DE2749999A1 - Gleichstrommotor - Google Patents

Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

-3·

Patentconsult Radedcestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsull Sonnenberger StraOe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

FUJITSU PANUC LIMITED 77/8753

5-1* Asahigaoka 3-chome,
Hino-shi,
Tokyo, Japan

Beschreibung

Gleichstrommotor

Die Erfindung betrifft einen Aufbau eines Gleichstrommotors, insbesondere den Aufbau eines Gleichstrommotors mit einer Drehgeschwindigkeit, die über einen weiten Bereich geändert werden kann.

Bekanntlich werden Anker- oder Rotorwicklungen eines Gleichstrommotors, die in einem von Feldmagneten erzeugten Magnetfluß angeordnet sind, mit elektrischem Strom gespeist, und

München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. - P. Hirsch Dipl.-Ing. · H.P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Df. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dlpl.-W.-Ing.

809819/1004

27A9999

daraufhin dreht sich der Anker oder Rotor durch das Zusammenwirken von Ankerstrom und Magnetfeld. Die Richtung des dem Anker zugeführten Stroms v;ird entsprechend der Ankerdrehung unter Verwendung eines Kommutators und einer Bürste kommutiert.

Wenn dem Anker eines solchen Gleichstrommotors Ankerstrom zugeführt wird, werden von diesem Ankerstrom rund um den Anker Magnetfelder erzeugt. Die vom Ankerstrom erzeugten Magnetfelder haben verschiedene Einflüsse auf den von dem Feldmagneten erzeugten Magnetfluß, die generell als Ankerreaktionen bezeichnet werden. Solche Ankerreaktionen sind beispielsweise

a) eine Verschiebung der elektrischen neutralen Achse,

b) eine Verringerung des Magnetflusses und

c) eine Ungleichmäßigkeit der Spannung am Kommutator und örtliche Hochspannung am Kommutator.

Eine der Ankerreaktionen besteht in einer oben unter a) erwähnten Erscheinung, die darin besteht, daß der vom Ankerstrom erzeugte Magnetfluß die elektrisch neutrale Achse gegenüber der durch die Feldmagneten definierten geometrisch neutralen Achse verschiebt. Wenn die elektrisch neutrale Achse verschoben ist, kann der Magnetfluß die geometrische Achse überschreiten. Wenn der erwähnte Marnetfluß mit den Ankerwicklungen verkettet ist, wird in den Ankerwindungen eine Spannung induziert. Wenn sich eine Bürste auf der geo-

809819/1004

metrisch neutralen Achse befindet, wird folglich die induzierte Spannung kurzgeschlossen, und es kommt zu einer Funkenbildung. Infolgedessen fließt ein hoher elektrischer Strom zur Bürste, und die Kommutierung wird schwierig. Mit anderen V/orten, die Kommutierungseigenschaften werden verschlechtert.

Um die Verschlechterung der Kommutierungseigenschaften zu verhindern, wird gewöhnlich ein Zwischenpol an einer Stelle zwischen zwei benachbarten Feldmagneten angeordnet. In manchen Fällen, beispielsweise in einem Fall, in welchem die erforderlichen Eigenschaften des Motors ein Lecken des Magnetflusses durch den Zwischenpol nicht erlauben, ist es jedoch schwierig, den Zwischenpol so anzuordnen,' daß die Verschlechterung der Kommutierungseigenschaften verhindert wird.

motor Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gleichstrom/ verfügbar zu machen, bei dem eine Verschiebung der elektrisch neutralen Achse gegenüber der geometrisch neutralen Achse und eine Verschlechterung der Kommutierungseigenschaften verhindert werden kann.

Weiterhin soll ein Gleichstrommotor verfügbar gemacht werden, der nahezu frei von einer Verschlechterung der Kommutierungseigenschaften ist, ohne Verwendung des erwähnten Zwischenpols

27 A 9 rf H

oder mit kleineren Zwischenpolen, wenn Zwischenpole erforderlich sind.

Ferner soll der Aufbau eines solchen Gleichstrommotors relativ einfach sein.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet und in den Unteransprüchen vorteilhaft weitergebildet.

Im folgenden wir die Erfindung anhand von Ausführungsformen und durch Gegenüberstellung mit einem bekannten Motor näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. l(a)eine Abwicklungsdarstellung eines herkömmlichen Gleichstrommotors mit Feldmagneten und Ankerwicklungen;

Fig. l(b) ein Diagramm zur Erläuterung der Erscheinung, daß sich die elektrisch neutrale Achse gegenüber der geometrisch neutralen Achse verschiebt, und zur Darstellung der Beziehungen zwischen Positionen längs der Ankerdrehrichtung und dem Magnetfluß, der durch Magnetfelder und die in Fig. l(a) gezeigten Ankerwicklungen erzeugt wird;

Fig. 2(a) eine Abwicklungsansicht eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors zur Darstellung des erfindungsgemäßen Prinzips;

809819/1004 " ⁷ "

Fig. 2(b) ein Diagramm zur Darstellung der Beziehungen zwischen Positionen längs der Ankerdrehrichtung und dem Magnetflußjder durch Magnetfelder und die Ankerwicklungen erzeugt wird;

Fig. 3 eine Abwicklungsansicht einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 4 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors; und

Fig. 5 eine Querschnittsansicht längs Linie V-V in Fig. 4.

Zunächst folgt eine Erläuterung bezüglich eines bekannten Gleichstrommotors. Und zwar wird die Erscheinung, daß die elektrisch neutrale Achse bei herkömmlichen Gleichstrommotoren gegenüber der geometrischen Achse verschoben wird, und daß die Kommutierungseigenschaften verschlechtert werden, anhand der Fig. 1 erläutert.

Der herkömmliche Gleichstrommotor weist Feldmagneten 1 auf, wie sie in Fig. l(a) gezeigt sind. Wenn der Anker nicht erregt ist, d. h., wenn in Ankerwindungen J> kein Ankerstrom fließt, ist der durch die Feldmagneten erzeugte Magnetfluß gleichförmig entlang der Längsrichtung der Feldmagneten 1 verteilt, wie es in Fig. l(b) durch eine gestrichelte Linie A gezeigt ist.

609819/100*

Vom theoretischen Standpunkt aus gesehen besitzt der Magnetfluß, der nur durch den in den Ankerwindungen 3 (Fig. l(a)) fließenden Ankerstrom erzeugt wird, bei einer grafischen Darstellung, bei der der Betrag des Magnetflusses in Ordinatenrichtung und die Position in Abszissenrichtung aufgetragen ist, eine geneigte Linie, die in der Mitte des Peldmagneten 1 null ist und in der Mitte der durch zwei benachbarte Feldmagneten gebildeten Lücke 2 einen Maximalwert aufweist. Da die Lücke 2 einen großen magnetischen Widerstand aufweist, besitzt die Verteilung des durch den Ankerstrom erzeugten Magnetflusses bei praktischer. Verwendung einen Maximalwert bei einem Punkt, der dem Ende des Feldmagneten benachbart ist, wie es in Fig. l(b) durch eine strichpunktierte Linie B gezeigt ist. Wenn die Ankerwindungen 3 mit Ankerstrom versorgt werden, stören sich infolgedessen der von den Feldmagneten erzeugte Magnetfluß (durch die gestrichelte Linie A gezeigt) und der vom Ankerstrom erzeugte Magnetfluß (durch die strichpunktierte Linie B gezeigt). Infolgedessen kann man eine deformierte Verteilungskurve des Magnetflusses erhalten, wie sie durch eine durchgehende Linie C dargestellt ist.

Wenn die Verteilungskurve des Magnetflusses gemäß der durchgezogenen Linie C deformiert ist, ist die elektrisch neutrale Achse E gegenüber der geometrisch neutralen Achse D, die als Mitte zweier benachbarter Feldjnagnete entlang der Längsrichtung des Feldmagneten 1 definiert ist, verschoben. Daher wird

809819/1004

durch den Magnetfluß eine Spannung in den Ankerwindungen 3 induziert, die zur geometrisch neutralen Achse D positioniert sind. Wenn sich auf der geometrisch neutralen Achse eine Bürste zur Kontaktbildung mit einem Kommutator befindet, wird die induzierte Spannung zwischen dem Kommutator und der Bürste kurzgeschlossen, und es wird ein Lichtbogen erzeugt. Folglich wird eine Verschlechterung der Kommutierungseigenschaft bewirkt.

Um die beschriebene Verschlechterung der Kommutierungseigenschaften zu verhindern oder zu vermindern, wird gewöhnlich ein (nicht gezeigter) Zwischenpol an einer Position zwischen den Feldmagneten so angeordnet, daß die Verteilung des Magnetflusses verbessert wird. Wenn jedoch lediglich ein Zwischenpol benutzt wird, um eine Verschiebung der elektrisch neutralen Achse zu verhindern, muß vom Zwischenpol ein sehr starker Magnetfluß erzeugt werden, um dem vom Ankerstrom erzeugten Magnetfluß entgegenzuwirken. Zu diesem Zweck wird das Volumen des Zwischenpols, speziell dessen Querschnittsfläche, oft erhöht. Der von den Feldmagneten erzeugte Magnetfluß kann jedoch durch einen Zwischenpol mit einer großen Querschnittsfläche lecken oder streuen. Das Lecken des Magnetflusses bewirkt eine Verschlechterung des Verhaltens des Gleichstrommotors. Zusätzlich kann ein Zwischenpol, an den ZufUhrungsleitungen angeschlossen sind, den Aufbau des Gleichstrommotors kompliziert machen.

Eine andere bekannte Methode, die erwähnte Verschlechterung der

- 10 -

109810/1004

- ¹⁰ - 27A9999

Kommutierungseigenschaften abzuwenden, besteht darin, einen Feldmagneten und einen Anker oder Rotor so anzuordnen, daß der Abstand zwischen Feldmagnet und Anker an jedem Ende des Feldmagneten groß und in der Mitte des Feldmagneten klein ist. Diese Methode reicht jedoch nicht aus, um die erwähnte Verschiebung der elektrisch neutralen Achse zu kompensieren. Da diese Methode den Abstand zwischen Feldmagnet und Anker wesentlich erhöht, kann andererseits der die Ankerwindungen verkettende Magnetfluß verringert werden, was eine Verschlechterung des Verhaltens des Gleichstrommotors nach sich zieht.

Das erfindungsgemäße Prinzip wird nun anhand der Figur 2 erläutert.

Gemäß Fig. 2(a) umfaßt jede von zwei benachbarten Feldmagneteinrichtungen 10 drei Teile, die entlang der Drehrichtung eines Ankers angeordnet sind (in Fig. 2(a) sind lediglich Ankerwindungen 22 gezeigt, die um den Anker gewickelt sind). Diese drei Teile umfassen einen Hauptpol 12, der in einer Mittenposition der Feldmagneteinrichtung 10 angeordnet ist, und Hilfspole 14, 16, von denen einer an einer Endstelle der Feldmagneteinrichtung 10 und der andere an der anderen Endstelle der Feldmagneteinrichtung 10 angeordnet ist. Der Hauptpol 12 besitzt lamellenartig geschichtete Magnetkernteile, wie Siliciumstahlbleche, um die Feldwindungen l8 gewickelt sind, so daß der Hauptpol 12

- 11 -

809819/1004

elektromagnetisch erregt werden kann. Bei einer anderen Ausführungsform, wie sie in Pig. 3 gezeigt ist, kann der Hauptpol 12 aus permanentmagnetischem Material, wie Alnico, Alcomax oder Oerstit, hergestellt sein. In diesem Fall können die Feldwindungen l8 (Fig. 2(a)) weggelassen werden. Jeder Hilfspol 14 oder 16 besitzt einen Permanentmagneten aus einem Keramikmaterial, wie Ferrit, und dieser Magnet weist eine kleinere magnetische Permeabilität (#) auf, als der Hauptpol 12 oder 12', und er besitzt eine große Entmagnetisierungskraft (Hc). Die Polarität eines Jeden Hilfspols 14 oder 16 ist gleich der des Hauptpols 12 oder 12' gewählt. Die Verteilung des Magnetflusses, der von der in den Fig. 2(a) und 2 gezeigten Feldmagneteinrichtung 10 erzeugt wird, wird nun anhand der Fig. 2(b) erläutert.

Wenn der (nicht gezeigte) Anker nicht erregt ist, d. h., wenn kein Ankerstrom in den Ankerwindungen 22 (Fig. 2(a)) fließt, ist der Magnetfluß, der je durch die Hauptpole 12 oder 12' und die Hilfspole 14 und 16 erzeugt wird, entlang der Längsrichtung eines jeden Poles gleichförmig verteilt, wie es in Fig. 2(b) durch eine gestrichelte Linie A' gezeigt ist. Die Verteilungskurve des Magnetflusses, der nur durch einen in den Ankerwindungen 22 fließenden Ankerstrom erzeugt wird, ist durch eine geneigte Linie dargestellt, die in der Mitte des Hauptpols 12 null ist. Es sei daran erinnert, daß die magnetische Permeabilität (/0 eines jeden HiXspols 14 oder 16

- 12 -

809819/1004

kleiner als die des Hauptpols 12 oder 12' ist, so daß verhindert wird, daß der vom Ankerstrom erzeugte Magnetfluß in den Hilfspol 14 oder 16 eindringt und diesen ausfüllt (permeiert). Folglich kann die Verteilung des vom Ankerstrom erzeugten Magnetflusses gemäß der in Fig. 2(b) gezeigten strichpunktierten Linie B' dargestellt werden, die einen Nullwert an einer Stelle aufweist, die neben der Mitte D der beiden benachbarten Feldmagneteinrichtungen 10 liegt.

Wenn die Ankerwindungen 3 mit einem Ankerstrom beschickt werden, erhält man die als durchgehende Linie C' gezeigte Verteilungskurve des Magnetflusses als Resultierende des vom Hauptpol (Fig. 2(a)) oder 12' (Fig. 3) erzeugten Magnetflusses (gestrichelte Linie A') und des von den Hilfspolen 14 und 16 erzeugten Magnetflusses (strichpunktierte Linie B'). Die Verteilungskurve des Magnetflusses besitzt einen Nullwert an einer Stelle, die neben der geometrisch neutralen Achse liegt, und zwar infolge der Reaktion der Hilfspole 14 und 16. Infolgedessen kann die elektrisch neutrale Achse des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors sehr nahe neben der geometrisch neutralen Achse liegen, und daher kann die Verschlechterung der Kommutierungseigenschaften verhindert werden.

Ein erfindungsgemäßer Vierpol-Gleichstrommotor wird nun anhand der Fig. 4 und 5 erläutert. Gemäß Fig. 5 ist ein Hauptpol 12 mit geschichteten Siliciumstahlblechen mittels eines Schraubenbolzens 32 an einem Joch 30 befestigt. Ein Paar Hilfspole

809819/1004 " ¹^ '

14 und 16, die je aus Ferrit mit einer kleineren magnetischen Permeabilität (/t), als sie der Hauptpol 12 besitzt, bestehen und eine große Entmagnetisierungskraft (Hc) aufweisen, ist mit Hilfe eines Klebstoffs am Joch J50 befestigt, und zwar beidseits der Enden des Hauptpols 12. Um den Hauptpol 12 gewickelte Feldwindungen 18 sind in Zwischenräumen zwischen dem Hauptpol und den Hilfspolen untergebracht. Gemäß Fig. 4 ist ein Anker an einer Drehwelle 40 befestigt, die drehbar von Lagern 56 und 58 getragen wird, und um den Anker sind Ankerwindungen 22 (Fig. 5) gewickelt. Die Ankerwicklungen 22 (Fig. 5) sind mit einem Kommutator 50 (Fig. 4) verbunden, der auf der Drehwelle 40 angeordnet ist. Gemäß Fig. 4 wird eine Bürste 52, die an einer Stelle neben der elektrisch neutralen Achse angeordnet ist, mittels einer Feder 54 gegen den Kommutator 50 gedrängt. Die Drehwelle 40 ist hohl. Der Druck der Innenseite des Hohlteils 42 der Drehwelle 40 ist reduziert, und in den Hohlteil 42 ist eine kleine Menge Wasser gefüllt. Folglich ist die Drehwelle 40 als Heizrohr konstruiert. Am rückseitigen Ende der Drehwelle 40 sind Strahlungsrippen 44 befestigt. Folglich wird Wärme, die vom Anker 20 erzeugt wird, durch das Heizrohr, das durch den Hohlteil 42 der Drehwelle 40 gebildet ist, zu den Strahlungsrippen 44 übertragen, wo sie in die Atmosphäre abgestrahlt wird. Ein KUhlventilator 46 und eine Einlaßöffnung 48 sind so angeordnet, daß sie den Strahlungsrippen 44 gegenüberliegen.

809819/1004

Claims (3)

1. BLUMBACH · WESER - BERGEN · KRAMER

   PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

   Patentconsull RadedcestraSe 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsull Sonnenberger StraOe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

   FUJITSU PANUC LIMITED 77/8753

   5-1, Asahigaoka 3-chome,
   Hino-shi,
   Tokyo, Japan

   Gleichstrommotor

   Patentansprüche

   C 1.) Gleichstrommotor mit einem Anker, um den Ankerwicklungen gewickelt sind, und mit Feldmagneteinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Feldmagneteinrichtung (10) aufweist:

   einen Hauptpol (12) mit einer vorbestimmten Polarität zur Erzeugung eines vorbestimmten Magnetfeldes und ein Paar Hilfspole (14, 16) aus Permanentmagneten, die beidseits

   München: R. Kramer Dlpl.-Ing.. w. Weser Mpl.-Phys. Or. rer. iwl · f. Hirsen Dipl.-tng.. H. Ψ. Brehm Oipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach DipMna · C Bergen Ojpr.-MO. Oj. lur.. G. Zwirner OtpL-lng. Oipl.-W.-tng.

   der Hauptpolenden angeordnet sind, dieselbe Polarität wie der Hauptpol aufweisen und eine geringere Permeabilität
   als der Hauptpol besitzen.
2. 2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptpol (12) einen Elektromagneten aufweist, um den Feldwicklungen (8, 18) gewickelt sind.
3. 3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptpole aus Permanentmagneten bestehen.

   009810/1004