DE2310380B2 - Gleichstrommotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrommotor mit sechs festen Hai'pt- und Wendepolen im Ständer und mit einer Wellenwicklung im Anker, welche Streng symmetrisch als Treppenwicklung ausgebildet ist mit zwei in jeder Nut nebeneinanderliegenden Spulenseiten.

Ein Gleichstrommotor dieser Art ist aus »Arnold-Ia Cour«. »Die Gleichstrommaschine«, 1. Band, 1^CM9. Springer Verlag, Elerlin, S. 58. bekannt. In dieser Literaturstelle ist das Wickelschema einer zweifach geschlossenen, sechspoligen Reihenparallelwicklung mit a = 2 Ankerzweigpaaren dargestellt, und zwar für eine Ma schine mit 52 Kollektorlamellen. Dabei liegen in jedei Nut zwei Spulenseiten nebeneinander und übereinan der. Der Nutenschritt ist so gewählt, daß die Verschie bung zwischen benachbarten Ankerspulen der beider Reihenwicklungen dem Abstand benachbarte: Kommutatorlamellen entspricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen füi den Antrieb von Straßenfahrzeugen geeigneten Fahr

ίο motor zu schaffen. Hierbei kommt es einerseits darau an. daß der Motor besonders leicht im Gewicht ist unc andererseits darauf, daß er äußerst betriebssicher, d. h insbesondere kurzzeitig ohne Gefahr eines Schaden; überlastbar ist. Eine Gewichtsreduzierung ist notwendig. um das durch die mitgeführten Batterien ohnehir sehr schwere Fahrzeug nicht durch einen schweren Antriebsmotor zusätzlich zu belasten. Hinsichtlich der Betriebssicherheit, insbesondere hinsichtlich der Überlastbarkeit, sind hohe Anforderungen zu stellen, weil im Straßenverkehr sehr häufig Lastwechsel mit starken Beanspruchungen des Antriebsmotors auftreten. Besondere Aufmerksamkeit muß in diesem Zusammenhang einer einwandfreien Kommutierung des Ankerstromes des Motors gewidmet werden. Ferner soll der Aufwand für die elektronische Steuerung verminder! werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgenäß dadurch gelöst, daß der Gleichstrommotor zur Verwendung als Fahrmotor als fremderregter Motor ausgebildet ist, einen großen Hauptpol-Luftspalt besitzt und daß die Spulen der Ankerwicklung unterteilte Ankerleiter aufweisen.

Motoren der obengenannten Art und der für die Verwendung als Fahrmotoren geeigneten Leistungsgruppe werden normalerweise vierpolig gebaut. Die sechspolige Bauweise ermöglicht gegenüber der vierpoligen Bauweise wegen der Verringerung des Jochflusses kleinere Jochque.-schnitte im Gehäuse und im Anker, wodurch das Gewicht der Maschine wesentlich reduziert werden kann. Bezüglich der Kommutierung erreicht man eine höhere Überlastbarkeit, da bei gleichem Ankerstrombelag wegen der kleineren Polbreite sich ein kleineres Rückwirkungsverhältnis ergibt als Quotient aus der Ankerdurchflutung zur Durchflutung im Luftspalt und in der Zahnregion. Durch die sechspolige Bauweise erhält man die Möglichkeit, die Ankerwicklung streng symmetrisch als getreppte Wellenwicklung auszubilden, wodurch die Kommutierung und somit die Überlastbarkeit weiter verbessert wird. Streng symmeirisch bedeutet in diesem Zusammenhang, daß der Schaltschritt in zwei gleiche Teilschritte aufgeteilt wird, die symmetrisch zur Spulenmitte liegen. Die zu den beiden in einer Nut nebeneinanderliegenden Spulenseiten gehörenden Spulen sind am Anker um eine halbe Nutteilung, am Kollektor um eine volle Lamellenteilung gegeneinander verschoben. Hierdurch erhält man eine verbesserte Kommutierung, weil bei der Bewegung des Ankers um eine Kollektor-Lamellenteilung die Mitte der zweiten Spule sich ebenfalls genau um eine Lamellenteilung weiterbewegt.

Durch die Ausbildung des Motors als fremderregte Maschine gelingt es, die elektronische Steuerung wesentlich zu vereinfachen. Die Erregerwicklung der Maschine liegt dabei an einer gesonderten oder gesondert abgegriffenen Spannungsquelle mit konstanter Spannung, so daß es möglich ist, den Strom in der Erregerwicklung unabhängig von der Klemmenspannung im Ankerzweig zu regeln. Eine elektronische Steuerung

hierfür läßt sich besonders einfach und zuverlässig aufbauen. Der benötigte Drehzahlgeber s.i/t zweckmaßigerweise innerhalb des Motors am amriebsseingen Lagerschild: das umlaufende Teil wird \orteühafienveise unmittelbar beim Lagerschild auf der Motorwelle befestigt. '

Durch einen großen Hauptpol-Luftspalt erreicht man, daß die bei Leerlauf auftretende maximale Lamellenspannung bei Last nur wenig erhöht wird, weil der Quotient der Luftspaltdurchflutung zur Ankerdurchflutung erhöhl wird, was zu einer geringerer. Feidvrrzerrung führt. Dieses Verhalten wirkt sich besonders bei höheren Drehzahlen positiv im Sinne einer höheren Überlastbaikeit aus. Dieses Verhältnis i-ann noch zusätzlich verbessert werden, wenn die Konturen der Hauptpolschuhe am Luftspalt nach beiden Seiten kerbförmig verlaufen. Eine mögliche Ausführungsform sieht dabei so aus. daß die Konturen der Hauptpolschuhe am Hauptpol-Luftspalt durch zwei Kreisbögen gebildet sind, welche sich an der Mittellinie der Hauptpole treffer. und deren Mittelpunkte außerhalb der Mittellinien der Hauptpole liegen. Ein konzentrischer luftspalt, der nur an den Polkanten erweitert ist. ergibt bei Belastung der Maschine eine höhere maximale Lamellenspannung als bei leerlaufender Maschine, weil beim Motorbetrieb an der ablaufenden Polkante eine Erhöhung der Luftspaltinduktion auftritt. Die größte Erhöhung ergibt sich an der Stelle, an welcher der konzentrische in den erweiterten Luftspalt übergeht; ein derartig ausgeprägter Bereich ist bei einem kerbförmig erweiterten Luftspalt nicht vorhanden. Durch die spezielle Form dci Luftspaltes erreicht man. daß die Spannungen zwischen den Kommutatorlamellen über den ganzen Umfang etwa konstant gehalten werden und somit keine Rundfeuergefahr am Kollektor besteht.

Durch die Ausbildung der Ankerspulen mit unterteilten Ankerleitern erreicht man eine Verringerung der Stromverdrängung und somit eine Anhebung der Leistung der Maschine. Wegen der bei unterteilten und gegeneinander isolierten Ankerleitern verringerten Wirbelstromverluste ergibt sich eine Verminderung der Zusatzverluste der Maschine. Ohne unterteilte Ankerleiter wird besonders bei hohen Drehzahlen die Nutstreuung kleinen wodurch eine Überkommutierung entsteht. Bezüglich der Befestigung der kollektorseitigen Enden der vorzugsweise stabförmigen Ankerleiter hat es sich bewährt, diese vor der Befestigung am Kollektor miteinander zu verlöten. Dabei sind zweckmäßigerweise die einzelnen Ankerwicklungsleiter am kollektorseitigen Ende übereinander angeordnet und der am Kollektor zu befestigende Ankerleiter ist langer ausgebildet als die restlichen Ankerleiter, wodurch die Befestigung am Kollektor erleichtert und verbessert wird. Die Betriebssicherheit dieser Befestigungsart ist auch noch bei hohen Temperaturen gewährleistet, welehe beispielsweise dadurch entstehen können, daß die Lüftungseinrichtung ausfällt.

Eine erfindungsgemäße Ausführung des Gleichstrommotors wird an Hand der Zeichnungen im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Ansicht des Ankers des Motors, teilweise im Schnitt,

F i g. 2 eine Ansicht des Ankerpaketträgers in Richtung des Pfeils 11 in F i g. 3,

F i g. 3 einen Schnitt durch den Ankerpaketträger (>$ nach der Linie III-III in F i g. 2,

F i g. 4 einen Schnitt durch einen Hauptpol des Gleichstrommotors und

F i g. 5 ein Wickelschema des Gleichstrommotors.

In F i g. 1 ist mit 10 eine Welle bezeichnet, weiche mittels zweier Lager ti i'nd 12 in einem nicht dargestellten Gehäuse eines Gle-chstrommotors drehbar gelagert ist und einen Ankerpaketträger 13 und einen Kollektor 14 trägt. Auf dem Ankerpaketträger 13 ist mittels Schrauben 15 ein ringförmiger Halter 16 befestigt, weicher ebenso wie der Ankerpaketträger aus Leichtmetall hergestellt ist und ein Ankerpaket 17 hält.

Mit 18 ist eine Ankerwicklung bezeichnet. Diese ist als Wellenwicklung ausgeführt und streng symmetrisch als Treppenwicklung mit zwei in jeder Nut nebeneinanderliegenden Spulenseilen ausgebildet. Die Spulen der Ankerwicklung 18 haben unterteilte, stabförmige Ankerleiter 19 bis 22, deren kollektorseitige Enden zwischen den Ankerleitern 19. 20 und 21 verschweißt sind, während der Ankerleiter 21 am Ankerleiter 22 und letzterer am Kollektor 14 durch Hartlöten befestigt ist; es sind vier Flachleiter je Kollektorlamelle vorgesehen. Die Schweißungen sind nach dem WIG-(Wo!fram-Inert-Gjs-)Schweißverfahren hergestellt, zum Hartlöten ist ein Widerstand-Hartlötverfahren verwendet. Auf diese Weise erhält man eine wirtschaftliche und betriebssichere Befestigung der Ankerleiter auf den schmalen Kollektorlamellen.

Die Ankerwicklungsstabenden wirken infolge ihrer Anordnung am Kollektor zusätzlich als Lüfterschaufeln und als Wärmetauscher. Statt WIG-Schweißen ist auch Plasmaschweißen, also ein druckloses Schweißverfahren möglich. Durch die spezielle Art der Befestigung der Ankerleiter am Kollektor erreicht man. daß die zuerst hergestellten Verbindungen durch später hergestellte Verbindungen nicht schädlich beeinflußt werden. Die äußeren Ankerleiter 19, 20 und 21 sind am kollektorseitigen Ende der Ankerwicklung übereinander angeordnet und haben gleiche Länge, während der am Kollektor 14 zu befestigende Ankerleiter 22 länger ist und auf einem Absatz des Kollektors 14 aufliegt. Da dieser Ankerleiter 22 also gegenüber den anderen Ankerleitern 19 bis 21 vorsteht, kann eine Elektrode zum Widerstands-Hartlöten ungehindert angesetzt werden. Beim Hartlöten des Ankerleiters 22 auf dem Kollektor 14 besteht weniger als beim Schweißen oder gar nicht die Gefahr, daß die Isolation zwischen den Kollektorlamellen beschädigt wird.

Aus den F i g. 2 und 3 ist der Aufbau des nabenförmigen Ankerpaketträgers 13 deutlich zu erkennen. Er ist aus Aluminium hergestellt und hat im Innern eine Bohrung 23. in der die Welle 10 sitzt. Um Gewicht zu sparen, ist das Mittelstück des Ankerpaketträgers 13 nicht massiv ausgeführt, sondern weist nur radial verlaufende Speichen 24 auf, an die sich ein äußerer Ring 25 mit einem flanschförmigen Ansatz 26 anschließt. An dem Ansatz 26 liegt das Ankerpaket 17 mit seiner einen Seite an, auf der anderen Seite wird es von dem Halter 16 gehalten und angepreßt.

In Fig.4 ist einer der sechs im Ständer sitzenden Hauptpole des Gleichstrommotors dargestellt und mit 27 bezeichnet. Bei 28 ist der Ankerumfang angedeutet. Wie aus dieser Abbildung deutlich ersichtlich, hat der Motor einen großen Hauptpol-Luftspalt 29. Die Konturen eines Polschuhs 30 am Luftspalt 29 werden durch zwei Kreisbögen 31 gebildet, deren Mittelpunkte 32 außerhalb der Mittellinie 33 des Hauptpols 27 liegen. Durch diese Gestaltung der Hauptpole erreicht man, daß die Spannungen zwischen den Kollektorlamellen über den ganzen Umfang konstant gehalten werden, wodurch die Rundfeuereefahr am Kollektor unter-

drückt wird.

Zur weiteren Gewichtsreduzierung des Motors sind außer dem zuvor beschriebenen und dargestellten Ankerpaketträger 13 auch die Lagerschilde des nicht dargestellten Motorgehäuses aus Leichtmetall hergestellt. Innerhalb des Motors ist hinter dem antriebsseitigen Lagerschild ein Drehzahlgeber angeordnet. Dadurch entfällt der sonst übliche störanfällige Anbau und Antrieb außerhalb des Motors.

In einer Versuchsreihe sind drei Motoren entwickelt worden mit Dauerleistungen von 11,16 und 26 kW für eine Batterie-Endspannung von 144 Volt und einen Drehzahlbereich von 2000 bis 6700 U/min. Die Motoren sind so ausgelegt, daß sie beim Anfahren mit doppelter Dauerleistung und von 2000 bis 6700 Umdrehungen mit l,5facher Dauerleistung betrieben werden können.

In F i g. 5 ist das Wickelschema für einen 26-kW-Motor dargestellt. Die Wicklung hat k = 100 Spulen in N - 50 Nuten und ist als Treppenwicklung ausgeführt. Der Kommutatorschritt y beträgt 33, der Wicklungsschritt y\ beträgt 17 und der Schaltschritt y2 beträgt 16.

Die Spule von Kollektorlamelle 1 liegt symmetrisch zu ihrer Mittellinie A im Ankerpaket und an den Kollektorlamellen. Ebenfalls liegt die Spule von Kollektorlamelle 2 symmetrisch zu ihrer Mittellinie B in beiden Teilen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Pa.entansprüche:

1. Gleichstrommotor mit sechs festen Haupt- und Wendepolen im Ständer und mit einer Wellenwicklung im Anker, welche streng symmetrisch als Treppenwicklung ausgebildet ist mit zwei in jeder Nut nebeneinanderliegenden Spulenseiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor zur Verwendung als Fahrmotor als fremderregter Motor ausgebildet ist. einen großen Hauptpol-Luftspalt (29) besitzt und daß die Spulen der Ankerwicklung (18) unterteilte Ankerleiter (19 bis 22) .aufweisen.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichne;, daß die Konturen der Hauptpolschuhe (30) am Hauptpol-Luftspalt (29) durch zwei Kreisbögen (31) gebildet sind, welche sich an der Mittellinie (33) der Hauptpol*: (27) treffen und deren Mittelpunkte (32) außerhalb der Mittellinien (33) der Hauptpole (27) liegen.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch ). dadurch gekennzeichnet, daß die kollektorseitigen Enden der stabförmigen Ankerleiter (19 bis 22) miteinander verschweißt sind.

4. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kollektorseitigen Enden der stabförmigen Ankerleiter (19 bis 22) miteinander hartverlötet sind.

5. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der am Kollektor (14) zu beFestigende Ankerleiter (22) langer ist als die übrigen Ankerleiter (H9 bis 21).

6. Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vier Flachdrähte je Koilektorlamelle vorgesehen sind, von denen drei vom Kollektor abgekehrte, kürzere Leiterenden miteinander verschweißt sind, während die Verbindung der drei kürzeren Leiterenden mit dem vierten längeren Leiterende und die Verbindung des längeren Leiterendes mit der zugehörigen Kollektcrlamelle durch Hartlöten, insbesondere durch Widerstands-Hartlöten hergestellt ist.

7. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Ankerleiter (19 bis 22) am kollektorseitigen Ende übereinander angeordnet sind und daß die kollektorseitigen Enden der stabförmigen Ankerleiter (19 bis 22) als Lüfierschaufeln wirken.