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Elektrischer Motor mit nutenlosem Läufer Die Erfindung betrifft einen
elektrischen Motor, insbesondere zur Verwendung als Servomotor, mit einem nutenlosen
Läufer, dessen zylindrischer Eisenkern an seinem Umfang die Läuferwicklung trägt.
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Bei den in der Regel zum Betrieb mit Gleichstrom vorgesehenen Servomotoren
ist der mit einem Kommutatorteil versehene Läufer in der Regel so ausgebildet, daß
sein aus Blechlamellen zusammengesetzter, zylindrischer Eisenkern nahe seiner Umfangsfläche
parallel zur Drehachse oder zu dieser schwach geneigte Nuten enthält, in welche
die Drähte der Läuferwicklung eingelegt sind. Wegen des kleinen zwischen den nuten
verbleibenden Stegquerschnittes tritt schon bei verhältnismässig niedrigen Werten
des magnetischen Flusses eine Sättigung auf, durch welche die spezifische, auf das
Gewicht bezogene Leistung begrenat wird. Ftir die Verwendung als Servomotor
ist
es außerdem wichtig, daß der Läufer des Motore nur ein geringes Rotations-Trägheitsmoment
aufweist, wenn die geforderten kurzen Stellzeiten erreicht werden sollen. Aus diesem
Grunde verbietet es Bich, bei genuteten Läufern durch Vergrösserung des Aussendurchmessers
die Sättigungagrenze zu erhöhen.
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Es sind bereits vorzugsweise als Stellmotoren bzw. Servomotoren verwendbare
Gleichstrommotoren bekanntgeworden, bei welchen der Läufer ohne Nuten ausgeführt
ist und sein Eisenkern aus ringförmigen Blechlamellen zusammengesetzt ist die lediglich
sur Aufnahme der aus magnetisch schlecht leitendem Werkstoff hergestellten Läuferwelle
eine einzige zentrale Bohrung enthalten. Bei diesen bekannten Motoren ist der nutenlose
Ankerkern mit einem Glasseideband umwickelt. Auf die so erzeugte Isolierstoffschicht
werden dann die vorbereiteten Formspulen der Läuferwicklung aufgesetzt und dann
mit einem sämtliche Spulen unschliessenden Glasseideband in ihrer Lage auf dem Ankerkern
befestigt. Bei dieser Auabildung des nutenlosen Ankere bzw. Läufers ist es nachteilig,
daß die einzelnen Ankerdrähte beim Aufbringen der Läuferwicklung nur sehr echwer
in sueinander gleiche Abstände gebracht und während des Betriebs in dieser genau
definierten Lage festgehalten werden können. Hierdurch ergibt sich der weitere Nachteil,
daß
vor allem im Betrieb mit niedrigen Drehsahlen kein ausreichender Rundlauf und vor
allem für jeden Drehwinkel des Läufers kein gleichblelbendev Drehmoment entlang
dem Umfang des Läufers erzielt werden kann. Dies iet Jedoch für kleine Stellwege
und kurze Veratellzeiten bei einem Servoantrieb unbedingt erforderlich. Weiterhin
ist es schwierig, die einzelnen Ankerdrähte beim Aufwickeln in ihre vorgeschriebene
genaue Lage zu bringen, wenn diese unmittelbar auf den mit einer Isolierstoffschicht
versehenen Eisenkern aufgewickelt werden sollen. Außerdem erfordert ein derartiges
unmittelbares Aufwickeln der inkerdrähte besondere Vorrichtungen, durch welche die
Herstellung erschwert wird.
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Der Erfindung liest die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden
und eine Anordnung zu schaffen, mit welcher eine gleichmässige Verteilung der Ankerdrähte
ueber den Läuferumfang sichergestellt und auch bei langer Betriebszeit aufrechterhalten
werden kann. Diee läßt eich bei einem elektrischen Motor der eingange beschriebenen
Art dadurch erreichen, daß erfindungsgemäß auf dem Eisenkern des Läufers ein Isolierstoftkdrper
sitzt, der einen rohrförmigen, am Eisenkern anliegenden Mantel und mehrere über
den Umfang dee Mantels im Abstand voneinander verteilt angeordnete, mit diesem verbundene,
rippenartige Vorsprünge hat,
zwischen welche die Ankerdrähte der
Läuferwicklung eingelegt sind. Durch diese mit dem zylindrischen Mantel des Isolierstoffkörpers
verbundenen rippenartige Vorsprünge wird es möglich, daß die Position der einzelnen
Ankerdrähte während und nach dem Aufwickeln der Läuferwicklung genaU sichergestellt
ist. JUr den Betrieb des Motors ist es dabei von besonderer Wichtigkeit, daß bei
jeder Winkelstellung des Läufers ein gleiches Drehmoment erzielt wird. Die erfindungsgemässe
Ausbildung ist besonders für solche Motoren geeignet, die einen sehr grossen Regelbereich
in ihrer Betriebdrehzahl, beispielsweise ein Regelbereich von 1 : 6000 oder mehr
haben.
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Für die Herstellung des Isolierstoffkörpers eignen sich verschiedene
der bekannten Verfahren und Werkstoffe, Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird
zunächst aus tunsthars und Gewebeeinlagen ein Rohr gepreßt, aue dem dann zur Bildung
der rippenartigen Vorsprünge in gleichmässigen Abständen Nuten zur Aufnahme der
Läuferwicklung eingefräst werden. Es ist jedoch auch möglich, den Isolierstoffkörper
in einem günstigen Arbeitsgang zu pressen oder su spritzen, wobei es in Jedem Falle
sogar möglich ist, den Kunststoff unmittelbar auf den fertig geschichteten Eisenkern
des Läufers aufzubringen und festhaftend mit diesem zu Verbinden.
Weitere
Einzelheiten und zweckmässige Ausgestaltungen ergeben sich aus dem nachstehend beschriebenen
und ia der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, einem elektrischen Motor,
in Verbindung mit den Unteransprüchen.
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Es zeigen: Fig. 1: den Elektromotor im Quereohnitt, totlweis in schematischer
Darstellung, Fig.2: einen axialen Längsschnitt durch den erfindungsgemäß ausgebildeten
Läufer des Motors, Fig. 3: den Isolierstoffkörper des Läufers in unbewickelten Zustand
in axialer Draufsicht auf eine seiner Stirnseiten und Fig. 4: ausschnittsweise in
der Ansicht von der Seite, während Fig. 5: in stark vergrösserter Darstellung einen
Querschnitt durch den Isolierstoffkörper in bewickeltem Zustand zeigt.
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Der dargestellte Elektromotor ißt zur Verwendung als Servomotor für
eine in der Zeichnung nicht wiedergegebene Werkzeugmaschine bestimmt und enthält
in seinem Motorgehäuse 10 ein Ständerblechpaket 11, an dessen in Fig. 1 in axialer
Draufsicht erkennbaren Ständerblechen zwei einander diametral
gegenüberstehende
Polschuhe 12 und 13 angeschnitten sind. Jeder dieser Polsohuhe trägt eine von zwei
Feldwicklungen 14 und 15, von welchen jede zahlreiche Windungen umfaßt.
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In Fig sind von diesen Windungen nur Jeweile vier im Querschnitt dargestellt.
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Zwischen den konkav geformten Stirnflehen der Polschuhe 12 und 13
ist - von diesen durch einen in Fig. 1 stark vergrössert wiedergegebenen Luftspalt
16 getrennt -der. läufer 20 des Elektromotors drehbar angeordnet, auf we-lchen sich
die Erfindung unmittelbar bezieht. Der läufer 20 weist als wesentliche Bestandteile
einen aus kreisringförmigen, nicht genuteten Blechscheiben zusammengesetzten Eisenkern
21 auf, der auf einer aue magnetisch schlecht oder gar nicht leitendem Material,
beispielsweise V2A-Stahl betehenden Ankerwelle 22 angeordnet ist, sowie einem z.B.
36-lamelligen Kommutator 23 und aus einer läuferwicklung 24. Diese Läuferwicklung
ist gleichmässig über den Unfang des nicht genuteten Bisenkerns 21 verteilt und
besteht im einzelnen aus Ankerdrähten 25, welche eich achsparallel zur Ankerwelle
22 erstrecken. Die Läuferwicklung ist alt Sehnen-Wicklung ausgebildet.
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Um beim Einlegen der Läuferwioklung eins gleichmässige Verteilung
der Ankerdrähte 25 über den Unfang des Läufers sicherzustellen und ein bei jeder
Winkelstellung des Läufers gleiches Drehmoment zu erzielen, ist erfindungsgemäß
auf den Umfang des Läufer-Eisenkerns 21 ein Isolierstoffkörper 30 aufgezogen, der
einen rohrföraigen, am Eisenkern unmittelbar anliegenden Mantel 31 von etwa 0,6
mm Stärke aufweist. Mit diesem Mantel sind inagesamt 36 radial über den Unfang des
Mantels vorstehende und im Abstand gleichmässig voneinander verteilt angeordnete,
rippenartige Vorsprünge 31 verbunden. Jeder dieser Vorsprünge ist in radialer Richtung
gemessen etwa 1,5 bis 2 mm hoch und weist in Umfangsrichtung des Läufers gemessen
eine mittlere Stärke von etwa 0,6 bis 0,8 mm auf.
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Zwischen je zwei dieser Vorsprünge 32 sind in der aus Fig. 5 näher
erkennbaren Weise jeweils die Ankerdrähten 25 eingelegt.
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Um den Isolierstoffkörper 30 mit den dargestellten Vorsprüngen 32
herstellen zu können, wird zunächst der an Jeder seiner beiden Stirnseiten mit einer
Isolierstoffscheibe 34 bzw. 35 abgedeckte Eisenkern mit Kunstharz unter Zwischenlage
von verstärkenden Textilgewebeschichten rohrförmig umpreßt. Dann werden aus diesem
über den Umfang gleichmässig etwa 2,6 mm starken Isolierstoffrohr
Nuten
33 ausgeschnitten, wobei die Vorsprünge 32 stehenbleiben. In diese Nuten werden
dann Jeweils soht Ankerdrähte 25 in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise eingelegt.
Nach dem Einlegen der Ankerdrähte 25 wird außen eine Bandage aus einem glasfaserverstärkten
Band aufgewickelt. Durch diese Bandage 35 werden die einzelnen Ankerdrähte 25 gegen
die nach außen wirkenden, bei hohen Drehzahlen beträchtliche Werte annehmenden Fliehkräfte
absolut sicher und unverrückbar abgestützt. Zum Ausfüllen des in der läuferwicklung
und den Nuten 33 verbleibenden Hohlräume wird der Läufer anschließend in bekannter
Weise im Vakuum oder im Träufelverfahren mit einem erhärtenden Kunstharzlack, beispielsweise
dem unter der Warenbezeichnung Araldit bekannten Lack getränkt. Durch diese Maßnahme
im Zusammenwirken mit der erfindungsgemässen Ausbildung und Anordnung des Isolierstoffkörpers
30 ergibt sich eine hohe mechanische und elektrische Präzision, welche absolut mit
der-Wenigen vergleichbar ist, welche seither nur bei Ankern mit im Ankereisen eingebetteten
Nuten und in diese Nuten eingelegten Ankerdrähten erzielt werden konnte . Gegenüber
diesen eine hohe Fertigungsgenauigkeit und einen erheblichen konstruktiven Aufwand
erfordernden Läuferbauarten ergibt die erfindungsgemässe Ausbildung eine wesentlich
höhere elektrische spezifische Leistung, wobei der Luftspalt sehr günstig bemessen
und eine sehr gute Rundlaufgenauigkeit des Läufers erzielt werden kann. Hierdurch
wird gewährleistet,
daß der Motor in einem von sehr niedrigen bis
zu sehr hohen Drehzahlen reichenden Arbeitsbereich betrieben werden kann und dabei
gleich gute Drehmomente liefert.
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Beim dargetellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Ankerwelle
22 aus einem magnetisch schlecht leitenden Werkstoff, vorzugsweise aus V2A-Stahl
besteht. Hierdurch wird erreicht, daß die Induktionsströme nicht durch die Ankerwelle
fliessen können und der magnetische Fluß nur auf den von den Blechlamellen des Eisenkerns
21 bereitgestellten Querschnitt berschränkt wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil
einer niedrigen Zeitkonstante, welche vor allem beim Betrieb des Elektromotors mit
Thyratron- oder Thyristorsteuerung ausgenutzt werden kann. Man erhält in diesem
Palle durch die erfindungsgemässe Ausbildung des Läufers sehr hohe Verstellgeschwindigkeiten
und niedrige Stellzeiten.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der magnetisch neutralen
Zone zwischen Jedem.
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der beiden Polsohuhe 12 und 13 ein Wendepol 40 bzw. 41 vorgesehen.
Jeder der Wendepole trägt eine der beiden Polwicklungen 42 bzw. 43, welche mit der
Läuferwicklung über die bei 44 und 45 angedeuteten, auf dem Kommutator 23 gleitenden
Schleifkohlen in Reihe geschaltet sind Hierdurch
ergibt sich eine
besonders günstige Kommutierung, welche in Verbindung mit der durch die erfindungsgemässe
Ausbildung erzielten günstigen Lage der Ankerdrähte 25 eine hohe Leistung des Elektromotors
möglich macht.
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Bei der erfindungsgemässen Ausbildung des Läufers sind alle bekannten
Wicklungsanordnungen möglich und ausführbar, wobei vor allem hins@@htlich der Nut-
und Kollektorteilungen keine besonderen Beschränkungen zu beachten sind. Zur Herstellung
des Isolierstoffkörpers 30 muß jedoch ein solcher Werkstoff verwendet werden, der
eine ausreichende mechanische und thermische Festigkeit hat. Außer dem bereits erwähnten
unter der Warenbezeichnung Resitex bekannten Werkstoff aus erhärtenden Kunstharzen
mit Textilien oder aus Glasfaserfäden hergestellten Geweben als Verstärkungseinlagen
können vor allem auch Duroplaste verwendet werden, welche die Herstellung des Isolierstoffkörpers
30 in einem einzigen Arbeitsgang durch Spritzpressen ermöglichen.