DE2900893A1

DE2900893A1 - Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2900893A1
Application number: DE19792900893
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Cloup; Pol Baptiste Louis Ducrot
Original assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA
Current assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA
Priority date: 1978-01-11
Filing date: 1979-01-11
Publication date: 1979-07-12
Also published as: US4209720A; GB2012494A; GB2012494B; JPS54101108A; IT1121171B; FR2414816B1; FR2414816A1; IT7909313A0; DE2900893C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor für einen Betrieb mit pulsierendem Gleichstrom, umfassend einen den Anker bildenden Rotor, der in einem die Erregerwicklung tragenden und Pole aufweisenden Stator drehbar angeordnet ist. wobei der Zwischenraum zwischen dem Rotor und den Polen einen Luftspalt bildet und wobei die Kurve, welche den Verlauf des einen Pol des Stators durchsetzenden Magnetflusses in Abhängigkeit der Amperewindungen dieses Poles wiedergibt, einen linearen Anfangsabschnitt und einen sich an diesen anschließenden gekrümmten Abschnitt aufweist.

Der vorstehend verwendet Ausdruck "pulsierender Gleichstrom" bezeichnet Stromimpulse, die in ihrer Frequenz und/oder Dauer variieren können. Derartige Impulse können beispielsweise von einer Gleichstromquelle, wie elektrochemischen Generatoren mit Hilfe einer Zerhackerschaltung erhalten werden»

Derartige Elektromotoren, insbesondere Reihenschlußmotoren, werden häufig zum Antrieb von Fahrzeugen verwendet»

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Elektromotoren so auszubilden, daß sie besser als bisher den verschiedenen Anforderungen der Praxis entsprechen und daß sie insbesondere besser für eine Speisung mit pulsierendem Strom geeignet sind und insbesondere für den Antrieb eines Fahrzeuges eine bessere Drehmoxnentkennlinie bei verschiedenen Betriebsgeschwindigkeiten des Fahrzeuges liefern, wobei sie ein geringes Gewicht und einen niedrigen Herstellungspreis besitzen sollen«

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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Gleichstrommotor der eingangs genannten Art vorgeschlagen, daß der Gleichstrommotor derart ausgebildet ist, daß der Anfangspunkt des gekrümmten Abschnittes der den Verlauf des Magnetflusses in Abhängigkeit der Amperewindungszahl beschreibenden Kurve in einem mittleren Bereich des Arbeitsintervalles des Gleichstrommotors liegt und daß die radiale Abmessung des Luftspaltes so groß ist, daß die Zunahme des Magnetflusses in Abhängigkeit der Amperewindungen bei Fortschreiten über den Anfangspunkt hinaus mindestens gleich ungefähr einem Drittel der Zunahme des Magnetflusses innerhalb des dem gekrümmten Abschnitt vorausgehenden linearen Abschnittes ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der erfindungsgemäße mit einem pulsierenden Gleichstrom betreibbare Gleichstrommotor so ausgebildet, daß die radiale Abmessung des Luftspaltes so groß ist, daß der Gleichstrommotor in seinem ganzen ArbeitsIntervall und insbesondere im Bereich des maximalen Stromes eine für eine Glättung des pulsierenden Speisestromes hinreichende Induktivität aufweist, so daß auf eine zusätzliche Glättungsinduktivität verzichtet werden kann.

Für einen Gleichstrommotor, dessen Leistung unter 2o kW oder in der Größenordnung von 2o kW bleibt, ist die radiale Abmessung des Luftspaltes vorzugsweise größer als 1,2 mm und insbesondere gleich 1,5 mm.

Vorzugsweise ist eine Hülle, die zum Festhalten der Leiter in dem Rotor bestimmt ist, in dem Luftspalt angeordnet und umgibt den Rotor längs seiner umlaufenden Mantelfläche. Diese Hülle kann aus getränkten Glasfasern bestehen.

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Die Nuten des Rotors haben vorzugsweise ein Profil in Form eines vereinfachten U und sind vollständig mit Leitern gefüllt.

Der Rotor und der Stator bestehen vorzugsweise aus Paketen von Blechlamellen. Dank der relativ großen Abmessung des Luftspaltes ist es möglich, die Elemente des Stators und des Rotors durch einen einzigen Stanzvorgang aus demselben Blech auszuschneiden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beiliegenden Figuren die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Änderung des einen Pol des Stators durchsetzenden Magnetflusses in Abhängigkeit der Ämperewindungen dieses Poles in einem erfindungsgemäßen Motor,

Fig. 2 eine Teilansicht des Rotors und des Stators eines erfindungsgemäßsn Motors -in Achsrichtung,

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltschema des erfindungsgemäßen Motors, und

Fig. 4 eine der Figur 2 entsprechende Ansicht eines Stators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 3 erkennt man einen schematisch dargestellten Elektromotor M in Form eines Gleichstromreihenschlußmotors , der von einem Zerhacker C her mit einem diskontinuierlichen Gleichstrom gespeist wird, wobei der Zerhacker selbst von einer Gleichstromquelle S gespeist wird,

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die beispielsweise aus Akkumulatoren besteht. Ein derartiger Elektromotor M wird häufig zum Antrieb eines Fahrzeuges verwendet. In diesem Fall wird der Zerhacker C durch nicht dargestellte Mittel in der Weise gesteuert, daß er Stromimpulse liefert, deren Dauer und/oder Frequenz von den Betriebsbedingungen abhängt. Zwischen die Klemmen des Elektromotors M ist in herkömmlicher Weise eine Freilaufdiode D geschaltet, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 umfaßt der Elektromotor M einen Rotor 1, der den Anker bildet und innerhalb eines Stators 2 drehbar gelagert ist, welcher die Erregerwicklung trägt und Pole 3 aufweist. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind vier Pole vorhanden, wobei jedoch lediglich die obere Hälfte des Stators und des Rotors dargestellt ist. Der nicht dargestellte untere Abschnitt des Elektromotors ist symmetrisch zu dem oberhalb der unteren strichpunktierten Linie liegenden oberen Abschnitt des Elektromotors ausgebildet mit Ausnahme einer Nut a, die in dem Rotor für eine Keilverzahnung ausgebildet ist.

Der Zwischenraum e zwischen dem Rotor 1 und den Polen 3 bildet einen Luftspalt, der von dem Magnetfluß 0 jedes Poles 3 des Stators 2 durchsetzt wird. Der Magnetfluß 0 hängt von den Amperewindungen des jeweiligen Poles ab, d.h. von dem Produkt N χ i, wobei N die Zahl der den jeweiligen Pol 3 umgebenden Leiterwindungen und i die Stärke des diese Leiterwindungen durchfließenden Stromes bezeichnet.

Die Kurve G, welche den einen Pol 3 des Stators 2 durchsetzenden Magnetfluß 0 in Abhängigkeit der Amperewindun-

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gen dieses Poles 3 darstellt, weist einen linearen Anfangsabschnitt B (Fig. 1) auf, der bei geringen Stromstärken einer niedrigeren Sättigung des Statoreisens entspricht. An diesen linearen Anfangsabschnitt B schließt sich ein gekrümmter Abschnitt oder ein Knick an, welcher dem Beginn einer stärkeren Sättigung des Eisens entspricht.

Wie man in Fig. 1 erkennt, ist der erfindungsgemäße Motor in der Weise ausgebildet, daß der Beginn des gekrümmten Abschnittes der Kurve G, welche den Magnetfluß 0 in Abhängigkeit der Amperewindungen N χ i darstellt, annähernd in der Mitte des Arbeitsbereiches F des Elektromotors M liegt. Die radiale Abmessung h des Luftspaltes e (Fig. 2) ist hinreichend groß, so daß. die Zunahme des Magnetflusses in Abhängigkeit der Amperewindungen über den Beginn j des gekrümmten Abschnittes hinaus mindestens gleich annähernd einem Drittel der Zunahme des Magnetflusses innerhalb des linearen Kurvenabschnittes B ist, welcher dem gekrümmten Abschnitt vorausgeht.

Der mittlere. Anstieg des Magnetflusses rechts (in Fig. betrachtet) von dem Punkt j, d.h. die Zunahme des Magnetflusses in Abhängigkeit der Amperewindungen über den Punkt j hinaus, ist entsprechend der graphischen Darstellung in Fig. 1 gleich dem Verhältnis der Strecken qn/jn.

Der mittlere Anstieg oder die Zunahme des Magnetflusses in Abhängigkeit der Amperewindungen des linearen Abschnittes B ist gleich dem Verhältnis der Strecken jt/Ot. Man kann daher sagen, daß gemäß der Erfindung qn/jn mindestens gleich 1/3 χ jt/Ot ist.

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Um die Gedankengangs zu veranschaulichen, sind auf der Ordinate und der Abszisse der graphischen Darstellung in Fig. 1 die numerischen Werte aufgetragen, die einer Ausführungsform eines Antriebsmotors mit einer Leistung der Größenordnung von 15 kW entsprechen. Der Magnetfluß 0 ist in Milliweber (mWb) auf der Ordinate aufgetragen. Man sieht, daß der maximale Magnetfluß von 7 mWb bei ungefähr 27oo Amperewindungen erreicht wird. Der Beginn j des gekrümmten Abschnittes der Kurve hat einen Abzissenwert von ungefähr 12oo Amperewindungen, was bedeutet, daß er geringfügig unterhalb des mittleren Abszissenwertes (135o Amperewindungen) des 27oo Amperewindungen umfassenden Betriebsintervälles des Elektromotors liegt.

Der Anstieg des Magnetflusses in Abhängigkeit der Amperewindungen ist proportional der Induktivität des elektrischen Kreises des Statorpoles, da diese Induktivität proportional der Ableitung des Magnetflusses nach dem Erregerstrom ist.

Es zeigt sich daher, daß bei einem erfindungsgemäßen Motor die Induktivität des Motors jenseits des Anfangspunktes j der Krümmung (d^h. in Fig. 1 rechts von dem Punkt j) einen ausreichend hohen Wert besitzt.

Wenn L die Induktivität des Motors für den dem gekrümmten Abschnitt vorausgehenden linearen Kurvenabschnitt B bezeichnet, so behält diese Induktivität jenseits des Anfangspunktes j einen Wert, der mindestens gleich ungefähr L/3 ist.

So weist der erfindungsgemäße Elektromotor in seinem gesamten Arbeitsintervall und insbesondere im Bereich des maximalen Stromes eine erhebliche Induktivität auf, die eine Glättung des diskontinuierlichen Speisestromes

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ermöglicht, der von dem Zerhacker C geliefert wird«

Diese Induktivität kann ausreichend groß sein, um auf eine zusätzliche Glättungsinduktivität verzichten zu können, die üblicherweise am Ausgang des Zerhackers C in Reihe mit dem Motor geschaltet ist»

Es ist zu bemerken, daß aufgrund dieses Luftspaltes e erheblicher Größe eine größere Anzahl von Leiterschleifen an den Polen des Stators vorhanden sein müssen, um einen bestimmten Magnetfluß bei einer gegebenen Stromstärke zu erhalten« Es ist vorteilhaft, zumindest für die Erregerwicklung elektrische Leiter aus Aluminium zu verwenden, um die Gewichtszunahme aufgrund der höheren Windungszahl so gering wie möglich zu halten»

Für einen Elektromotor mit einer Leistung von weniger als 2o kW, beispielsweise einen Elektromotor mit einer Leistung in der Größenordnung von 15 kW, ist es vorteilhaft, wenn die radiale Abmessung h des Luftspaltes größer als 1,2 mm und vorzugsweise gleich 1,5 mm ist»

Man kann einen Luftspalt e vorsehen, dessen radiale Abmessung h in einem mittleren Bereich 4 des Luftspaltes einen Minimalwert aufweist, der jedoch in jedem Falle gleich den oder größer als die oben genannten Werte ist. Die radiale Abmessung h nimmt bei diesem Luftspalt zu den Rändern 5 bzw. 6 des Poles hin zu.

In dem Luftspalt E ist eine schematisch dargestellte Hülle 7 angeordnet, welche den Rotor 1 an seiner Außenmantelfläche umschließt und dazu bestimmt ist, die Leiter 8 an dem Rotor festzuhalten. DieseHülle 7 kann

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aus getränkten Glasfasern bestehen.

Es ist zu bemerken, daß diese Anordnung der Hülle 7 in dem Luftspalt e dank der ausreichenden Größe dieses Luftspaltes möglich ist und man dadurch auf die Herstellung einer Nut in dem Rotor zur Aufnahme der Hülle verzichten kann.

Um die Qualität der Induktivität des Motors zu erhalten und Störungen durch Wirbelströme zu vermeiden, bestehen der Rotor und der Stator aus Blechpaketen in der Weise, daß lamellenartig geschichtete magnetische Kreise entstehen.

Es ist vorteilhaft, wenn die für die Pakete, welche den Magnetkreis bilden, verwendeten Bleche aus kohlenstoffarmem Stahl bestehen und durch eine Oberflächenoxidation isoliert sind.

Dank der relativ großen Abmessung des Luftspaltes e ist es möglich, aus derselben Blechbahn durch denselben Stanzvorgang die Elemente des Rotors und des Stators ohne Materialverlust auszustanzen. Das Stanzwerkzeug kann nämlich in dem hinreichend großen Raum durch das Blech treten, der dem Luftspalt entspricht.

Die Nuten 9 des Rotors haben die vereinfachte Form eines U und sind vollständig mit Leitern 8 ausgefüllt, da sich die Hülle 7 an der Außenmantelfläche des Rotors befindet. Der Durchtrittsquerschnitt für den Magnetfluß des Rotors ist ausreichend, da der Abstand £ (Fig. 2) zwischen den Nutengrundflächen zweier einander benachbarter Nuten 9, welcher den Minimaldurchtrittsquerschnitt für den Magnetfluß bestimmt, ausreichend groß ist.

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Die Breite V des Polrandas (Fig. 2) kann geringfügig verringert v/erden, da aufgrund der relativ großen Abmessung des Luftspaltes die aus dem Pol austretenden magnetischen Flußlinisn sich in dem Luftspalt genügend verteilen. Die Verringerung der Breite V gegenüber einem herkömmlichen Elektromotor kann das Doppelte der radialen Abmessung des Luftspaltes betragen.

Entsprechend den Darstellungen in den Fig. 2 und 4 sind die Pole 3 vorzugsweise geradeaus gebildet, das heißt ohne Breitendifferenz zwischen der Polbasis und dem Polrand derart, daß das Aufsetzen von vorgeformten flachen, auf ebenen Oberflächen P aufliegenden Spulen 12 auf diese Pole erleichtert wird.

Um das Gewicht des Motors zu verringern, kann man insbesondere in dem Magnetkreis des Stators Aussparungen 1o (Fig. 4) vorsehen, die so geformt sind, daß nur der für den Durchtritt des Magnetflusses ausnützbare Eisenquerschnitt erhalten bleibt und daß der Einfluß der Ankerrückwirkung verringert wird, was die !Commutation verbessert.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind anstelle der bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 vorgesehenen Aussparung 1o in den Polen 3 ü-förmige Nuten 11 ausgebildet.

Es ist zu bemerken, daß zur Verringerung des Motorgewichtes das für den Eisenkern des Stators und des Rotors verwendete Eisen im Zustande magnetischer Sättigung verwendet wird. Der Einfluß dieser Sättigung bleibt jedoch aufgrund der Größe des Luftspaltes vernachlässigbar,

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wie man aus Fig. 1 erkennt. Die Variation des Magnetflusses wird durch diese Sättigung verändert, bleibt jedoch ausreichend groß, damit der Motor eine zur Glättung des diskontinuierlichen oder pulsierenden Gleichstromes geeignete Induktivität behält.

Da der Motor im Zustand erheblicher Sättigung arbeitet, ist eine nicht dargestellte Kühlung für den Elektromotor vorgesehen, die ständig in Betrieb ist.

Sin Motor der erfindungsgemäßen Art ist dank seiner für diese Art der Verwendung vorteilhaften Drehmomentkennlinie und seines durch die Sättigung des Eisens erreichten geringen Gewichtes besonders gut für den Antrieb eines Fahrzeuges geeignet. Die Eigenschaften des Motors werden durch die Linearisierung der den Magnetfluß wiedergebenden Kurve verbessert.

Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen, durch einen diskontinuierlichen oder pulsierenden Gleichstrom gespeisten Motors ist besser als der Wirkungsgrad einer aus einem herkömmlichen Motor und einer Glattungsinduktivität bestehenden Anordnung; die ebenfalls durch pulsierenden Gleichstrom gespeist wird. Bei einer derartigen Anordnung wird der Wirkungsgrad gegenüber dem erfindungsgemäßen Motor insbesondere aufgrund der ohmschen Verluste in der Glattungsinduktivität verringert.

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'AS'

Leerseite

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

Dr.-Ine.^TT.LicI:a

PLBA

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH S60S20

MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

SOCIETE ANONYME AUTOMOBILES CITROEN

"gemäß den Artikeln 118 bis 150 des
französischen Gesetzes über die
Handelsgesellschaften (societes commerciales)"

117 ä 167, Quai Andre Citroen
F-75747 Paris Cedex 15

AUTOMOBILES PEUGEOT

75 j Avenue de la Grande-Armee

F-75017 Paris

Gleichstrommotor

Patentansprüche

Gleichstrommotor für einen Betrieb mit pulsierendem
Gleichstrom, umfassend einen den Anker bildenden Rotor, der in einem die Erregerwicklung tragenden und Pole
aufweisenden Stator drehbar angeordnet ist, wobei der Zwischenraum zwischen dem Rotor und den Polen einen
Luftspalt bildet und wobei die Kurve, welche den Verlauf des einen Pol des Stators durchsetzenden Magnetflusses in Abhängigkeit der Amperewindungen dieses
Poles wiedergibt, einen linearen Anfangsabschnitt und einen sich an diesen anschließenden gekrümmten Ab-903 828/1020

schnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß der Gleichstrommotor derart ausgebildet ist, daß . der Anfangspunkt (j) des gekrümmten Abschnittes der den Verlauf des Magnetflusses (0) in Abhängigkeit der Amperewindungszahl (N χ i) beschreibenden Kurve (G) in einem mittleren Bereich des Arbeitsintervalles (F) des Gleichstrommotors liegt und daß die radiale Abmessung (h) des Luftspaltes (e) so groß ist, daß die Zunahme des Magnetflusses (0) in Abhängigkeit der Amperewindungen (N χ i) bei Fortschreiten über den Anfangspunkt (j) hinaus mindes tens gleich ungefähr einem Drittel der Zunahme des Magnetflusses (0) innerhalb des dem gekrümmten Abschnitt vorausgehenden linearen Abschnittes (B) ist.
2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die radiale Abmessung (h) des Luftspaltes (e) so groß ist, daß der Gleichstrommotor in seinem ganzen Arbeitsintervall (F) und insbesondere im Bereich des maximalen Stromes eine für eine Glättung des pulsierenden Speisestromes hinreichende Induktivität aufweist, so daß auf eine zusätzliche Glättungsinduktivität verzichtet werden kann.
3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Leistung unterhalb oder in der Größenordnung von 2o kW, dadurch gekennzeichnet , daß die radiale Abmessung (h) des Luftspaltes (e) größer als 1,2 mm, vorzugsweise gleich 1,5 mm ist.
4. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer zum Festhalten der Leiter in dem Rotor bestimmten Hülle, dadurch gekennzeichnet ,

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daß die Hülle (7) in dem Luftspalt (3) angeordnet ist und den Rotor (1) längs seiner Umfangsmantelfläche umgibt.
5. Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Hülle (7)aus getränkten Glasfasern besteht.
6. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Nuten (9) des Rotors (1) im wesentlichen U-förmig ausgebildet und vollständig mit Leitern (8) gefüllt sind.
7. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Pole eine vereinfachte gerade Form ohne eine Änderung der Polbreite aufweisen, welche das Aufsetzen vorgefertigter ebener Spulen ermöglicht, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite der Pole (3) gegenüber der Breite der Pole eines herkömmlichen Gleichstrommotors verringert, insbesondere um das Doppelte der radialen Abmessung (h) des Luftspaltes

(e) verringert ist»
8. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens die elektrischen Leiter der Erregerwicklung (2) aus Aluminium bestehen.
9. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der magnetische Kreis aus einem Blechpaket besteht, dessen Bleche aus mindestens kohlenstoffarmem Stahl bestehen und durch eine Oberflächenoxidation isoliert sind.

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10. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der magnetische Kreis, insbesondere der Stator (2) Aussparungen (1o). aufweist, die derart geformt sind, daß nur der für den Magnetfluß (0) ausnutzbare Durchtrittsquerschnitt erhalten bleibt und daß der Einfluß der Ankerrückwirkung vermindert wird.
11. Verfahren zur Herstellung der Elemente für einen Rotor oder einen Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet , daß die Elemente des Rotors (1) und des Stators (2) durch denselben Stanzvorgang aus derselben Bahn oder demselben Blech ausgestanzt werden, indem das Stanzwerkzeug in dem dem Luftspalt (e) entsprechenden Raum durch das Material hindurchtritt.

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