiert, ein Anker für diesen Motor und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Ankers, der wenig- A stens einige der oben erwähnten angestrebten Eigenschaften aufweisen soll und einige der erwähnten Probleme löst.

Schließlich ist noch ein Elektromotor Ziel dieser Erfindung, der auf Gebieten einsetzbar ist, bei denen eine sehr genaue, wiederholte und schnelle Beschleunigung erforderlich ist. Dieser Motor soll eine ungewöhnlich kleine Trägheitszeitkonstante sowie eine sehr kleine induktive Zeitkonstante besitzen und vermag die auftretende Wärme in ausreichender Weise abzuführen.

Eine Ausführungsform der Erfindung beinhaltet einen Elektromotor hoher Leistungsfähigkeit, der auf veränderte Betriebs- f bedingungen sehr schnell reagiert. Dieser Motor weist einen Ständer mit mindestens zwei magnetischen Polen auf, deren Polschuhe einen Teil der Ankerbohrung bilden. Der trägheitsarme Anker enthält den auf der Welle befestigten Ankerkern und den in einem bestimmten Abstand vom Kern angebrachten Kommutator. An den Kommutator sind mehrere elektrische Leiter angeschlossen, deren einzelne Spulenseiten in axialer Richtung über den Ankerkern hinausgehen und die durch eine Isolierschicht von der Außenfläche des Kerns elektrisch isoliert sind. Weiterhin weisen die Spulenseiten einen nichtkreisförmigen Querschnitt auf, wobei die längere Seite der

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Querschnittsfläche im allgemeinen radial gerichtet ist. Der eine Teil der Enden der Spulen ist zwischen der einen Stirnfläche und dem Kommutator angeordnet. Die Spulenseiten der Leiter sind in einem Isoliermaterial eingebettet, das sich mit der Isolierschicht auf dem Kern verträgt, um die Leiter in ihrer Lage zu halten und um außerdem eine wirksame Wärmeabfuhr von dem Anker zu ermöglichen. Um die Polschuhe des Ständers herum ist eine einzelne Kurzschlußwindung gelegt, damit die induktive Zeitkonstante des Motors verkürzt und der Beschleunigungsverlauf des Motors möglichst linear ist.

Neben anderen Vorteilen weist der Motor nicht nur eine kleine Trägheitszeitkonstante und eine geringe induktive Zeitkonstante auf, sondern der Motor kann auch über längere Zeiträume bei hohen Temperaturen betrieben werden. Nach der Erfindung kann auch in dem Anker viel Eisen verwendet werden, damit der magnetische Fluß in dem Motor erhöht werden kann, während gleichzeitig der magnetische Widerstand in dem magnetischen Kreis konstant gehalten wird. Ferner ist es leicht möglich, das Verhältnis der Kernlänge zum Wellendurchmesser höher als 17 : 1 zu machen, ohne die Leistungsfähigkeit des Motors zu beeinträchtigen und zwar auch dann nicht, wenn die Motordrehzahlen weit über 2500 U/min liegen. Somit gibt der Motor seine maximale Leistung in einer kürzest möglichen Zeit ab. Im folgenden werden noch weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Motors beschrieben werden.

Die Erfindung beinhaltet weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des Ankers. Danach werden bestimmte Außenflächen des Ankers mit einer Isolierschicht überzogen, nachdem der Ankerkern und die Welle zusammengefügt worden sind. Die Spulen sind derart auf dem Kern angeordnet, daß die Seiten gleicher Spulen etwa 180 elektrische Grade voneinander entfernt liegen und sie sind der Reihe nach mit nebeneinanderliegenden Segmenten des Kommutators verbunden.

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Auf die Leiter wird dann ein elektrisches Isoliermaterial aufgetragen, damit sie in guter Verbindung mit der Isolierschicht über dem Eisenkern gehalten werden. Wenn das Isoliermaterial mit den eingebetteten Spulenseiten ausgehärtet ist, liegen die Leiter fest an dieser Schicht an, so daß eine gute Wärmeabfuhr möglich ist. Nach diesem Verfahren können unter Verwendung billiger Werkzeuge stabile Anker mit den gewünschten Eigenschaften hergestellt werden.

Die Erfindung ist mit ihren Zielen und Vorteilen am besten anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen verständlich. ·

Figur 1 zeigt einen typischen Stromverlauf, wie er bei einem Arbeitsspiel eines erfindungsgemäßen Motors auftreten kann.

Figur 2 ist eine Seitenansicht eines Gleichstrommotors, der eine Ausführungsform der Erfindung ist und der einen Stromverlauf nach Figur 1 aufweisen könnte. Die Ansicht stellt den Motor teilweise im Schnitt dar, in der bestimmte Einzelteile aufgeschnitten gezeichnet sind.

Figur 3 ist die Ansicht eines Schnittes längs der Linie 3.-3 in Figur 2.

Figur 4 zeigt einen Eisenkern der Feldwicklung für einen Motor nach Figur 2 im Querschnitt.

Figur 5 ist eine Seitenansicht eines Poles entsprechend Figur 4,wobei der Pol zur besseren Darstellung zum Teil aufgeschnitten gezeichnet ist.

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Figur 6 zeigt einen Anker für einen Motor gemäß Figur 2 im Querschnitt.

Figur 7 ist eine graphische Darstellung und zeigt den linearen Zusammenhang zwischen Drehmoment und Strom sowie Drehmoment imd Drehzahl für einen Elektromotor gegebener Größe, der einer Ausführungsform nach Figur 2 entspricht.

Figuren 8 bis 22 einschließlich

zeigen wie der Anker aus Figur 2 und 6 mit einem niedrigen Trägheitsmoment hergestellt werden kann. Figur 8 gibt eine Möglichkeit an, wie bei der Zusammensetzung des Ankers der Klebstoff auf die einzelnen Lamellen des Ankers aufgebracht werden kann.

Figur 9 zeigt die einzelnen zu einem Kern zusammengesetzten Ankerbleche.

Figur IO zeigt die Ansicht eines Schnittes längs der Linie 10 - 10 in Figur 9.

Figur 11 zeigt die Verbindung des Ankerkerns mit der Welle. Der Kern und Welle sind mit einer relativ dünnen haftenden Isolierschicht überzogen, damit die Leiterspulen gegenüber dem Kern und der Welle elektrisch isoliert sind.

Figur 12 zeigt den Querschnitt einer Vorrichtung, mit der die einzelnen Spulenseiten in gewünschter Weise geformt werden können.

Figur 13 zeigt die Ansicht nach einem Schnitt längs der Linie 13-13 in Figur 12.

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Figur 14 ist eine Ansicht auf eine Vorrichtung, die dazu verwendet werden kann, die Spulen ordnungsgemäß auf dem Kern und der Welle nach Figur 10 anzuordnen. Bestimmte Teile sind aufgeschnitten gezeichnet. In dieser Figur ist gerade die erste Spule auf dem Kern und auf der Welle angeordnet.

Figur 15 zeigt perspektivisch eine Spule nach Figur 14, die an den Kommutator angeschlossen ist.

Figur 16 zeigt schematisch, wie die Ankerspulen der Reihe nach mit dem Kommutator verbunden werden. In dieser Figur sind vier Spulen vollständig angeschlossen.

Figur 17 ist ein Teilquerschnitt und zeigt weitere Einzelheiten für den Zusammenbau des Ankerkerns und der Wicklung.

Figur 18 gibt eine Möglichkeit an, wie der nicht-ausgehärtete Kleber auf die Wicklungen aufgetragen werden kann, nachdem sie auf dem Anker und der Welle in ihre richtige Lage gebracht worden sind.

Figur 19 stellt eine Möglichkeit dar, die Ankerspulen in ihrer Lage festzuhalten, bis der Klebstoff ausgehärtet ist.

Figur 20 ist die Ansicht auf eine Stirnfläche der Vorrichtung nach Figur 19, nachdem der Anker in die Halterung eingesetzt worden ist.

Figur 21 ist eine Seitenansicht des Ankers und zeigt eine Bandage, die spiralförmig um den Anker herumgelegt ist.

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Figur 22 ist eine vergrößerte Teilansicht des fertiggestellten Ankers, wie er in Figur 21 dargestellt ist.

Figur 23 ist ein Schnittbild und zeigt vergrößert einen

Teil der Koerautatorseite einer zweiten Ausführungsform des Ankers.

Figur 24 zeigt im vergrößerten Querschnitt einen Ausschnitt der Spulenseiten des Ankers nach Figur 23.

■| Figur 25 zeigt im vergrößerten Querschnitt einen Ausschnitt

der Kommutatorseite eines Ankers nach Figur 23.

Es sollen nun die Figuren 1 bis 6 einschließlich näher erläutert werden. In diesen Figuren ist ein zweipoliger Gleichstrommotor 30 hoher Leistungsfähigkeit dargestellt, der einen Anker mit geringerem Trägheitsmoment aufweist. Dieser Motor ist insbesondere als Antrieb für Magnetbandspeicher, Scheibenspeicher, Schnelldrucker, Kartensortierer und andere Computerzusatzgeräte verwendbar. Neben anderen Vorteilen, die im folgenden noch näher erläutert werden, kann dieser Motor entsprechend der Kurve 31 in Figur 1 betrieben werden, d.h. die Beschleunigung ist ungewöhnlich hoch und verläuft linear und ebenso ist auch der Anlaufstrom und damit das

Anlaufdrehmoment sehr hoch.

Der dargestellte Motor 30 enthält einen Ständer mit einem Metallgehäuse 32, das ein kreisförmiges Magnetjoch 33 umgibt. Der bewickelte Stator weist zwei gegenüberliegende Magnetpole 34 und 35 auf. Jeder Pol ist aus einzelnen, dünnen Statorblechen 36 zusammengesetzt. Die Bleche sind mit zwei axial verlaufenden Nuten versehen und durch die Nuten miteinander verkeilt, wie es bei 37 und 38 dargestellt ist. Zusätzlich ist nahe der Außenfläche 41 ein Niet 39 axial durch die Statorbleche 36 hindurchgeführt. Dieser Niet trägt

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zur Verstärkung: des Stators bei» Er ist mit Gewindebohrungen für die Schrauben 42 versehen, mit denen die Außenfläche 4 des Poles an der entsprechend ausgebildeten Innenfläche des Joches 33 angeschraubt wird. Jeder Pol trägt eine Feldwicklung 43, die in Reihe geschaltet ist und über die Leiter 44 und 46 (s. Figur 3) an ein Wechselstromnetz angelegt werden können. Die Innenflächen 47 der Polschuhe sind in radialer Richtung kreisbogenförmig und bilden einen Teil der Bohrung, die den Anker aufnehmen soll.

In der dargestellten Äusführungsfonn weisen die Polschuhe A

innen eine größere Anzahl Einschnitte 48 auf, die in Längsrichtung durch den gesamten Statorkern hindurchführen und bei 4θ auf der Oberfläche 47 austreten. In diese Nuten werden feste Leite rs täbe 51 aus Kupfer oder einem ähnlichen Material eingelegt, die Jeweils an den Polenden durch Leiterringe 52 und 53 elektrisch miteinander verbunden sind, so daß dadurch eine Käfigwicklung gebildet wird. Für eine Isolierung der Leiterstäbe 51 in den Nuten 48 von dem magnetischen Kern können Folien aus Polyäthylen, Therephthalat (Mylar) oder irgendein anderes Isoliermaterial verwendet werden. Wenn sich während des Betriebs der Ankerstrom ändert, wird durch die Käfigwicklung ein Fluß erzeugt, ohne daß sich der Wirkwiderstand im Anker erhöht. Es wird vielmehr der f

Beschleunigungsverlauf linearisiert und dadurch daß die Anker induktivität heruntergedrückt wird, daß sie der Selbstinduktivität in Luft nahe kommt, werden die Kommutierungsbedingungen verbessert und außerdem spielt dies bei der Herabsetzung der induktiven Zeitkonstante eine Rolle. Außerdem kann man während der Beschleunigung auch höhere Ankerströme und damit auch höhere Spitzendrehmomente erreichen. Diese Merkmale werden durch einen Vergleich der Kurven 31a und 50 in Figur 1 noch deutlicher, wobei Kurve 50 den Stromverlauf für einen gleichen Motor ohne Käfigwicklung wiedergibt.

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Es soll nun der insgesamt »it OQ gekennzeichnete Anker in _; dem Motor 30 näher beschrieben_twerden» Der Motor kann mit ungewöhnlich hohen Drehzahlen rotieren, beispielsweise mit_; .,,, weit mehr als 2500 Umdrehungen pro Minute, und der Anker ist recht unempfindlich und stabil; selbst #enn das Verhältnis von Ankerkernlänge zu Weliendurchmesser 17 : 1 oder mehr beträgt. Außerdem ist die Trägheitszeitkonstante und die induktive Zeitkonstante des Motors günstiger, und selbst bei erhöhten Temperaturen von etwa 1'55°C arbeitet der Motor noch, zufriedenstellend. I» einzelnen ist der Eisenkern- 61 aus einer größeren Anzahl gleichartiger, gestanzter BliBcilie j 62,-.y%^-_T aufgebaut, die mit eine» gehärteten Isoliermaterial 63 zwi- .·.«.£ sehen den Lamellen £Fig« 22) verklebt sind. Zu diesem Zweck >_Cf kann beispielsweise der Epoxyharz-Kleber der Serie At-7Ol verwendet werden, wie -et \ron der jgirea Ärmstro;ng Prod»KitS Go.,, Inc. of Warsaw, Indiana, vertrieben wird■„ der zwei lang bei einer Temperatur von 177 C (35Ο F) ausgehärtet wurde. Der Kern des Ankers ist mit einem ₄geh,är.teten KJqMr in der Mitte <&iner längerep W«lle 64 fest aneebraqhfc^ <4ei? , -. eine gleiche Zusammensetzung besitzen kann wije der

An dieser Stelle sei kurz auf Figur 11 verwiesen uEtd daß der Kern 51 mit seine« einen Ende, an einem i

der Welle anliegt, der den .Wellendiircbmesser Das andere Ende des Kerns lieget an einem Absatz 68 eipejs,·._:-- hohlen Muffe 69an, die »it de» Kleber 66 auf der WeIl^ 64 aufgeklebt ist. Dadurch wird eine stabile Bauweise erzieltv wobei der Kern zwischen den beiden Absätzen gehaltert wird und Sitze 71 und 72 mit größerem Durchmesser gebildet werden, auf denen die Innen ringe der Kugellager jTS, CFiguij,,2]fc geordnet werden. Die Außenflächen des Ankers to de? j^äl^Bi.der Absätze als auch die, axial verlaufenden Außenflächen des, ^ · Kerns sind mit einer relativ dünnen gehärteten Seiiic;bt jj^h, ?, aus einem gut haftenden Isoliermaterial überzogen. Hieri-ür ist beispielsweise ein synthetisches Polyesterharz

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verwendbar, wie es in dem US-Patent 2 936 296 von 10. Hai 1960 beschrieben ist. Diese Schichten dienen zur Isolierung der elektrischen Leiter der Ankerwicklung von den einzelnen Bestandteilen des Kerns und der Welle. Für diesen Zweck sind Schichtdicken von 0,076 nun (3 nils) bereits als ausreichend befunden worden.

In der dargestellten Ausführungsfon sind die Ankerspulen, die in den verschiedenen Zeichnungen alt 76 bezeichnet sind (siehe insbesondere Figur 15), direkt auf die Oberfläche des Kerns aufgesetzt, d.h., sie sind außen auf dem Umfang A

des Kerns angeordnet und sie weisen zwei Windungen eines elektrischen Leiters mit einem gut haftenden Isolierüberzug auf. Diese Leiter können beispielsweise Hagnetdraht aus Kupfer sein. Die axial verlaufenden Spulenseiten 77 sind auf die Schicht 74 direkt auf dem Kern angeordnet. Diese Spulenseiten sind im Querschnitt nicht kreisförmig, sondern rechteckig, und die längere Seite zeigt praktisch in radiale Richtung. Die Abmessung in der großen Achse sollte vorzugsweise etwa zwei- bis dreimal größer sein als die kleinere Achse, um sicherzustellen, daß der Überzug auf den einzelnen Leitern nicht beschädigt wird. Gleichzeitig wird dadurch viel Leitmaterial in einem gegebenen Raum untergebracht. Die Endteile 78 und 79 der Spulen, die jenseits der Stirnflächen f

des Kerns 61 an den Schichten 74 angeordnet sind, haben einen etwa kreisförmigen Querschnitt. Dadurch können die Spulenseiten 77 derart angeordnet werden, daß der Winkelabstand von der Mitte einer Spulenseite zu der Mitte der anderen Spulenseite einer gegebenen Spule etwa 180 elektrischen Graden entspricht. Darübe ^hinaus erleichtert die große Hasse außerhalb des Kerns die Wärmeabfuhr von dem Anker während des Betriebs. Wie am besten aus den Figuren 21 und 22 ersichtlich ist, kann man um die Leiterteile 76, 78 und 79 ein Glasfaserband oder Garn 81 schraubenförmig herumwickeln. Dieses Band kann beispielsweise eine Dicke von O,O381 mm

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(1,5 mils) aufweisen. Auf den Ankerumfang 76 und die Bandage 81 kann auch ein dünner Überzug 82 eines Isoliermaterials wie Permafil-Lack aufgetragen werden (in einer Dicke von etwa 0,09 na), um Poren auszufüllen und um diese Einzelteile fest zusammenzuhalten. Das Material 82 sollte mit den Schichten 74 verträglich sein, ao daß die Schichten 7-4 und das Material 82 miteinander verbunden sind, wenn es auf die Wicklungen und die Bandage aufgebracht ist. Dadurch wird einerseits ein Schutz für die eingebetteten Ankerspulen gebildet, zum anderen kann aber auch die Wärme von dem Inner^^djesA^nkers aib^ef^üh^t we^en^^^m^folgen^en^sql.l, näher erläutert werden, in welcher bevorzugten Weise, d,ie Wicklungen mit den Kommutatorstegen 83 des Kommutators 84 verschaltet werden, der mit einem Kleber auf der Welle 64 befestigt ist und sich mit der Welle dreht.

Die folgenden Angaben zu einem praktischen Ausführungsbeispiel sollen noch deutlicher die bei einer Verwendung eines erfindungsgemäßen Motors erreichbaren Vorteile zeigen. Der Stator und der Rotor wurden gemäß der gezeigten Ausführungsform aufgebaut und Sie wiesen zusätzlich zu bereits genannten Angaben folgende Nenndaten auf (in mm):

Äußerer Ankerdurchmesser Durchmesser der Statorbohrung Luftspalt Wellendurchmesser am Antriebsende Wellendurchmesser im Ankerkern Kernlänge Verhältnis von Kernlänge zu Wellendurchmesser Drahtdurchmesser an den Spulenenden Spulenseiten, längere Querschnittsseite Spulenseiten, kürzere Querschnittsseite

	(inch)
24,2	(0,950)
24,8	(0,975)
0,3	(0,0125)
12,3	(0,498)
4,77	(0,188)
101,6	(4,00)_
21
0,79	(0,031)
1,07	(0,042)
0,51	(0,0201)

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.Der Anker wies 33 Kommutatorsegmente 83 und Spulen 76 sowie zwei gegenüberliegende Bürsten 89 auf (eine davon ist in Figur 2 gezeigt), die mit dem Kollektor 84 in Verbindung stehen. Der Motor, der 11,8 kg wog, war alt einen besonderen Kühlsystem versehen worden, wie es bereits an anderer Stelle vorgeschlagen worden ist. Es können aber auch die in den Zeichnungen dargestellten Gehäuseteile 87 und 88 oder eine andere Rahmenkonstruktion verwendet werden. Mit diesem Motor ergab sich der in Figur 7 gezeigte lineare Verlauf von Strom und Drehzahl in Abhängigkeit vom Drehmoment. Bei einer Anwendung im Zusammenhang mit Computern ergaben sich folgende Ergebnisse;

Einheit

Zahlenwert

Ankernennspannung	Volt	30
Ankernennstrom	Ampere	26,5 bei 1.41
		M³/min Kühlluftstrom
Nenndrehmoment	kpm	0,235
Nenndrehzahl	U/min	2800
Nennleistung .	Watt	675
Ankerinduktivltat	yUH	100
Ankerwirkwiderstand	Ohm	0,26
Spezif ischer magnetischer ■ ■
Fluß	Vsec/rad	0,085
Spezifisches Drehmoment	kpm/A	8,88 . 1O~³

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Einheit

Ankerträgheitsmoment korn

Impulsdrehmoment,50 Millisec kpm Impulsstrom, 50 Millieec. Ampere Träghe itsze itkonstante Millisec

Induktive Zeitkonstante Millisec Drehmoment/Trägheitsmoment

2 bei Nennspannung rad-sec

Nenndauerstrom, Effekt irwert Ampere Ktthlluft beI 94 cm

m /ein

Zahlenwert 3,17 ν ΙΟ"⁶

200 1,40 0,43

330 000 26,5 bei 1,41

μ³/«in Kühlluftstrom

1,41

Der Anker 60 ist auf bestimmten Anwendungsgebieten »it Drehzahlen Ober 160OO U/min erfolgreich eingesetzt worden.

Aus den oben zusammengestellten, für sich selbst sprechenden Ergebnissen ist ersichtlich, daß ein Motor in einer Ausführungsfora nach der Erfindung eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist, sich schnell veränderten Betriebsbedingungen anpaßt und selbst bei ungewöhnlich hohen Temperaturen, wie

ο beispielsweise bei 155 C, lange Betriebsdauer aufweist. Weiter sieht aan_v daß bei einea Ankerkern und einer Welle gegebener Größe eine große magnetische Masse verwendet werden kann, so daß der magnetische Fluß in dem Anker größer gemacht werden kann. Dadurch kann von der geringen Trägheit des Ankers besser Gebrauch gemacht werden.

Durch diesen Aufbau des Kerns wird auch der magnetische Fluß in dem Kern nicht eingeschränkt, so daß ein Kreis mit konstantem magnetischem Widerstand gebildet ist. Ferner neigt die Welle trotz ihrer großen axialen Länge selbst bei hohen

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Drehzahlen nur in geringem Maße zum Durchbiegen. Daraus folgt, daß der Motor besonders dort eingesetzt werden kann, wo es darauf ankommt, die maximale Leistung in einer möglichst kurzen Zeit abzugeben. Dies ist.bei den:bereits er-_:„ wähnten Computerzusatzgeräten der Fall.

Ein weiteres Ziel dieser Erf indung ist ein Verfahren zur* Herstellung des Ankers 60. Anhand der Figuren 8 bis 22 ein-, schließlich soll dieses Verfahren jetzt näher erläutert werden. Auf die Seitenflächen 62 der Ankerbleche 61 wird auf irgendeine Weise ein Kleber 63 im nicht ge härte te η Zu-""■'^; * ^j

stand aufgetragen. Dies kann beispielsweise durch ein Tauchverfahren nach Figur 8 geschehen« Vorher aber sollten die Bleche durch bekannte Verfahren entgratet und gereinigt werden. Danach werden die Bleche entsprechend zusammengefügt und zusammengepreßt, bis der Kleber 63 zwischen den Blechen ausgehärtet ist. Um Druck in axialer Richtung aus- * zuüben, kann eine Klemmvorrichtung 91 (Figur 9 und 10) benutzt werden. Hierzu wird dann ein Handrad 92 fest angezogen, nachdem vorher eine Walze oder ein zylindrischer Stab 93 die Ankerbleche ausgerichtet hat. Wenn sich überschüssiger Klebstoff zwischen ,den Blechen herausquetscht, kann dieser von dem Blechstapel abgestreift werden, bevor das Material ausgehärtet ist. ™

Wie in Figur Il gezeigt ist, wird dann auf die erforderlichen Flächen der Welle 64 ein Klebstoff 66 aufgetragen, wobei die Welle und der Kern vorgewärmt sind, damit das Klebematerial besser fließt. Der Kern wird dann fest" mit " dem Absatz 67 und der Buchse 69 zusammengefügt, die über die Welle geschoben und fest gegen das andere Ende des Kerns gedrückt wird. Diese Bauteile werden dann in dieser Lage gelassen, bis der^; kleber hart ist. Die Buchse 69 wird somit eiarfeii derWelle: Die Außenflächen ftesι Kerns und der Welle können dann spanabhebend bearbeitet werden, bis sie die

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gewünschten Abmessungen haben. Auf den in den Zeichnungen angegebenen Stellen wird auf beliebige Weise eine Schicht gebildet. Diese Schicht kann durch ein übliches Flüssigkeitstauchverfahren oder durch ein anderes bekanntes Verfahren aufgebracht werden und die Schichtlänge auf dem Kern wird dann wieder auf das gewünschte Maß gebracht. Hierauf wird der Kommutator 84 als Fertigteil auf der Welle montiert. Man kann ihn beispielsweise in richtigem Abstand von der einen Stirnseite des Kerns aufkleben.

Die Figuren 12 und 13 zeigen eine Möglichkeit auf, wie die ™ Spulenseiten 77 der Wicklung, die über dem Ankerkern 61

liegen, in eine nicht-kreisförmige oder rechteckige Form gebracht werden können. Ein drahtförmiger elektrischer Leiter bestimmter Länge wird zu einer länglichen Schleife gewickelt, und die Seiten 77 werden in eine Vertiefung 94 von zwei Preßplatten 96 und 97 eingelegt. Mit 98 ist die bearbeitende Fläche gekennzeichnet, deren Abmessung in Längsrichtung etwas größer ist als die Länge des Kerns. Der Unterschied kann beispielsweise 3 mm (0,12 inch) betragen. Mit 99 sind weitere Flächen der Preßplatten bezeichnet, die so ausgelegt sind, daß der ursprüngliche Kreisquerschnitt des Drahtes während des Pressens erhalten bleibt. Eine hydrau-

* lische Presse 95 drückt die beiden Preßplatten gleitend zu- /

säumen, wodurch auch die Wicklungen gleichmäßig zusammenge- 1 I

drückt und die Seiten abgeflacht werden, da sie, wie in |

den Zeichnungen dargestellt ist, in ihrer geraden Ausrichtung festgehalten werden.

Die Art und Weise wie eine gewünschte Anzahl Spulen 76 auf dem Kern angeordnet wird und wie sie mit dem Kommutator 84 verschaltet werden, wird anhand der Figuren 14 bis 17 einschließlich erläutert. In einem Ausführungsbeispiel wurden 33 Kommutatorstege und ebenso viele Wicklungen verwendet.

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In Figur 16 sind die einzelnen Stege mit den Bezugsziffern 101 bis 133 und die Spulen mit den Bezugsziffern 201 bis 233 gekennzeichnet. Zunächst wurde eine mit einem Einschnitt versehene Hülse 134 und mit einem Einsetzstab 136 für die Spulenseiten direkt über dem Kern angeordnet (Figur 14 und 17). Der Einsetzstab 136 wies einen Vorsprung 137 auf, der in den Schlitz der Hülse eingriff. Zwischen der Hülse und der Schicht 74 ist eine größere Anzahl von Abstandshaltern oder Stäben 138 lose angeordnet, die zahlenmäßig den einzelnen Spulenseiten entsprechen, und die in axialer Richtung aus der Hülse herausragen, damit sie beim Einführen der Leiterstäbe entfernt werden können.

j Wenn die Spulen mit einem gegenseitigen Abstand von 180 elekirischen Graden auf der Schicht 74 in der Hülse 134 zusammengesetzt werden sollen, wird der Stab 136 aus der Hülse

herausgezogen und mehrere Abstandshalter 138 werden aus dem

\ Inneren der Hülse entfernt, damit für eine Aufnahme der

* Spulenseiten 77 der Wicklung 76 genügend Raum geschaffen •I - -

wird. Dann wird der Stab wieder in den Hülsenschlitz einge-

'■;/■ setzt und mit der Hülse um einen gewünschten Winkel gedreht, beispielsweise um einen Winkel, der 180 elektrischen Graden entspricht, und dann wird die nächste Spulenseite eingesetzt.

Zur einfacheren Darstellung sei angenommen, daß zunächst die Rückseite der Wicklung 217 und die Vorderseite der Wicklung 201, d.h. die erste und die mittlere der insgesamt 33 numerierten Spulen, auf dem Kern angeordnet werden. Die Hülse wird dann um 180 elektrische Grade herumgedreht, so daß die Vorderseite der Wicklung 217 und auch die Rückseite der Wicklung 201 durch den Hülsenschlitz auf die Schicht 74 aufgelegt werden kann, nachdem die Abstandshalter entfernt

!" worden sind. Die Endteile 78 und 79 können fest auf die Schicht 74 (Figur 14) niedergedrückt werden, damit Platz

\ für weitere Endteile geschaffen wird und damit eine kompakte

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Masse gebildet wird. Die Leiter 201a und 201b werden dann auf zwei nebeneinanderliegenden Stegen 101 und 102 des Kommutators befestigt, nachdem zwei Leiter pro Steg in ihre richtige Lage gebracht worden sind. Auf ähnliche Weise können die Leiter 217a und 217b der Wicklung 217 mit den benachbarten Stegen H₁J und 118 des Kommutators verbunden werden, sobald zwei Leiter pro Steg angeordnet worden sind. Danach werden die Rückseite der Wicklung 218, die Vorderseite der Wicklung 202, die Vorderseite der Wicklung 218 und die Rückseite der Wicklung 202 auf dem Kern angeordnet, und die Leiter 202a, 202b, 218a bzw. 218b werden mit den jeweils nebeneinanderliegenden Kommutatorstegen 102, 103, sowie 118 und 119 verbunden. Diese Schrittfolge wird entsprechend wiederholt, bis alle Spulen auf dem Kern angeordnet und mit den zugehörigen Kommutatorstegen verschaltet sind. Figur 16 zeigt der Kürze wegen nur einige dieser Verbindungen. Die Pfeile geben eine angenommene Richtung des Stromflusses durch bestimmte Spulen hindurch an. Nachdem schließlich die Hülse 134 von der fertig zusammengesetzten Ankerwicklung entfernt worden ist, können Ringe 141 (Figur und 19) über die Spulenseiten geschoben werden, um sie vorübergehend für eine weitere Bearbeitung zusammenzuhalten. Wenn der Anker so weit zusammengesetzt worden ist, wird er erwärmt, die Ringe 141 werden zur Seite geschoben, und beispielsweise durch Vergießen wird ein Material 82 in nicht ausgehärtetem Zustand (Figur 18) auf den Anker aufgetragen, um Lücken und Poren auszufüllen. Die Temperatur der vorgewärmten Einzelteile unterstützt dabei, daß das nicht gehärtete Material 82 gut um die Spulen herumfließt. Das überschüssige Material läßt man abtropfen, und während die Spulen durch Druck fest gegen die Schicht 74 gepreßt werden, härtet das Material aus. Um diesen Druck zu erzeugen, kann eine Haltevorrichtung 142 (Figur 19, 20) aus zwei geteilten Blöcken benutzt werden, die alt einer Teflon-Schicht 143 ausgelegt sind. Wenn der Kern mit den Spulenseiten in die

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passenden Vertiefungen der Haltevorrichtung eingelegt worden ist, können die Keile oder Zwischenlegscheiben 144 entfernt werden, und durch Festziehen der Schrauben 146 wird Druck auf den Anker ausgeübt. Danach kann eine Glasfaserbandage 81 spiralförmig in einer einzelnen Schicht um den Ankerumfang herumgelegt werden, wie dies in Figur 21 dargestellt ist. Zusätzlich bettet eine Schicht 82, die auf die Bandage und zwischen die einzelnen Bandagenwindungen aufgetragen wird, die Spulen und die Bandage ein, wie dies am besten aus den Figuren 2 und 22 ersichtlich ist. Sobald das Material der Schicht 82 ausgehärtet ist, kann die Außenfläche des Ankers durch maschinelle Bearbeitung oder Schlei- -fen auf sehr genaue Abmessungen gebracht werden, falls dies ^ erwünscht istj damit der Anker in die Statorbohrung genau hineinpaßt.

Dieses Verfahren liefert nicht nur einen ungewöhnlich stabilen Anker mit genauen Abmessungen, sondern erlaubt auch die Verwendung relativ billiger Werkzeuge. Obwohl der Anker auf seiner Oberfläche bewickelt ist und obwohl die Seiten der Leiter einen nicht-kreisförmigen Querschnitt aufweisen, können außerdem durch dieses Verfahren die Seiten der gleichen Spule in einem Abstand von 180 elektrischen Graden angeordnet werden. ,

Die Figuren 23, 24 und 25 zeigen eine Abänderung des Ankers, wie er vorstehend in Verbindung mit dem Motor 30 in einem Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist. Bauteile, die bereits beschriebenen ähnlich sind, haben die gleichen Bezugsziffern. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der in den Figuren 1 bis 22 dargestellten im Prinzip nur dadurch, daß der Querschnitt der Spulenseiten praktisch trapezförmig ist (Figur 24). Die flachen Seiten verlaufen relPtiv zur Rotationsachse des Motors etwa radial. Dadurch kann in einem gegebenen Raum auf dem Anker möglichst viel

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j Leitermaterial untergebracht werden. Weiterhin endet der I

Spulenleiter 76a über einem gehärteten Ring 151 aus einem {

elektrischen Isoliermaterial, der an derjenigen Stelle der ;

Welle angeordnet ist, wo der Kommutator sitzen soll. Die " (

Enden der Leiter, die zur optimalen Materialausnutzung vor- \

zugsweise einen trapezförmigen Querschnitt haben, sind paar- '

weise in bestimmtem Winkelabstand voneinander angeordnet i

und bilden so die Kommutatorstege 83. In die Außenflächen |

der Leiter ist in der Mitte eine gleichförmige Lauffläche j

für die Bürsten eingearbeitet, die um den Kommutator herum- [

führt. Zwischen zwei benachbarte Leiterpaare wird ein härtbares Material 153 eingefügt, das dem Material 82 ähnlich
ist, um die Kommutatorstege gegenseitig zu isolieren und um
sie in ihrer Lage auf dem Ring 151 zu halten. Durch die Bandage 81 und die zusätzliche Schicht 82 auf beiden Seiten
der Lauffläche 152 wird eine passende Halterung der Bauteile
für eine Drehung mit der Welle 64 sichergestellt. In dem <■

Raum zwischen dem Kern 61 und dem Ring 151, der mit 154 gekennzeichnet und verkürzt dargestellt worden ist, ist der j Wickelkopf der einen Kernseite angeordnet. Diese Bauweise
ist relativ billig, gestattet eine gute Wärmeabfuhr und
vergrößert die träge Masse des Ankers nur unwesentlich.

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Claims

T763255 - 21 Ansprüche

1. Elektromotor mit einem Stator, der mindestens zwei pole aufweist, die mit zwei polschuhen mit axial verlaufenden Oberflächen versehen sind, die einen Teil einer axial verlaufenden Ankerbohrung bilden, in der ein trägheitsarmer Anker mit einer Welle und einem darauf angeordneten Kern drehbar angeordnet ist, weiterhin mit einem Kommutator, der neben dem einen Ankerkernende auf der Welle angeordnet ist und mit Kommutatorstegen versehen ist, an denen eine Anzahl von Ankerspulen angeschlossen sind, dadurch gekennzeichne t , daß die A

Seitenleiter der Ankerspulen axial verlaufend außen auf den glattflächig ausgebildeten Ankerkern aufgelegt sind und auf dem Ankerkern einen gewissen Winkelabstand voneinander haben und paarweise durch den Ankerkern axial überragende Endleiter miteinander verbunden sind, daß die Seitenleiter der Ankerspulen einen nicht-kreisförmigen Querschnitt aufweisen und so angeordnet sind, daß ihre größere Querschnittsabmessung radial orientiert ist, daß ferner die ganzen Ankerspulen auf dem Ankerkern befestigt sind, so daß der Ankerkern zusammen mit den Ankerspulen als ganzes drehbar ist und daß die Seitenleiter der Ankerspulen vom Ankerkern elektrisch isoliert sind, so daß die während des Betriebs des Motors im ganzen f

Anker erzeugte Wärme durch die Leiter der Ankerspulen gut abführbar ist.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, da d u r c h g e kennzeichnet, daß in die Polschuhe eine Anzahl axial verlaufender elektrischer Leiter eingesetzt ist, die an den beiden axialen Polschuhenden durch elektrisch leitende Ringe miteinander verbunden sind, so daß ein Kurzschlußkäfig gebildet ist, in de» Ströme induzierbar sind, die den durch Änderungen der Ankerströme

ΚθΙΙΘ Unterlagen (Art 7| 1 Abt. 2 NM Satz 3 des Xnderungsges. v. 4.9. ISo

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hervorgerufenen Feldänderungen entgegengesetzt sind, wodurch die Beschleunigungseigenschaften des Motors linearisiert und der induktive Widerstand des Ankers zwecks Verbesserung der Kommutierung herabgesetzt sind.

3. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenleiter einer Ankerspule auf dem Umfang des Ankers um etwa 180° auseinanderliegen, und daß die Endleiter der Spule, durch die die Seitenleiter miteinander verbunden sind, einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

4. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenleiter der Ankerspulen vom Ankerkern durch eine auf dem Ankerkern haftende ausgehärtete Isolierschicht isoliert sind, und daß die die Seitenleiter miteinander verbindenden Endleiter von der Ankerwelle durch eine zweite auf der Welle haftende Isolierschicht auf dem vom Kommutator entfernt liegenden Wellenende isoliert sind.

5. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch g e -kennze ichnet , daß die Seitenleiter der Ankerspulen zumindest teilweise mit einem gehärteten elektrischen Isoliermaterial überzogen sind, das mit der auf dem Ankerkern haftenden Isolierschicht verträglich ist, die Seitenleiter fest mit der Isolierschicht verbindet und einen harten, isolierenden Schutzüberzug für die Seitenleiter bildet.

6. Elektromotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1

bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutator aus den Enden der Ankerspulen gebildet ist, die isoliert auf der Welle befestigt sind, und in die eine Lauffläche für die Bürsten des Motors eingearbeitet ist.

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'.■■■- 23 -

7. Elektromotor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1

bis 6, d a d ure h g e k en η ζ e i c h net , daß der Querschnitt der Seitenleiter der Ankerspulen und/oder der Querschnitt der Leiter an den Spulenenden trapezförmig ausgebildet sind.

8. Elektromotor nach einem oder mehreren der Ansprüche, 1

bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge des Ankerkerns zum Durchmesser der Ankerwelle im Kern mindestens 17 · 1 beträgt.

9. Verfahren zur Herstellung eines trägheitsarmen Ankers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst der Ankerkern auf der Welle befestigt wird und anschliessend auf bestimmten Gebieten der Oberflächen des Ankerkerns und der Welle eine Schicht eines elektrischen Isoliermaterials aufgebracht wird, daß dann eine Anzahl von Ankerspulen derart auf dem Ankerkern und der Welle angeordnet wird, daß die Seitenleiter der Spulen an auseinanderbiegenden Stellen auf die Schicht auf der Oberfläche des Ankerkerns gelegt werden, während die Endleiter, durch die die Seitenleiter miteinander verbunden sind,

neben der Isolierschicht auf der Ankerwelle angeordnet . *

werden, daß dann die Seitenleiter der Ankerspulen mit einem elektrischen Isoliermaterial überzogen werden, während die Seitenleiter fest gegen die Isolierschicht auf dem Ankerkern gedrückt werden, und daß zum Schluß die Oberfläche des elektrischen Isoliermaterials auf die gewünschten Abmessungen bearbeitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung des Ankerkerns auf der Welle der Ankerkern auf die Welle und gegen einen an einem Ende der Welle vorgesehenen radial he raus ragende ή

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Flansch geschoben wird, dass dann eine Hülse mit einem radial herausragenden Flansch auf die Welle und gegen die andere Stirnfläche des Ankerkerns geschoben wird, und dass die Welle, der Ankerkern und die Hülse zu einer aus einem Stück bestehenden Einheit vereinigt werden, während der Ankerkern fest zwischen den beiden Flanschen gehalten wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass die einen gewissen Abstand voneinander aufweisenden Seitenteile einer Anzahl von Spulen derart aussen auf die Schicht auf dem Ankerkern aufgelegt werden, dass die Seitenteile der gleichen Spule auf dem Umfang des Kerns um 180° auseinanderliegen und die Enden der gleichen Spulen mit nebeneinanderliegenden Kommutatorstegen verbunden werden.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerspulen mit den Seitenleitern, die den nicht-kreisförmigen Querschnitt aufweisen, vorgefertigt werden.

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