DE2749999B2 - Gleichstrommotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekanntlich werden Ankerwicklungen eines Gleichstrommotors, die in einem von Feldmagneten erzeugten Magnetfluß angeordnet sind, mit elektrischem Strom gespeist, und daraufhin dreht sich der Anker durch das Zusammenwirken von Ankerstrom und Magnetfeld. Die Richtung des dem Anker zugeführten Stroms wird 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 Ankerrückwirkung bezeichnet werden. Solche Ankerrückwirkungen 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 Ankerrückwirkungen besteht also gemäß a) darin, 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 Magnetfluß mit den Ankerwicklungen verkettet ist, wird in diesen eine Spannung induziert. Wenn sich eine Bürste auf der geometrisch 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 Worten, die Kommutierungseigenschaften werden verschlechtert.

Um die Verschlechterung der Kommutierungseigenschaften zu verhindern, wird gewöhnlich ein Wendepol an einer Stelle zwischen zwei benachbarten Hauptpolen angeordnet (AT-PS 100 926, CH-PS 4 62 304). In manchen Fällen, beispielsweise in einem Fall, in welchem die erforderlichen Eigenschaften des Motors einen Feldmagnetleckfluß über den Wendepol nicht erlauben, ist es jedoch schwierig, den Wendepol so anzuordnen, daß die Verschlechterung der Kommutierungseigenschaften verhindert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gleichstrommotor verfügbar zu machen, bei dem eine Verschiebung der elektrisch neutralen Achse gegenüber der geometrisch neutralen Achse und eine Verschlechterung der Kommutierungseigenschaften verhindert werden kann, ohne daß ein wesentlicher Leckfluß durch Wendepole in Kaui genommen werden müßte.

ίο Aus der französischen Patentanmeldung 22 30 109 ist bereits ein Gleichstrommotor bekannt, dessen Stator im Querschnitt achteckförmig aufgebaut ist und sechs gleichartige mit Polstücken versehene Statorpole aufweist, die Permanentmagnete enthalten. Drei mit gleichnamigen Permanentmagneten besetzte Statorpole sind an drei aufeinanderfolgenden Flächen des Achtecks angeordnet. Ihnen liegen die restlichen Statorpole mit entgegengesetzter Polarität gegenüber. Irgendein Einfluß dieser Polausbildung und -Anordnung auf die Ankerrückwirkung ist der genannten französischen Patentschrift nicht zu entnehmen.

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

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

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

F i g. 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 F i g. 1 (a) gezeigten Ankerwicklungen erzeugt wird;
Fig. 2(a) eine Abwicklungsansicht eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors zur Darstellung des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors zur Darstellung des erfindungsgemäßen Prinzips;

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

Fig. 3 eine Abwicklungsansicht einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig.4 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors.

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 F i g. I 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 3 kein Ankerstrom fließt, ist der durch die Feldmagneten erzeugte Magnetfluß gleichförmig entlang der Längsrichtung der Feldmagneten 1 verteilt, wie es in Fi g. l(a) durch eine gestrichelte Linie A gezeigt ist.

Vom theoretischen Standpunkt aus gesehen besitzt der Magnetfluß, der nur durch den in den Ankerwindungen 3 (Fig. l(a)) fließenden Ankerstrom erzeugt wird, hei einer grafischen Darstellung, hei der der Betrag des

Magnetflusses in Ordinatenrichtung und die Position in Abszissenrichtung aufgetragen ist, eine geneigte Linie, die in der Mitte des Feldmagneten 1 null ist und in der Mitte der durch zwei benachbarte Feldmagneten gebildete 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 Punki, der dem Endi des Feldmagneten benachbart ist, wie es in Fig. l(b)durch eine strichpunktierte Linie Sgezeigt ist. Wenn die Ankerwindungen 3 mit Ankerstrom versorgt werden, überlagern sich infolgedessen der von den Feldmagneten erzeugte Magnetfluß (durch die gestrichelte Linie A gezeigt) und der vom Ankerstrom erzeugte Magnetfluß (durch die strichpunktierte Linie V gezeigt), infolgedessen kann man eine deformierte Verteilungskurve des Magnetflusses erhalten, wie sie durch eine durchgehende Linie Cdargesteilt ist.

Wenn die Verteiiungskurve des Magnetflusses gemäß der durchgezogenen Linie C deformiert ist, ist die elektrisch neutrale Achse £ gegenüber der geometrisch neutralen Achse £>, die als Mitte zweier benachbarter Feldmagnete entlang der Längsrichtung des Feldmagneten 1 definiert ist, verschoben. Daher wird durch den Magnetfluß eine Spannung in den Ankerwindungen 3 induziert, die zur geometrisch neutralen ,chse 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) Wendepol an einer Position zwischen den Feldmagneten so angeordnet, daß die Verteilung des Magnetflusses verbessert wird. Wenn jedoch lediglich ein Wendepol benutzt wird, um eine Verschiebung der elektrisch neutralen Achse zu verhindern, muß vom Wendepol ein sehr starker Magnetfluß erzeugt werden, um dem vom Ankerstrom erzeugten Magnetfluß entgegenzuwirken. Zu diesem Zweck wird das Volumen des Wendepols speziell dessen Querschnittsfläche, oft recht groß. Der von den Feldmagneten erzeugte Magnetfluß kann jedoch einen Streufluß durch einen Wendepol mit einer großen Querschnittsfläche hervorrufen. Dieser Streufluß bewirkt eine Verschlechterung des Verhaltens des Gleichstrommotors. Zusätzlich kann ein Wendepol, an den Zuführungsleitungen angeschlossen sind, den Aufbau des Gleichstrommotors kompliziert machen.

Eine andere bekannte Methode, die erwähnte Verschlechterung der Kommutierungseigenschaften abzuwenden, besteht darin, einen Feldmagneten und einen Anker 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 mit den Ankerwindungen verkettete Magnetfluß verringert sein, was eine Verschlechterung des Verhaltens des Gleichstrommotors nach sich zieht.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Motors wird nun anhand der F i ρ 2 erläutert.

Gemäß F i g. 2(a) umfaßt jede von zwei benachbarten Feldmagneteinrichtungen 10 drei Teile, die entlang der Drehrichtung eines Ankers angeordnet sind (in F i g. 2(a) sind lediglich Ankerwi-.düngen 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 18 gewickelt sind, so daß der Hauptpol 12 elektromagnetisch erregt werden kann. Bei einer anderen Ausführungsform, wie sie in Fig.3 gezeigt ist, kann der Hauptpol 12 aus permanentmagnetischem Material wie Alnico-Legierungen hergestellt sein. In diesem Fall können die Feldwindungen 18 (Fig. 2(a)) weggelassen werden. Jeder Hilfspol 14 oder 16 besitzt einen Permanentmagneten aus einem K.eramikmaterial, wie Ferrit, und weist eine kleinere magnetische Permeabilität (μ) auf, als der Hauptpol 12 oder 12', und er besitzt eine große Koerzitivkraft (Hc). Die Polarität eines jeden Hilfspols 14 oder 16 ist gleich der des zugehörigen Hauptpols 12 oder 12' gewählt. Die Verteilung des Magnetflusses, der von der in den Fig.2(a) und 3 gezeigten Feldmagneteinrichtung iO erzeugt wird, wird nun anhand der F i g. 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 Fi g. 2(b) durch eine gestrichelte Linie Λ'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 (μ) eines jeden Hilfspols 14 oder 16 kleiner als die des Hauptpols 12 oder 12' ist, so daß verhindert wird, daß ein wesentlicher Teil des vom Ankerstrom erzeugten Magnetflusses in den Hilfspol 14 oder 16 eindringt. Folglich kann die Verteilung des vom Ankerstrom erzeugten Magnetflusses gemäß der in Fig. 2(b) gezeigten strichpunktierten Linie ß'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 12 (F i g. 2(a)) oder 12' (F i g. 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 kpnn die Verschlechterung der Kommutierungseigenschaften verhindert werden.

Ein erfindungsgemäßer Vierpol-Gleichstrommotor wird nun anhand der F i g. 4 erläutert. Gemäß F i g. 4 ist ein Hauptpol 12 mit geschichteten Siliciumstahlblechen

befestigt. Ein Paar Hilfspole 14 und 16, die je aus Ferrit mit einer kleineren magnetischen Permeabilität (μ), als sie der Hauptpol 12 besitzt, bestehen und eine große Koerzitivkraft (Hc) aufweisen, ist mit Hilfe eines Klebstoffes am Joch 30 befestigt, und zwar beidseits der Enden des Hauptpols !2. Um den Hauptpol 12 gewickelte Feldwindungen 18 sind in Zwischenräumen zwischen dem Hauptpol 12 und den Hilfsi untergebracht. Ein Anker 20 ist an einer WeI befestigt. Um den Anker sind Ankerwindunge gewickelt. Die Ankerwindungen 22 sind mit e Kommutator (nicht gezeigt) verbunden, der au Welle angeordnet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gleichstrommotor mit einer Feldmagnetanordnung, die je Polteilung aufweist:

einen Hauptpol und zwei im Motorquerschnitt gesehen beiderseits des Hauptpols angeordnete Hilfspole der gleichen Polarität wie der Hauptpol, von welchen Polen zumindest die Hilfspole aus permanentmagnetischem Material hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspole (14,16) eine geringere magnetische Permeabilität als die Hauptpole (12,12') aufweisen.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptpole (12, 12') elektromagnetisch erregt sind.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptpole Permanentmagneten bestehen.