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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine
Gleichstrommaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
WO 2005/076442 A ist ein elektrischer Motor mit einer symmetrisch
angeordneten Ankerwicklung bekannt. Die symmetrisch angeordnete
Ankerwicklung besteht aus einer ersten Spule, die zwischen zwei
beliebigen Ankernuten gewickelt ist und an benachbarten Kommutatorlamellen
elektrisch kontaktiert ist. Eine zweite Spule ist zwischen zwei Ankernuten
gewickelt, die zu den beiden Ankernuten der ersten Spule in Bezug
auf den Mittelpunkt der Ankerwelle in punktsymmetrischer Stellung
stehen und in entgegengesetzter Richtung gewickelt ist. Bei dem Motor
ist die Anzahl der Ankernuten gleich der Anzahl der Kommutatorlamellen.
Der Motor hat je eine Bürste
für hohe
und niedrige Geschwindigkeiten sowie eine gemeinsame Bürste. Die
erste und zweite Spule sind derart angeordnet, dass sie sich in
einer symmetrischen Stellung zu einer den Mittelpunkt der Bürste für hohe Geschwindigkeiten
und den Mittelpunkt der Drehwelle durchgehenden Achse befinden, wenn
die Bürste
für hohe
Geschwindigkeiten in Kontakt mit der benachbarten Kommutatorlamelle
kommt und dadurch die erste Spule mit der zweiten Spule kurzgeschlossen
wird.
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Die
Anordnung der Bürsten
bezüglich
der symmetrisch zueinander angeordneten ersten und zweiten Spule
gemäß WO 2005/076442
hat den Nachteil, dass jeweils ein Schaltleiter jeder Spule direkt
von der Ankernut an den Kommutator geführt wird. Unter einem Schaltleiter
wird dabei der Abschnitt eines Spulendrahts verstanden, der von
der Spule an den Kommutator geführt
wird. Dies bedeutet, dass dieser Schaltleiter zwischen Spule und Kommutatorhaken
quasi frei gespannt ist. Der gespannte Schaltleiter versperrt so
den Platz für
die nachfolgenden Schaltleiter der übrigen Spulen. Dies führt zu einem
großen
Wickelkopfaufbau und ggf. zu Drahtbruch an den Kommutatorhaken der
gespannten Schaltleiter unter Schwingbelastung, was zu Feldausfällen führen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine umfasst einen Anker mit Ankernuten zur Aufnahme von Ankerspulen.
Wenigstens eine Ankerspule ist aus zwei bezüglich einer Symmetrieachse,
die durch den Mittelpunkt der Ankerwelle des Ankers verläuft, symmetrisch
zueinander angeordnete Teilspulen gebildet, wobei die Teilspulen
mit zwei benachbarten Kommutatorlamellen eines Kommutators verbunden sind.
Dies bedeutet, dass die Ankerspulen so ausgebildet sind, dass jeweils
zwei Teilspulen bezüglich
einer Symmetrieachse, die durch den Mittelpunkt der Drehachse des
Ankers verläuft,
symmetrisch zueinander angeordnet sind. Die beiden symmetrisch zueinander
angeordneten Teilspulen sind mit zwei benachbarten Kommutatorlamellen
eines Kommutators verbunden. Die elektrische Maschine umfasst ferner eine
erste Bürste,
eine zweite Bürste
und eine dritte Bürste,
welche gleitbar an dem Kommutator anliegen, wobei die zweite Bürste mit
der ersten Bürste oder
der dritten Bürste
zusammenwirkt. Erfindungsgemäß ist die
dritte Bürste
relativ zu den beiden Teilspulen derart angeordnet, dass beim Kontaktieren der
beiden benachbarten Kommutatorlamellen die dritte Bürste mit
dem Mittelpunkt der Drehachse eine Achse bildet, welche zu der Symmetrieachse
der beiden Teilspulen einen Winkel von 90° – (180°/Lamellenanzahl) – (180°/3·Lamellenanzahl)bis 90° +
(180°/Lamellenanzahl)
+ (180°/3·Lamellenanzahl)bildet.
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Beträgt die Anzahl
der Lamellen z.B. 12, so liegt der Winkel in einem Bereich von 90°–15°–5° bis 90°+15°+5°, bevorzugt
in einem Bereich von 90°–15°–4° bis 90°+15°+4°, besonders
bevorzugt von 90°–15°–2° bis 90°+15°+2°. Der Winkel
beträgt beispielsweise
90°+15°+/–4°.
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Erfindungsgemäß steht
die Achse, die durch die dritte Bürste und den Mittelpunkt der
Drehachse geht, wenn die dritte Bürste die beiden benachbarten Kommutatorlamellen kontaktiert,
so dass die beiden Teilspulen kurzgeschlossen sind, im Wesentlichen senkrecht,
d.h. 90°,
zu der Symmetrieachse der beiden Teilspulen.
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Die
beiden Schaltleiter der beiden symmetrischen Teilspulen in Reihenschaltung
bzw. die vier Schaltleiter der beiden Teilspulen in Parallelschaltung
werden nach dem Austreten aus der Ankernut um ca. 180° um die Ankerwelle
geführt,
bevor sie mit den jeweiligen Kommutatorhaken verbunden werden. Dadurch
ist gewährleistet,
dass die Schaltleiter nicht frei gespannt sind, sondern in ihrer
gesamten Länge
entweder auf der Ankerwelle oder auf Schaltleitern von zuvor gewickelten
Spulen liegen. Diese zumindest teilweise Umwicklung der Ankerwelle durch
die Spulenenden im Bereich des Wickelkopfes zwischen Anker und Kommutator
wird auch als Umhakenwicklung bezeichnet.
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Die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine hat den Vorteil, dass der Wickelkopf zwischen Anker und
Kommutator im Vergleich zum Stand der Technik stabiler und kompakter
aufgebaut ist. Durch die Umhakenwicklung wird insbesondere das Schwingen der
Schaltleiter unter Schüttelbelastung
vermieden, wodurch Drahtbruch an den Schaltleitern vermieden wird.
Dies bedingt insgesamt einen robusteren Wickelkopfaufbau und ein
reduziertes Feldrisiko.
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Gegenüber dieser
im Wesentlichen senkrechten Anordnung zwischen der Achse, die durch die
dritte Bürste
und den Mittelpunkt der Drehachse geht, wenn die dritte Bürste die
beiden benachbarten Kommutatorlamellen kontaktiert, und der Symmetrieachse
der beiden Teilspulen ist der Kommutator relativ zu dem Anker vorzugsweise
zusätzlich
um einen Winkel im Bereich von +/- (180°/Lamellenanzahl
+ 180°/3·Lamellenanzahl)gedreht.
Dies bewirkt eine geringfügige
Erhöhung bzw.
Erniedrigung der Drehzahl der elektrischen Maschine, mit der eine
Feinabstimmung der Drehzahl gelingt.
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Bei
der Auslegung der Ankerwicklung wird zunächst aufgrund der Drehzahlanforderung
der geringeren Drehzahlstufe die Anzahl der Leiter, d.h. die Anzahl
der Wicklungen, pro Ankernut und die Spulendrahtstärke festgelegt.
Die Drehzahl der höheren Drehzahlstufe
in Relation zu der Drehzahl der geringeren Drehzahlstufe, der sogenannte
Drehzahlsprung, wird durch die Winkelposition der dritten Bürste in
Relation zu ersten Bürste
festgelegt, wodurch bei unveränderter
geringer Drehzahlstufe die höhere
Drehzahlstufe grob auf den gewünschten Wert
eingestellt werden kann. Diese Winkelposition ist typischerweise
in einem Werkzeug festgelegt und liegt damit in der Regel für eine ganze
Baureihe einer elektrischen Maschine fest und ist nur mittels einer Werkzeugänderung
veränderbar.
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Eine
Feinabstimmung des Drehzahlsprungs kann durch eine zusätzliche
Kommutatorverdrehung um einen Winkel von – (180°/3·Lamellenanzahl) bis + (180°/3·Lamellenanzahl)
erreicht werden. Eine Kommutatorverdrehung um etwa 1° bewirkt
beispielsweise eine Veränderung
der höheren
Drehzahlstufe um etwa 1 Umdrehung pro Minute.
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Die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine weist drei Bürsten
auf. Die erste und zweite Bürste sind
im Wesentlichen diametral zueinander angeordnet. Die dritte Bürste ist
radial zwischen den einander gegenüberliegenden Bürsten angeordnet,
so dass die dritte Bürste
gegenüber
der ersten Bürste
in Drehrichtung um einen bestimmten Winkel kleiner als 180°, z.B. 70°, versetzt
angeordnet ist. Dabei werden in der niedrigen Drehzahlstufe die
beiden einander gegenüber
liegenden Bürsten,
d.h. die erste und zweite Bürste,
bestromt, während
die dritte Bürste stromlos
ist. In der hohen Drehzahlstufe werden die zweite und die dritte
Bürste
bestromt, wohingegen die erste Bürste
stromlos ist. Die zweite Bürste
bildet demnach die gemeinsame Bürste,
welche bei niedrigen Drehzahlen mit der ersten Bürste und bei hohen Drehzahlen
mit der dritten Bürste
zusammenwirkt. Die jeweils unbestromte Bürste verbindet jeweils zwei
benachbarte Kommutatorlamellen. Sie schließt dadurch bei einer herkömmlichen
Wicklung die dazwischen liegende Spule kurz, wobei sich ein Kurzschlussstrom
ausbildet, der dem Speisestrom entgegen gesetzt gerichtet ist und
zu einer Radialkraft auf den Anker führt. Diese Radialkraft wird
bei der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine vermieden, da anstelle einer Spule zwei symmetrisch zueinander angeordnete
Teilspulen an benachbarten Kommutatorlamellen anliegen. Werden zwei
benachbarte Kommutatorlamellen durch die jeweils unbestromte Bürste verbunden,
tritt ein Kurzschlussstrom in beiden Teilspulen auf sodass sich
die Radialkräfte
der beiden Teilspulen kompensieren.
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Die
beiden Teilspulen sind erfindungsgemäß derart symmetrisch zueinander
angeordnet, dass bei Bestromung der Teilspulen in einem Magnetfeld
im Wesentlichen keine radialen Kräfte auf den Anker wirken. Die
beiden Teilspulen sind gleichzeitig kommutierbar, beispielsweise
indem sie an benachbarte Kommutatorlamellen angeschlossen sind.
Die resultierenden Radialkräfte
werden besonders gut dadurch kompensiert, dass die beiden Teilspulen
im Wesentlichen geometrisch parallel zueinander und in gleichem
Abstand zur Drehachse des Ankers angeordnet sind. Außerdem lassen
sich die Radialkräfte besonders
gut dadurch kompensieren, dass die beiden Teilspulen gleich viele
Windungen aufweisen. Die Radialkräfte lassen sich ferner besonders
gut kompensieren, indem die beiden Teilspulen in umgekehrtem Wickelsinn
zueinander gewickelt sind. Insbesondere handelt es sich um eine
zweipolige elektrische Wicklung.
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Die
beiden Teilspulen können
entweder elektrisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sein.
Bei der Reihenschaltung weisen die beiden Teilspulen zwei Enden
auf die mit benachbarten Kommutatorlamellen verbunden sind. Bei
der Parallelschaltung hingegen weist jede der beiden Teilspulen
zwei Enden auf, wobei jeweils die Enden einer Teilspule mit benachbarten
Kommutatorlamellen verbinden sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der Kommutator eine gerade Anzahl an Lamellen auf. Weiterhin
ist bevorzugt die Anzahl der Lamellen gleich der Anzahl der Ankernuten.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die symmetrisch angeordneten Teilspulen als Doppelwicklung
mit reduziertem, z.B. mit dem halben, Spulendrahtquerschnitt in
zwei Lagen ausgebildet. Dadurch kann ein erhöhter Nutfüllfaktor erzielt werden.
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Die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine kann insbesondere als Scheibenwischermotor in Kraftfahrzeugen
eingesetzt werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine
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2 eine
Ausführungform
eines Wickelschemas der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine
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In 1 ist
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine 100 schematisch im Querschnitt dargestellt. Der
Stator ist aus zwei Polen 10 gebildet. Innerhalb der Pole 10 ist
ein Anker 20 auf einer Ankerwelle 22 mit einer
Drehachse 23 dreh fest gelagert. Der Anker 20 ist
mit 12 Ankerzähnen 24 und 12 zwischen
den Ankerzähnen 24 liegenden
Ankernuten 25 ausgestattet. Außerdem ist ein Kommutator 30 mit
Kommutatorlamellen 32 drehfest auf der Ankerwelle 22 befestigt
(2). Des Weiteren sind drei Bürsten 41, 42, 43 vorgesehen, wobei
die erste und zweite Bürste 41, 42 zueinander diametral
angeordnet sind, während
die dritte Bürste 43 in
Drehrichtung um einen bestimmten Winkel kleiner als 180°, hier z.B.
45°, versetzt
zu der ersten Bürste 41 angeordnet
ist. Die zweite Bürste 42 dient als
gemeinsame Bürste
oder Massebürste,
indem sie bei niedrigen Drehzahlen mit der ersten Bürste 41, bei
hohen Drehzahlen mit der dritten Bürste 43 zusammenwirkt.
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In
der dargestellten Ausführungsform
gemäß 1 und 2 hat
der Kommutator 30 12 Kommutatorlamellen 32 und
der Anker 20 12 Ankerzähne 24 bzw.
Ankernuten 25.
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Eine
Ankerspule ist aus jeweils zwei Teilspulen 51, 52 gebildet,
die bezüglich
einer Symmetrieachse 55, die durch den Mittelpunkt 23 der
Drehachse 22 des Ankers 20 verläuft, symmetrisch
zueinander angeordnet sind. Die Teilspulen 51, 52 sind
demnach im Wesentlichen geometrisch parallel zueinander und in gleichem
Abstand zur Drehachse 22 des Ankers 20 angeordnet.
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Wie
in 2 ersichtlich, sind die beiden Teilspulen 51, 52 mit
zwei benachbarten Kommutatorlamellen 32 eines Kommutators 30 verbunden.
Wenn die dritte Bürste 43 die
beiden benachbarten Kommutatorlamellen 32 (in 2 Lamelle 3 und
Lamelle 4) kontaktiert, werden die beiden Teilspulen 51, 52 kurzgeschlossen.
Beim Kontaktieren der beiden benachbarten Kommutatorlamellen 32 bildet
die dritte Bürste 43 mit
dem Mittelpunkt 23 der Ankerwelle 22 eine Achse 45,
welche zur Symmetrieachse 55 der beiden Teilspulen 51, 52 senkrecht
steht (1).
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Das
Wickelschema gemäß 2 zeigt
eine teilweise Abwicklung einer ersten Ausführungsform von Ankerspulen
aus zwei Teilspulen 51, 52. Die Ankerspule ist
nach Art der Schleifenwicklung in Form einer Sehnenwicklung gewickelt.
Die Wicklung einer ersten Teilspule 51 liegt in der mit 3 bezeichneten
Ankernut 25 und der mit 8 bezeichneten Ankernut 25. Die
Wicklung einer zweiten Teilspule 52 liegt in der mit 2 bezeichneten
Ankernut 25 und der mit 9 bezeichneten Ankernut 25.
Die beiden Enden der ersten und zweiten Teilspule 51, 52 sind
mit benachbarten (hier der dritten und vierten) Kommutatorlamellen 32 elektrisch
verbinden. Die beiden Teilspulen 51, 52 sind demnach
in Reihe geschaltet. Die dritte und achte Ankernut 25 sowie
die zweite und neunte Ankernut 25 liegen einander gegenüber, so
dass die beiden Teilspulen 51, 52 bezüglich einer
Achse, die durch den Mittelpunkt 23 der Ankerwelle 22 geht,
symmetrisch zueinander angeordnet sind. Die beiden Teilspulen 51, 52 sind
im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, so dass sie sich
bezüglich
einer parallel zu den Teilspulen 51, 52 angeordneten
Symmetrieachse 55 in symmetrischer Stellung befinden. Die beiden
Teilspulen 51, 52 sind in umgekehrtem Wickelsinn
gewickelt.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
einer Reihenschaltung der beiden Teilspulen 51, 52.
Nach dem dargestellten Prinzip der Wicklung zweier symmetrisch angeordneter
Teilspulen 51, 52 sind weitere Wicklungsschemata
realisierbar.