DE2452130C3 - Elektrische Gleichstrommaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Gleichstrommaschine mit feststehendem Feldmagneten und einem nutenlosen Glockenanker, der eine aus mehreren Wicklungsabschnitten zusammengesetzte Drahtwicklung trägt, wobei jeder Wicklungsabschnitt aus zwischen zwei Stromwenderstegen in Serie geschalteten, aus mehreren Windungen bestehenden Teilspulen besteht. Die Teilspulen sind als Spulenelemente in mindestens zwei Lagen auf dem Anker angeordnet, sowie ein Stromwender, bei dem die Bürstenbreite kleiner oder gleich der Breite der einzelnen Stromwenderstege ist.

Unter den genannten Spulenelementen sind in diesem ^ Zusammenhang Leiterelemente oder Gruppen von Leiterelementen zu verstehen, welche unter Einwirkung des feststehenden Magnetfelds zum gleichen Zeitpunkt in der gleichen Art zur Erzeugung des Motordrehmoments beitragen. Es kann sich dabei um eine Windung oder den Teil einer Windung der Ankerwicklung handeln oder auch um mehrere, aufeinanderfolgende Windungen oder Windungsteile. Insbesondere sind als Spulenelemente Leiterteile bzw. Spulenseiten anzusehen, die in gemeinsamer Nut neben- oder übereinander bzw. bei nutenlosem Anker unmittelbar benachbart angeordnet sind.

Bei Gleichstrommüschinen sind die bei oer Stromwendung induzierten Spannungsspitzen eine der Hauptursachen der Abnützung der Bürsten und des Kollektors. Um diese Spannungsspitzen so klein wie möglich zu halten, muß der während der Stromwendung kurzgeschlossene Wicklungsabschnitt in der Zone geringsten Flusses liegen. Wenn der Strom im Anker zunimmt, müßte die Lage der Bürsten in bezug auf die ideale Lage unter Belastung verändert werden. Diese Korrektur ist jedoch nur im Fall eines Motors mit einer Drehrichtung und bei konstanter Belastung möglich.

Um die Auswirkungen der induzierten Spannungsspitzen zu verringern, benützt man auch zu den Spulen parallelgeschaltete Widerstände, wobei es sich um spannungsabhängige Widerstände oder Halbleiterelemente handeln kann. Diese Hilfskreise besitzen den Nachteil, daß sie Strom verbrauchen und den Wirkungsgrad des Motors herabsetzen. Auch wird dadurch in den meisten Fällen der Herstellungspreis des Motors beträchtlich erhöht.

Es ist ferner bekannt (GB-PS 144175), unter anderem zur Verminderung des Bürstenfeuers, bei einer Maschine des eingangs genannten Typs die Anzahl der Stromwenderstege gegenüber der Anzahl Nuten des Ankers zu verdoppeln und die so erhaltenen Stromwenderstege abwechselnd mit den Enden der entsprechenden Ankerspulen und mit Mittenanzapfungen derselben zu verbinden. Bei dieser Anordnung ergeben sich in Spulenseiten, die in der Stromwendezone liegen, einander entgegengesetzte Stromrichtungen.

Die Verdoppelung der Anzahi Stromwenderstege ist jedoch in vielen Fällen nicht möglich, beispielsweise bei Kleinstmotoren aus Platzgründen, immer aber bringt sie eine beträchtliche Verteuerung des Stromwenders mit sich. Zudem wird der Erfolg der bekannten Maßnahme dadurch stark beeinträchtigt oder sogar zunichte gemacht, daß die auftretenden Spannungsspitzen zwar verringert sind, dafür aber auf schmälere und daher weniger widerstandsfähige Stromwenderstege und Bürsten wirken.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden und die Abnützung des Stromwenders auf einfache und wirkungsvolle Weise zu verringern, insbesondere ohne die Anzahl Stromwenderstege zu erhöhen und ohne die Herstellung der Wicklung zu erschweren.

Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I angegebene Maßnahme bewirkt. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unleransprüchen beschrieben.

Es ist zu bemerken, daß bei einer als Latour-Wicklung bekannten Anordnung (Brown-Boveri-MitteÜungen, 1968, S. 569-583), bei der zusätzlich eine Hilfswicklung verwendet wird, auch Spulenseiten der Hauptwicklung kurzzeitig von entgegengesetzten Strömen durchflossen werden, jedoch lediglich während der Dauer der Kommutierung.

Irn Gegensatz dazu tritt diese Wirkung bei der

erfindungsgemäßen Anordnung nach jeder Kommutierung, insbesondere nach dem Abklingen der durch die Kommutierung bedingten Ausgleichsvorgänge auf und dauert bis zum Beginn der nächsten Kommutierung an.

Die Erfindung ermöglicht eine wesentliche Erhöhung der Lebensdauer des Stromwenders, insbesondere bei hohen Wicklungsinduktivitäten. Sie erfordert keine Erhöhung der Anzahl Stromwenderstege und auch die Wicklung ist mindestens genauso einfach herzustellen wie eine übliche Wicklung.

Die beigefügte Zeichnung zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele der Ankerwicklung einer erfindungsgemäßen Maschine.

Fig. IA zeigt schematisch die Ausbildung einer zweilagigen Wicklung eines Motors mit neun Stromwenderstegen.

F i g. 1B zeigt in analoger Weise einen bekannten Wicklungsaufbau.

Fig.2A zeigt schematisch die Abwicklung der Ankeroberfläche eines Motors mit nach Fig. IA geschalteter Schrägwicklung.

F i g. 2B zeigt in analoger Weise die Ankeroberfläche im Fall der Wicklung nach F i g. 1B.

F i g. 3 zeigt schematisch eine Wicklung mit 3 Lagen und

F i g. 4 eine Wicklung mit 4 Lagen für einen Motor mit neuen Stromwenderstegen.

In den F i g. 1 A, IB, 3 und 4 ist der Stromwender Cdes entsprechenden Motors schema tisch durch neun Stromwenderstege 1 bis 9 dargestellt, wobei die Stege 1 bis 9 durch nicht dargestellte Leiter mit den entsprechenden Punkten der Wicklung ßverbunden sind.

In den Fig. IA und IB wird die Wicklung B durch eine Anzahl Spulen b und b' gebildet, die schematisch dargestellt sind und die erwähnten Spulenelemente bilden. In diesem Fall sind die Spulen in zwei übereinanderliegenden Lagen angeordnet, die je neun Spulen b bzw. b' enthalten. Diese Wicklung kann beispielsweise eine gleichmäßige Schrägwicklung sein, wie sie schematisch in den F i g. 2A und 2B gezeigt ist.

F i g. 1/. zeigt die Serienschaltung der Spulen b und b' im erfindungsgemäßen Motor, während F i g. 1B zum Vergleich die übliche Schaltung veranschaulicht. Es ist zu bemerken, daß bei der üblichen Schaltung die einen Abschnitt bildenden Spulen radial übereinanderliegen, während bei der Anordnung nach Fig. IA die beiden einen Wicklungsabschnitt bildenden Spulen in der Umfangsrichtung des Ankers nebeneinander liegen, so daß sie eine größere Fläche auf dem Anker überdecken.

In Fig. IA sind die Anschlußpunkte, an denen die so Wicklung B mit den ^sprechenden Stromwenderstegen verbunden ist, zwischen den Spulenelementen jedes Paares -on übereinanderliegenden Spulenelementen b, /»'angeordnet.

Aus diesem Grund und im Gegensatz zum Fall der F i g. 1B, fließt der Strom in den übereinanderliegenden, in der Stromwendezone liegenden Spulenelementen (Punkt 2) in entgegengesetzter Richtung, wenn der entsprechende Stromwendersteg mit einer Bürste in Kontakt steht Die beiden übereinanderliegenden Spulenelemente üben daher eine entgegengesetzte Wirkung aus, so daß eine Rompensation der induzierten gegenelektromotorischen Kraft stattfindet. Die anderen Spulenelemente wirken dagegen jeweils im gleichen Sinn. Die Stromrichtung in den einzelnen Elementen ist in der Zeichnung durch Pfeile angegeben und zwar für den Fall, daß die Stromwenderstege 2, 6 und 7 von den Bürsten berührt wetdrn.

Es ist zu bemerken, daß bei der Anordnung der nach F i g. 1B in Serie geschalteten Spulenelemente die gleiche Wirkung erzielt werden kann, wenn die Anschlußpunkte so wie in F i g. 1A jeweils zwischen die entsprechenden übereinanderliegenden Spulenelemente b, b 'gelegt werden.

Die Fig.2A und 2B zeigen schematisch die Abwicklung der zylindrischen Ankeroberfläche für die beiden Anordnungen gemäß Fig. IA und IB, und zwar im Fall einer regelmäßigen Schrägwicklung. Bei einer solchen Wicklung wird jede Spule b oder Z)'durch zwei schräge Leiterstücke dargestellt, deren Verbindung mit dem Stromwender entlang einer Seite des Ankers erfolgt Die in den Fig.2A und 2B eingezeichneten Pfeile zeigen die Anschlußpunkte der Wicklung und die entsprechende Stromrichtung für die drei Stromwenderstege, die bei der Stromwendung mit den Bürsten in Kontakt stehen. Ferner sind in diesen Figuren die Grenzen des stationären Magnetfeldes für die entsprechende Ankerstellung strichpunktiert eingetragen. Die schraffierten Flächen zeilen in jedem dieser Fälle die bei der Stromwendung kurzgeschlossenen Zonen, die durch die äußeren Wicklungsteile der zwei den entsprechenden Wicklungsabschnitt bildenden Spulen begrenzt werden. Die schematische Darstellung zeigt deutlich, daß die kurzgeschlossene Räche im erfir,uungsgemäßen Motor symmetrisch und in beträchtlichem Umfang vergrößert ist was auf die Schaltung der Spulen gemäß Fig. IA zurückzuführen ist Dadurch werden die bei der Stromwendung induzierten Spannungsspitzen verkleinert ohne daß die Anzahl der kurzgeschlossenen Spulenteile verändert wird. Der ohmsche Widerstand des Motors, seine Leistung und die Welligkeit seines Drehmoments in Abhängigkeit von der Ankerstellung bleiben praktisch unverändert

F i g. 3 zeigt ein Beispiel der Verbindung der einzelnen Spulen im Fall einer Wicklung mit drei Lagen von Spulenelementen b, b'und b", und Fig.4 zeigt ein entsprechendes Beispiel mit 4 Lagen von Spulenelementen b, b', b", b"'. Die in jedem Wicklungsabschnitt in Serie geschalteten Spulenelemente sind in Umfangsrichtung des Ankers verschoben, wodurch eine vergleichsweise große Fläche auf dem Anker von ihnen überdeckt wird. Im Fall einer regelmäßiger. Schrägwicklung kann der Abstand der äußersten Wicklungsteile der Spulen jedes Wicklungsabschnitts in Umfangsrichtung zweimal (F i g. 4) oder dreimal (F i g. 3) größer sein als der Abstand der äußersten Wicklungsteile einer einzigen Spule, das heißt ein Neuntel des Ankerumfangs. Die F i g. 1A, 3 und 4 zeigen ferner, daß je nach der Anzahl Stronwenderstege und Wicklungslagen, die Spulenelemente jedes Wicklungsabschnitts entweder in der gleichen Wicklungslage oder in verschiedenen Wicklungslagen angeordnet sind.

Im Fall der Fig.3 sind die zu einem Wicklungsabschnitt gehörenden Spulenelemente nicht übereinander angeordnet und die aufeinanderfolgenden Abschnitte überdecken sich teilweise. In der Anordnung nach F i g. 4 enthkl» jeder Abschnitt zwei Paare von übereinanderliegenden Spulenelementen, die in Umfangsrichtung nebenelnänderliegen.

Entsprechend dem wesentlichen Merkmal der erfindungsgemäßen Wicklungen ist die Verbindung eier übereinanderliegenden Spulenelemente oder, was gleichbedeutend ist, die Anordnung der in Serie geschalteten Spuleneleniente, sowie die Lage der Anschlußpunkte des Stromwenders so gewählt, daQ in

den Spulenelementen, die über einer direkt mit dem von der Bürste berührten Stromwendersteg (Punkt 2) liegen und die im Stromwendebereich liegen, der Strom in entgegengesetzter Richtung fließt, wie es die Pfeile in den F i g. 3 und 4 /eigen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektrische Gleichstrommaschine mit feststehendem Feldmagneten und einem nutenlosen Glockenanker, der eine aus mehreren Wicklungsabschnitten zusammengesetzte Drahtwicklung trägt, wobei jeder Wicklungsabschnitt aus zwischen zwei Stromwenderstegen in Serie geschalteten, aus mehreren Windungen bestehenden Teilspulen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß mit den zugehörigen Stromwenderstegen (1 bis 9) verbundene Anschlußpunkte der Ankerwicklung sich jeweils zwischen zwei Teilspulen (b, b') befinden, deren parallel verlaufende Drähte entweder übereinander oder unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.

2. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, in der die Wicklung aus zwei Lagen von übereinanderliegenden Teilspulen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromwenderstege (1 bis 9) jeweils mit den Verbinduiigspunkten zwischen den Teilspulen jedes Paars von übereinanderliegenden Teilspulen verbunden sind.

3. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, in der die Ankerwicklung durch drei Lagen von übereinanderliegenden Teilspulen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilspulen eines Wicklungsabschnitts nebeneinander angeordnet sind und aufeinanderfolgende Wicklungsabschnitte einander teilweise überdecken.

4. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, in der die Ankerwicklung durch vier Lagen von übereinanderliegenden Teilspulen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dail jeder Wicklungsabschnitt zwei nebeneinanderiiegende Paare von übereinanderliegenden Teilspulen aufweist

5. Elektrische Gleichstrommaschine mit feststehendem Feldmagneten und einem mit Nuten versehenen Anker, der eine aus mehreren Wicklungsabschnitten zusammengesetzte Wicklung trägt, wobei jeder Wicklungsabschnitt aus zwischen zwei Stromwenderstegen in Serie geschalteten Teilspulen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß mit den zugehörigen Stromwenderstegen (1 bis 9) verbundene Anschlußpunkte der Ankerwicklung sich jeweils zwischen zwei Teilspulen (b. b') befinden, deren Spulenseiten in den gleichen Nuten untergebracht sind.

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