DE2931724C2

DE2931724C2 - Selbsttragende Läuferspule für Gleichstrommaschinen

Info

Publication number: DE2931724C2
Application number: DE2931724A
Authority: DE
Inventors: Marc 2300 La Chaux-de-Fonds Neuchâtel Heyraud
Original assignee: Portescap SA
Current assignee: Portescap SA
Priority date: 1978-08-09
Filing date: 1979-08-04
Publication date: 1983-09-29
Also published as: GB2033166A; CH627031A5; FR2433257A1; DE2931724A1; US4543507A; JPS5543994A; FR2433257B1; GB2033166B

Description

Die Erfindung betrifft eine selbsttragende, zylindrisehe Läuferspule für elektrische Gleichstrommaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Vor allem in Klein- und Kleinstmaschinen der genannten Art wird die Lebensdauer der Maschine im wesentlichen durch die Lebensdauer des Kollektors bestimmt. Ein Kollektor weist eine Anzahl von Lamellen auf, die mit entsprechenden Teilspulen der Läuferspule verbunden sind und mit Stromabnehmer-Bürsten zusammenwirken. Wenn eine Bürste von einer Kollektorlamelle auf die nächste übergeht, so entstehen durch die Selbstinduktion der Spule Spannungsspitzen, welche zur Bildung von Funken zwischen der Bürste und den Kollektorlamellen führt. Diese Funkenbildung ist äußerst schädlich für den Kollektor und setzt dessen Lebensdauer beträchtlich herab. Beispielsweise bei einem Kleinstmotor, wie er in großen Stückzahlen und in vielen Anwendungsgebieten eingesetzt wird, bedeutet dies meist eine verkürzte Lebensdauer des Motors selbst.

Aus den Technischen Mitteilungen BRF, Seiten 134 bis 144 ist bereits ein derartiger Gleichstromkleinstmotor mit eisenlosem Anker bekannt, bei dem zur Erhöhung der Lebensdauer des Kollektors funkenunterdrückende Entstörmaßnahmen vorgesehen sind, die in Form von Entstörkondensatoren und Entstörwiderständen auf der Motorwelle angeordnet sind.

Aus der DE-OS 19 59 280 ist ein Gleichstrommotor mit Hohlläufer bekannt, bei dem zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit sowie zur Verringerung der Verformungen der Wicklungen und zur Erzielung kleinerer effektiver Luftspalte die Ankerwicklung von einem dünnwandigen rohrförmigen Wicklungsträger aufgenommen wird, der aus einem Gemenge aus Metallpartikeln und einem Kunststoff besteht nnd kraftschlüssig mit der Ankerwelle verbunden ist, wobei dieser Werkstoff eine geringe elektrische Leitfähigkeit aber eine hohe relative Permeabilität aufweist

Aus der DE-OS 19 55 781 ist es ferner bekannt, die Wicklungsspulen für elektrische Maschinen und Apparate zur Verbesserung der Wärmeabfuhr aus den Spulen, zum Schutz der Isolation der Spulendrähte und zur Verringerung des eingeschlossenen Luftvolumens bei geschlossenen elektrischen Apparaten die Wicklungsspulen mit einem Metall zu umhüllen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels einer besonders einfachen und wirtschaftlichen Maßnahme die Lebensdauer der Kollektoren von Gleichstrommaschinen der eingangs genannten Art wesentlich zu erhöhen.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine Läuferspule erreicht, welche das im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannte Merkmal aufweist. Besondere Ausbildungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Lösung, die sich als sehr wirksam erwiesen hat, ist zudem äußerst einfach und bringt in vielen Fällen kaum Mehrkosten bei der Herstellung mit sich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt eines Drahtes, wie er zur Herstellung der erfindungsgemäßen Spule verwendet wird;

F i g. 2 und 3 Querschnitte durch benachbarte Drähte in einer erfindungsgemäßen Spule.

Der Wicklungsdraht, wie er zur Herstellung von selbsttragenden Spulen gemäß der Erfindung verwendet wird, ist in Fig. 1 im Querschnitt dargestellt. Ein leitender Kern 1, im allgemeinen aus Kupfer oder Aluminium, ist von einer elektrisch isolierenden Schicht 2 umgeDen, welche aus Kunststoff oder anderen geeigneten Materialien wie z. B. Aluminiumoxyd bestehen kann.

Die Isolationsschicht 2 ist ihrerseits von einer Außenschicht 3 umgeben, die aus einem Material besteht, welches zur Erzielung der selbsttragenden Eigenschaft der Spule dient. Es kann sich dabei um einen thermoplastischen oder härtbaren Kunststoff handeln, der durch eine Erwärmung weich gemacht werden kann oder um einen Kunststoff, der auf chemischem Weg, beispielsweise durch ein Lösungsmittel, weich gemacht werden kann, wobei diese Materialien daraufhin, beispielsweise durch Abkühlen oder durch Verdampfung des Lösungsmittels, wieder erhärten.

Der Durchmesser des Kerndrahtes 1 ist mit D_a der äußere Durchmesser der Isolationsschicht 2 mit D_is und der äußere Durchmesser der Außenschicht 3 mit £>,λ bezeichnet. Es kommen beispielsweise folgende Größen in Betracht: D_c = 0,100 mm, D,_s = 0,115 mm, D,h = 0,127 mm.

Selbsttragende Spulen für eisenlose Läufer, wie sie hier beispielsweise in Frage kommen, sind im allgemeinen kontinuierlich gewickelt, beispielsweise in Schrägrichtung über 180° (elektrischer Winkel) oder in Rautenform oder auch in einer aus diesen Grundformen abgeleiteten Form, wie beispielsweise sechseckig oder

in Trapezform.

Die Außenschicht 3 des verwendeten Spulendrahtes i:t erfindungsgemäß zumindest teilweise elektrisch leitend. Gemäß einer Ausführungsform wird ein thermoplastisches Polymer verwendet, welchem Kohlenstoffasern beigemengt sind. Eine andere Ausführungsform besteht in der Verwendung von leitendem Klebestoff, wie er üblicherweise in elektronischen Schaltungen, beispielsweise zur Befestigung von Quarzkristallen Anwendung findet, wobei der Draht vor de.η Wickeln der Spule durch ein Bad aus solchem Klebstoff geführt wird.

Die F i g. 2 und 3 zeigen jeweils zwei benachbarte Drähte der Spule im Querschnitt, wobei F i g. 2 den Zustand nach dem Wickelvorgang und Fig.3 den '5 Zustand nach einer die Außenschicht 3 erweichenden Behandlung darstellen. Es ist daraus die Verteilung der aus der Außenschicht gebildeten Trägermasse 3 bei einer solchen selbsttragenden Spule ersichtlich. Der Abstand d zwischen benachbarten Kerndrä!.ten wird zur Erhöhung des Füllgrades der Spule so klein wie möglich gehalten.

Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spule wird nach beendetem Wickelvorgang die äußere Schicht der Spule elektrisch leitend gemacht. Insbesondere wird eine Metallfolie auf die Oberfläche der Spule aufgebracht, um diese elektrisch leitend zu machen.

Durch das Herstellen einer elektrischen Leitfähigkeit in der Außenschicht des Wicklungsdrahtes werden zwei Effekte erzielt, die beide dazu beitragen, daß die bei der Stromwendung in der Spule induzierten Spannungsspitzen reduziert werden. Zunächst ist zu bemerken, daß die Induktivität einer Rotorspule, wie sie für die Erfindung in Frage kommt, im allgemeinen sehr klein ist, beispielsweise etwa 1 μΗ, und auch die entsprechenden Wicklungskapazitäten sehr klein sind, z. B. etwa 100 pF für den genannten Spulentyp. Es genügt daher, die Kapazität um etwa 100 pF zu vergrößern, um eine wesentliche Verringerung des Höchstwertes der bei der Stromwendung induzierten Spannung zu erzielen. Nachdem die leitende Schicht eine Oberfläche aufweist, die etwa gleichgroß wie die der Spule ist, und diese Schicht weniger als etwa 10 μηι von dem leitenden Kern des Drahtes entfernt ist, genügt dies, um die Kapazität der Spule um mehr als 100% zu erhöhen.

Ferner stellt die leitende Schicht einen Lastkreis dar, der mit dem Funkenstromkreis gekoppelt ist, da ja durch die steilen Spannungsspitzen während der Stromwendung Wirbelströme in der leitenden Schicht induziert werden. Die Höhe der auftretenden Spannungsspitzen wird daher durch diese Belastung beträchtlich verringert.

Die erfindungsgemäße Spule bewirkt demnach eine Verlängerung der Lebensdauer des Kollektors und eine Verbesserung der eleketrischen Eigenschaften der Maschine. Dies ist besonders wichtig für kleine Gleichstrommotoren, vor allem im Hinblick auf die Herstellungskosten und die Anwendungsgebiete dieser Motoren.

Es ist noch zu bemerken, daß die Wirksamkeit der leitenden Schicht nicht proportional dem Energieverlust infolge Wirbelstrombildung bei der Drehung der Läuferspule ist. Durch die sehr kleinen Induktivitäten und Kapazitäten, die bei eisenlosen Läufern auftreten, ist dort die Dauer jeder Stromwendung sehr kurz und die entsprechenden Energien sind demnach wesentlich kleiner als beispielsweise die mechanische Energie eines Motors. Die leitende Schicht kann daher sehr dünn gemacht werden, um die Energieverluste bei der Läuferbewegung zu verringern. Die gewollt hervorgerufenen Verluste bei der Stromwendung sind jedoch auch dann ausreichend. In einer praktischen Ausführung bei einem Kleinstmotor konnten die Spannungsspitzen während der Stromwendung auf die Hälfte verringert werden, während die Drehmomentverluste weniger als 1% des maximalen, gelieferten Drehmoments betrugen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Selbsttragende zylindrische Läuferspule für elektrische Gleichstrommaschinen mit eisenlosem Läufer, in denen die Spule im Luftspalt eines feststehenden magnetischen Kreises drehbar angeordnet ist, welche Spule mehrere untereinander in Reihe geschaltete Teilspulen aufweist, deren Enden jeweils mit entsprechenden Kollektorlamellen verbunden sind und aus mindestens einer Lage von Drahtwindungen besteht, wobei der Draht einen leitenden Kern, eine diesen umgebende Isolationsschicht sowie eine die Isolationsschicht umgebende Außenschicht aufweist, welche letztere aus einem Material besteht, das weich gemacht werden kann und daraufhin wieder erhärtet, wobei die Zwischenräume zwischen seitlich benachbarten Dr?htteilen der Spule zumindest teilweise mit dem Material der genannten Außenschicht gefüllt sind, und wobei der Läufer mit Entstörmitteln versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entstörung die Außenschicht des Drahtes zumindest teilweise elektrisch leitend ist.

2. Selbsttragende Läuferspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht aus einem thermoplastischen Polymer besteht, welchem Kohlenstoffasern beigemengt sind.

3. Selbsttragende Läuferspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Teil der Außenschicht durch eine nach dem Wickeln auf die Spule aufgebrachte Schicht gebildet ist.

4. Selbsttragende Läuferspule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht eine auf die Oberfläche der Spule aufgebrachte Metallfolie ist.