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Gleichstrom-Drehmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstrom-Drehmaschine.
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Bei den unter die Kategorie der Gleichstrom-Drehmaschinen fallenden
Gleichstrom-Motoren ist es üblich, daß der vom Ankerstrom erzeugte magnetische Fluß
um 900 im elektrischen Winkel gegenüber dem vom Feldsystem erzeugten magnetischen
Fluß versetzt wird, um dadurch ein Drehmoment zu erzeugen. Bei dem allgemein bekannten
Elektromotor mit Permanentmagnet-Anregungskommutator veranlaßt beispielsweise der
Kommutator, daß der vom Anker erzeugte magnetische Fluß um 900 gegenüber dem vom
Feld.-Permanentmagnet erzeugten
magnetischen Fluß verzögert wird.
Weiterhin ist es auch für bürstenlose Motoren, die einen Permanentmagneten als Rotor
benutzen, bekannt, den vom Rotor erzeugten magnetischen Fluß durch ein Lage-Feststellelement,
zum Beispiel ein Hall-Element oder dergleichen, festzustellen und die Ankerspule
so anzuregen, daß der dabei erzeugte Ankerfluß um 900 gegenüber dem vom Rotor erzeugten
Fluß voreilt.
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Bei diesen üblichen Gleichstrom-Drehmaschinen wird die Speiseleistung
zur Ankerspule sequentiell umgeschaltet, um einen Ankerfluß zu erzeugen, der um
einen vorbestimmten elektrischen Winkel gegenüber dem Feld-Fluß versetzt ist; und
dieses gibt Anlaß zu während des Umschaltens des Treibstroms auftretenden Stromänderungen,
die ihrerseits eine änderung des Drehmomentes zur Folge haben. Eine derartige Drehmomentänderung
ist bisher durch die Ausnutzung der Motorträgheit oder durch Verwendung eines Schwungrades
zu beseitigen versucht worden; es war Jedoch schwierig, bei den üblichen Drehmaschinen
sämtliche Drehmomentschwankungen zu beseitigen. Des weiteren würde, wenn die vorstehend
beschriebenen Gleichstrom-Drehmaschinen als Gleichstromgeneratoren benutzt würden,
eine pulsierende Spannung anstelle des schwankenden Drehmomentes erzeugt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Gleichstrom-Drehmaschine
einfacher Bauart bereitzustellen, bei der die vorstehenden Nachteile der üblichen
Gleichstrom-Drehmaschinen beseitigt sind, Insbesondere soll Vorsorge auch dafür
getroffen werden, daß die
Gleichstrom-Drehmaschine keine mechanischen
oder elektrischen Kommutatormittel benötigt, und weiterhin auch dafür, daß die Gleichstrom-Drehmaschine
in Folge einer neuartigen Anordnung von Feldsystem und Anker in sehr flachem Aufbau
gehalten werden kann. Speziell soll dabei auch die Gleichstrom-Drehmaschine so entworfen
sein, daß sämtliche Drehmomentschwankungen während Jeder Drehung auch bei der ins
Auge gefaßten flachen Ausführung unabhängig davon vermieden werden können, ob es
sich um eine bürstenlose Drehmaschine oder nicht handelt.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen gekennzeichnet
und in der Zeichnung anhand einiger AusfUhrungsbeispiele beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 eine Schrägansicht zur Erläuterung des der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Drehmaschine
zugrundeliegenden Prinzips, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1
Fig. 3 eine Axial-Schnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Drehmaschine,
Fig. 4 eine Schrägansicht des in der Anordnung nach Fig. 3 benutzten Rotor-Bauteils,
Fig. 5 eine Axialschnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Gleichstrom-Drehmaschine in bürstenloser Ausführung und Fig. 6 eine Schrägansicht
des in der bürstenlosen Gleichstrom-Drehmaschine nach Fig. 5 benutzten Rotors.
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In der Prinzipdarstellung nach Fig. 1 bedeuten die Bezugsziffer 1
die
Rotor-Welle und die Bezugsziffern 2 bis 9 radial verlaufende und senkrecht zur Welle
1 angeordnete Leiterstücke. Ein parallel zur Rotor-Welle 1 und senkrecht zu den
Leiterstücken orientiertes Magnetfeld H wirkt gleichförmig auf letztere ein.
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Wenn die Ströme 12 - I9 Je durch ihre entsprechenden Leiter in den
durch die Pfeile angegebenen Richtungen fließen, wird die elektromagnetische Kraft
entsprechend der Flemming'schen Linken-Hand-Regel an Jedem der Leiterstücke 2 bis
9 in einer Richtung auftreten, die tangential zu einem zur Rotor-Welle 1 zentrierten
Kreisumfang verläuft.
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Daher werden bei fixiertem, auf die Leiterstücke in der dargestellten
Weise einwirkendem gleichförmigem Magnetfeld die Leiterstücke in vorbestimmter Richtung
um ihre Mittelachse gedreht, und man hat einen Gleichstrom-Motor.
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Entsprechend Fig. 2, die eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig.
1 darstellt, liegen die inneren Enden der Leiterstücke 2 bis 9 auf einem Kreis des
Radius R1 um die Rotor-Welle 1, und die Außenenden der Leiterstücke auf einem hierzu
konzentrischen Kreis R2. Weiterhin bedeuten verallgeme:nernd n die Anzahl der Leiterstücke,
I der diese durchfließende Strom und H das hierauf einwirkende Magnetfeld. Die auf
die einzelnen Leiterstücke einwirkenden Momente der elektromagnetischen Kräfte verlaufen
in der gleichen Richtung relativ zur Welle 1, und das Drehmoment T, das auf alle
Leiterstücke einwirkt, ist gegeben durch
Hierin bedeutet ,ao die magnetische Permeabilität des Vakuums.
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In vorstehender Gleichung (1) sind n, R1 und R2 durch die Konstruktion
des Ankers bestimmt; hieraus folgt, daß das Drehmoment T proportional zur Größe
des Magnetfeldes H und zur Größe des durch die Leiterstücke fließenden Stroms I,
aber unabhängig von der Winkellage Jedes Leiterstücks relativ zur Welle 1 ist.
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Demgemäß ist eine entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Prinzip
gebaute Gleichstrom-Drehmaschine vollständig frei von Drehmoment-Schwankungen (oder
-Pulsierungen).
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Bei dem nach diesem Prinzip aufgebauten Ausführungsbeispiel nach Fig.
3 und 4 ist das Außengehäuse der dargestellten Drehmaschine aus einem zylindrischen
Topf 13 und diesen verschließenden Deckel 10 aufgebaut; die Teile 10 und 13 bestehen
aus unmagnetischem Material. Bürsten 12 und 15 sind am Deckel 10 bzw. am Außenzylinder
13 mit Hilfe von Isolatoren 11 bzw. 14 befestigt. Auf der Deckelinnenseite und am
Topfboden sind Permanentmagnete 17 und 19 über zwischengeschaltete Weicheisenkerne
16 und 18 befestigt. Die Permanentmagnete 17 und 19 sind in paralleler Richtung
zur Rotor-Welle 20 Jedoch entgegengesetzt zueinander magnetisiert, wie dieses durch
die Pfeile in Fig. 3 dargestellt ist. Die Eisenkerne 16 und 18 liegen in Form flacher
Platten vor und bilden den Stator der Drehmaschine.
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Die Rotor-Welle ist am Gehäuse in Drehlagern 26 und 27 gelagert und
teilt den auf ihr befestigten Eisenkern 21 des Rotors. Die
Oberfläche
des flachen Teils des Eisenkerns 21 ist mit einer Isolierschicht 22 belegt, auf
der Leiterstücke 23 in der in Fig. 4 dargestellten Weise angeordnet sind. Die Leiterstücke
23 sind radial um die Welle 20 verteilt und ihre gegenüberliegenden Enden sind mit
Kollektorringen 24 bzw. 25 verbunden. Der so aufgebaute Rotor bildet kleine Luftspalte
zu den Magnetoberflächen des Stators.
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Bei der solcherart aufgebauten Drehmaschine sind die Magnetflußwege
die durch die Pfeile in Fig. 3 dargestellten, und in den Lurtspalten wirkt der magnetische
Fluß auf Jedes Leiterstück in senkrechter Richtung ein. Deshalb verläuft, wenn Gleichstrom
über die Bürsten 12, 15 in Je gleicher Richtung zu den einzelnen Leiterstücken fließt,
die zwischen dem Magnetpol 17 und den hierzu gegenüberliegenden Teilen der Leiterstücke
23 erzeugte elektromagnetische Kraft in derselben Richtung wie die elektromagnetische
Kraft, die zwischen dem Magnetpol 19 und den hierzu gegenüberliegenden Teilen der
Leiterstücke 23 erzeugt wird, so daß ein Drehmoment im Rotor entsteht, das die Welle
20 antreibt. Das solcherart erzeugte Drehmoment wird, wie erwähnt, frei von Schwankungen
sein.
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Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung wird, wenn die Welle 20
von einer äußeren Kraft gedreht wird, eine Gleichspannung in den Leiterstücken induziert,
was bei Belastung der dann als Generator arbeitenden Drehmaschine zur Abgabe eines
gleichermaßen schwankungsfreien Gleichstromes führt. Bei der dargestellten Anordnung
sind die Leiterstücke 23 sämtlich zwischen den Kollektorringen 24 und 25 parallel
geschaltet, so daß die Innen-Impedanz des Ankers niedrig ist. D.h. die dargestellte
Anordnung liefert eine Gleichstrom-Drehmaschine,
die mit niedriger
Spannung und hohem Strom betreibbar ist.
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Aus Gleichung (1) ergibt sich für das Drehmoment T
Wenn der Ankerstrom i=nI ist, dann ergibt sich für das Drehmoment
Bei der in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich
um eine bürstenlose Gleichstrom-Drehmaschine. In diesen Figuren bezeichnen die Bezugsziffer
110 eine Frontplatte aus weichmagnetischem Material und 130 eine Rückplatte aus
demselben Material. Die beiden Platten bilden zusammen (mit einer Zylinderwandung)
das Gehäuse für die Drehmaschine. Lager 26 und 127 sind an den Platten 110 bzw.
130 befestigt-und dienen zur drehbaren Lagerung einer Rotor-Welle 120. Die Platten
110 und 130 sind mit ordnungen versehen, über wel e von außen her der Anker spule
Strom zugeführt werden kann.
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Der Außenzylinder 113 des Gehäuses besteht gleichfalls aus weichmagnetischem
Material, an ihm ist der Eisenkern 121 des Stators befestigt. Die Oberfläche des
Kerns 121 hat einen isolierenden Belag 122, auf dem teiterstücke 123 befestigt sind.
Die Leiterstücke 123 umfassen eine Vielzahl Leiter, die senkrecht zur Rotor-Welle
120
sowie radial von diesen weg verlaufend angeordnet sind. Die
Leiterstücke sind mit ihren gegenüberliegenden Enden an Kollektorringe 124 und 125
angeschlossen. Der so gebaute Anker wird vom Außenzylinder 113 zur Bildung des Stators
gehalten.
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Der Rotor umfaßt zwei flache, Permanentmagnete bildende Platten, die
in Richtung parallel zur Rotor-Welle 120 zwar gleichförmig, Jedoch entgegengesetzt
zueinander magnetisiert sind. Die in Fig. 5 eingezeichneten Pfeile geben die Richtungen
der Magnetflüsse wieder.
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135 ist ein aus unmagnetischem Material bestehendes Rotor-Halteglied.
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Würde dieses Halteglied 135 aus magnetischem Material hergestellt,
so würden die Magnetflüsse hierüber verlaufen, um ein umgekehrtes Drehmoment in
Jenen Teilen der Ankerleiter zu erzeugen, die parallel zur Rotor-Welle verlaufen.
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Die Permanentmagnete 117 und 119 sind also, wie erwähnt, an der Rotor-Welle
120 mit Hilfe des Rotorhaltegliedes 135 aus unmagnetischem Material, z. B. aus rostfreiem
Stahl oder dergleichen, befestigt. Die einander gegenüberstehenden Seiten der Permanentmagnete
sind den Leiteroberflächen des Stators unter Einhaltung leichter Luftspalte hierzwischen
zugewandt.
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Wenn bei dieser Anordnung Gleichstrom über den Anschlußleiter 112,
den Anker und den Anschlußleiter 115 hindurchgeschickt wird, so fließen richtungsmäßig
entgegengesetzte, Jedoch senkrecht zur Achse der Welle 120 orientierte Ströme durch
die Teile 123a und 123b der Leiterstücke, welche den den Rotor bildenden Magneten
Je in Luftabstand gegenüberstehen. Andererseits wirken die Magnetfelder gleichfalls
in
entgegengesetzter Richtung in den Jeweiligen Luftspalten, so daß die in den Teilen
123a und 123b erzeugten elektromagnetisehen Kräfte in derselben Richtung verlaufen.
Als Folge hiervon erfährt der Rotor ein Drehmoment, das er auf die Achse 120 überträgt.
Die Ankerleiter können bei der dargestellten Anordnung alternativ durch eine leitende
Schicht gebildet sein, die auf den Isolierbelag des Ankerkerns 121 aufplattiert,
aufgedampft oder aufgedruckt ist. Auch bei der bürstenlosen Gleichstrom-Drehmaschine
ist das erzeugte Drehmoment unabhängig von der relativen Lage zwischen Rotor und
Stator, was zu einem Elektromotor führt, dessen Drehmoment schwankungsfrei ist.
Auch seine Verwendung als Gleichstromgenerator wird zur Lieferung eines pulsierungsfreien
Gleichstroms führen. Bei der dargestellten Ausführungsform gilt hinsichtlich der
Einspeisungsstelle für den Strom zu den Ankerleitern 123, daß vorzugsweise eine
Vielzahl Einspeisungspunkte in zentrierter Anordnung vorgesehen werden, da es vorzuziehen
ist, daß die Ströme bezüglich der Rotor-Welle 120 zentriert verlaufen.
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Bei der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Drehmaschine ist also das erzeugte
Drehmoment frei von Schwankungen während Jeder Umdrehung, was bei Verwendung als
Elektromotor zu einem vollständig schwankungsfrei und gleichförmig drehenden Motor
führt. Bei Verwendung als Generator gibt die Gleichstrom-Drehmaschine einen Gleichstrom
ab, der keinerlei Schwankungen in der erzeugten Spannung enthält. Es sind also keine
mechanische oder elektrische Kommutatormittel bei der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Drehmaschine
erforderlich, die demgemäß sehr einfach aufgebaut und insbesondere auch sehr klein
gehalten
werden kann. Die Erfindung ist daher insbesondere bei
kleinen Glaichstrom-Motoren und -Generatoren von hohem Nutzen.