DE29903907U1

DE29903907U1 - Elektrische Gleichstrom-Maschine

Info

Publication number: DE29903907U1
Application number: DE29903907U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2000-07-13
Anticipated expiration: 2009-03-06
Also published as: WO2000054396A1; EP1157453A1; CN1345477A; JP2002539748A

Description

ZENZ · HELBER · HOSBACH & PARTNER

Patentanwälte · European Patent Attorneys · 64673 Zwingenberg, Scheuergasse 24

Tel.: 06251-73008 · Fax: 06251-73156

Helmut Schüler, Scholzenviertel 7, 64625 Bensheim-Zell

Elektrische Gleichstrom-Maschine

Die Erfindung betrifft eine elektrische Gleichstrom-Maschine mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotor, der eine Vielzahl von mit Abstand von der Drehachse angeordneten Elektromagneten mit jeweils einer Spulenwicklung auf einem einen oder mehrere elektrische(n) Leiter tragenden Spulenkern aufweist, wobei die Enden der die Spule bildenden elektrischen Leiter mit jeweils zugeordneten, insgesamt zusammengenommen einen ersten Kommutator bildenden Kontaktelementen mit jeweils einer Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden sind, auf denen an wenigstens eine Gleichstromquelle bzw. wenigstens einen Gleichstrom-Verbraucher anschließbare Schleifkontakte angedrückt sind, und mit"in gleichmäßigen Winkelabständen auf der Innenseite der Gehäuse-Stirnwände angeorndeten, den Stirnflächen der Spulenkerne gegenüberstehenden Polflächen von Permanentmagneten mit in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend jeweils entgegengesetzter Polarität, wobei jeder Spulenkern mit der zugehörigen Spulenwicklung ein gesondert hergestelltes Elektromagnet-Bauelement bildet, welche in einem mit der Welle des Rotors drehfest verbundenen Nabenträger gehaltert sind, die

Polflächen der Permanentmagnete in Unfangsrichtung eine jeweils mehrere gegenüberliegende Spulenkerne überdeckende Erstreckung aufweisen, und die beiden jeweils einem radial außen liegenden Permanentmagneten zugeordneten Schleifkontakte des Kommutators sich in Umfangsrichtung soweit erstrecken, daß sie die Kontaktflächen von jeweils etwa der Hälfte der einer Polfläche eines Permanentmagneten zugeordneten Kontaktelemente überdecken und wobei jeweils auf ein Paar von an die Gleichstromquelle bzw. den Gleichstrom-Verbraucher angeschlossenen Schleifkontakten in Umfangsrichtung versetzt ein weiteres Paar von in umgekehrter Polarität an die Gleichstromquelle(n) bzw. Gleichstrom-Verbraucher angeschlossenen Schleifkontakten vorgesehen ist und weitere einen zweiten Kommutator bildenden Doppel-Paare von Kommutator-Schleifkontakten mit aufeinanderfolgend jeweils umgekehrter Polarität an die Gleichstromquelle(n) bzw. Gleichstrom-Verbraucher anschließbar vorgesehen sind.

Eine derartige Gleichstrom-Maschine (DE 197 21 215 Al) wurde vom Anmelder in weiterer Ausgestaltung einer älteren Gleichstrom-Maschine (DE 196 20 291 C2) entwickelt. Bei den bekannten Gleichstrom-Maschinen sind die als parallel zur Rotor-Drehachse federnd angedrückte Kohlenbürsten ausgebildeten Schleifkontakte in gegenüberliegenden stirnseitigen . Gehäusedeckeln angeordnet und werden an die stirnwandzugewandten Stirnkanten der radialen Abschnitte der die Wicklung der Elektromagnet-Bauelemente bildenden Leiterstreifen, welche also insgesamt die beiden Kommutatoren bilden, angedrückt.

In Versuchen hat sich gezeigt, daß diese Ausgestaltung der bekannten Gleichstrom-Maschine die angestrebten Vorteile gegenüber der älteren Gleichstrom-Maschine erbringt. Allerdings ist ihr Aufbau durch die Ausbildung der beiden Kommutatoren auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors und die achsparallele Anordnung der als Kohlebürsten ausgebildeten Schleifkontakte aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Gleichstrom-Maschine so weiterzubilden, daß sie bei vereinfachtem Aufbau eine noch höhere Leistung erbringt. 5

Ausgehend von einer Gleichstrom-Maschine der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste und der zweite Kommutator in Axialrichtung zum Rotor und axial zueinander versetzt auf der Rotor-Welle derart angeordnet sind, daß ihre, den Schleifkontakten zugeordneten Kontaktflächen jeweils radial nach außen weisend auf zylindrischen Hüllflächen nebeneinander liegen, und daß die in Axialrichtung gemessene Breite der Schleifkontakte so gewählt ist, daß sie gleichzeitig auf den in Axialrichtung benachbarten Kontaktflächen der beiden Kommutatoren angedrückt sind. Anstelle gesonderter Schleifkontakte für jeden der beiden Kommutatoren werden hier für die beiden Kommutatoren also aufgrund ihrer Breite gemeinsam verwendbare Schleifkontakte vorgesehen, d.h. die Anzahl der (verbreiterten) Schleifkontakte wird also halbiert.

Dabei erfolgt die Ausgestaltung vorzugsweise so, daß die Kontaktflächen der beiden Kommutatoren jeweils an in Umfangsrichtung des Rotors zueinander versetzte Spulenwick-, lungen der Elektromagnet-Bauelemente des Rotors angeschlossen sind. Über jeden Schleifkontakt wird also gleichzeitig zwei in Umfangsrichtung zueinander versetzten Gruppen von Elektromagnet-Bauelementen Gleichstrom zu- bzw. abgeführt.

Die Versetzung der Kontaktflächen der Kontaktelemente der beiden Kommutatoren ist dabei in Umfangsrichtung wenigstens um das Maß des Winkelabstands zwischen zwei in Umfangsrichtung im Gehäuse aufeinanderfolgenden Permanentmagneten gewählt.

Die beiden Kommutatoren sind dabei zweckmäßig außerhalb der Stirnflächen des den Rotor lagernden Gehäuses auf der Ro-

torwelle angeordnet. Dadurch ist es möglich, den magnetischen und elektromagnetischen Teil des Motors gegen die Kommutatoren abzuschirmen und so negative Einflüsse von elektromagnetischen Feldern im Bereich der Kommutatoren zu vermeiden.

Bei der Anordnung der Kommutatoren stirnwandseitig außerhalb des Gehäuses empfiehlt es sich, dann die beiden Kommutatoren in einer gesonderten stirnwandseitig auf dem Gehäuse vorgesehenen Abdeckung anzuordnen, wobei auch die Halterung für die Schleifkontakte dann in bzw. an der Abdeckung vorgesehen werden können. Die Kommutatoren und Schleifkontakte werden so gegen Umgebungseinflüsse geschützt und sind andererseits für Wartungszwecke leicht zugänglich.

Falls erforderlich, kann der durch die Abdeckung und die zugeordnete Stirnwand des im Gehäuse gebildeten Raum auch durch Anbringung geeigneter Belüftungsöffnung in der Abdekkung auch belüftet werden, wodurch Abrieb der Schleifkontakte (Kohlebürsten) und/oder der Kommutator-Kontaktflächen abgeführt werden können. Außerdem ist eine Kühlwirkung erzielbar, die durch Ausbildung des Nabenbereichs der Kommutatoren als Gebläseräder oder durch ein zusätzliches Gebläserad innerhalb der Abdeckung so ausbildbar ist, daß innerhalb der Abdeckung die für die Kommutatorfunktion optimalen Temperaturen herrschen.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen Längsmittelschnitt durch eine schematisiert dargestellte erfindungs-5 gemäße Gleichstrom-Maschine; und

Fig. 2 eine Ansicht auf die kommutatorseitige Stirnseite der Gleichstrom-Maschine bei abgenommener Abdeckung, gesehen in Richtung des Pfeils 2 in Fig. 1.

In den Zeichnungsfiguren ist ein in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnetes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleichstrom-Maschine in schematischer Darstellung gezeigt, welche als Motor und als Generator einsetzbar ist. Die Maschine 10 weist ein im speziellen Fall in Axialrichtung relativ kurz bauendes Gehäuse 12 auf, welches sich aus zwei scheibenartigen Gehäuse-Stirnwänden 14a, 14b relativ großen Durchmessers und der praktisch zu einem zylindrischen Ring relativ geringer Lange umgestalteten eigentlichen Gehäuse-Umfangswand 16 zusammensetzt. Gehäuse-Stirnwände 14a, 14b und Gehäuse-Umfangswand 16 sind durch - nicht gezeigte Gehäuse oder andere Befestigungsmittel demontierbar miteinander verbunden.

In den Stirnwänden 14a, 14b sind jeweils mittig Durchgangsöffnungen 15a, 15b vorgesehen, welche in ihrem gehäuseinneren Bereich zu im Durchmesser vergrößerten Lageraufnahmen 20 für Radiallager 22 ausgestaltet sind, in denen ein die Durchgangsöffnungen 15a, 15b durchsetzende Welle 24 drehbar gelagert ist. Diese Welle 24 trägt den drehfest auf ihr gehalterten Rotor 26. Auf den inneren Stirnflächen der Gehäuse-Stirnwände 14a, 14b sind in gleichmäßigen Winkelabständen radial möglichst weit nach außen gesetzte Permanentmagneten 28 auf in bezug auf die Gehäuse-Mittelachse gleichen Radius angeordnet. So möge beispielsweise die Stirnwände 0 14a, 14b jeweils insgesamt zwölf Permanentmagneten 28 tragen, welche in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend jeweils entgegengesetzte Polarität haben.

Der Rotor 26 weist eine Vielzahl von zunächst als gesonderte Einzelbauteile hergestellten Elektromagnet-Bauelementen 3 0 auf, von denen jedes einen als Scheibe aus weichmag-

• ·

netischem Material ausgebildeten Spulenkern 32 aufweist, über welchen eine Spulenwicklung mit mehreren Windungen eines Metall-Drahts gewickelt sind, der zweckmäßig aus einer elektrisch hochleitfähigen Kupferlegierung hergestellt ist. Der Metall-Draht ist in den die Wicklung auf dem Spulenkern bildenden Bereich in üblicher Weise - z.B. durch eine nicht leitende Lackierung - gegen den Spulenkern und benachbarte Bauelemente 30 isoliert. Der Spulenkern seinerseits ist zur weitgehenden Unterdrückung von Wirbelströmen aus gegeneinander isolierten und gepackten Transformatorblechen aufgebaut. Die nicht gezeigten Enden des die Spulenwicklung 34 bildenden Metall-Drahts jedes Elektromagnet-Bauelements 30 sind radial nach innen in Richtung zur Welle geführt und - in nicht gezeigter Weise - durch einen die Elektromagnet-Bauelemente halternden Nabenträger 3 8 zu zwei in Fig. 1 auf dem linken, aus der Stirnwand 14b herausgeführten Ende der Welle 24 axial benachbart angeordneten Kommutatoren 18a, 18b geführt. Die Halterung der Elektromagnet-Bauelemente 30 am Nabenträger erfolgt im dargestellten Fall durch einerseits die Bauelemente 30 auf gegenüberliegenden Seiten halternden Ringscheiben 3 6 aus elektrisch nicht leitendem Material, welche in geeigneter Weise am Nabenträger 3 8 befestigt sind.

Die Kommutatoren 18a, 18b werden von einer der Anzahl der Enden der die Spulenwicklung 34 bildenden Metall-Drähte entsprechenden Anzahl von in Umfangsrichtung aufeinander folgenden elektrisch voneinander isolierten Kontaktelementen 4 0 gebildet, die konzentrisch zur Welle 24 angeordnet 0 sind, und deren radial äußere, auf einer gemeinsamen zylindrischen Hüllfläche liegenden Begrenzungsflächen Kontaktflächen 44 für Schleifkontakte 42, 50 bilden, an denen eine in den Zeichnungen nicht dargestellte Gleichstromquelle bzw. ein Gleichstrom-Verbraucher angeschlossen ist. Die Schleifkontakte 42, 50 werden im speziellen Fall in an sich bekannter Weise von elektrisch leitenden Kohlebürsten gebildet, die - in der in Fig. 2 veranschaulichten Weise - in

Radialrichtung verschieblich in Halterungen 46 angeordnet sind, welche auf der Außenseite der Stirnwand 14b des Gehäuses 12 befestigt sein mögen. Durch unter Druckvorspannung stehende Federn 48 werden die Kohlebürsten in Anlage an die Kontaktflächen 44 gedrückt. Die Kontaktelemente 40 sind in jeweils nicht gezeigter Weise mit jeweils einem Endabschnitt des die Spulenwicklung 34 des zugeordneten Elektromagnet-Bauelements 30 bildenden Metall-Drahts verbunden, wobei in Umfangsrichtung zueinander versetzt Gruppen von Elektromagnet-Bauelementen jeweils abwechselnd an die Kommutatoren 18a bzw. 18b angeschlossen sind.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die in Axialrichtung gemessene Breite der die Schleifkontakte 42, 50 bildenden Kohlebürsten so gewählt ist, daß jede Kohlebürste gleichzeitig auf zugeordneten Kontaktflächen 44 benachbarter Kontaktelemente 40 der beiden Kommutatoren 18a, 18b aufgedrückt ist. Durch eine Winkelversetzung der Kommutatoren 18a, 18b in Umfangsrichtung ist es so möglich, mit jeweils einem Schleifkontakt bzw. einer Kohlebürste zwei in Umfangsrichtung zueinander versetzten Gruppen von Elektromagnet-Bauelementen elektrisch mit der Gleichstromquelle bzw. einem Gleichstrom-Verbraucher zu verbinden. Dadurch ist es möglich, die Zahl der Schleifkontakte gegenüber einer Konstruktion, bei welcher jedem Kommutator gesonderte Schleifkontakte zugeordnet sind, zu halbieren. Das vorstehend erläuterte Konzept der Verringerung der Anzahl von Schleifkontakten ist im Rahmen des Erfindungsgedankens noch dadurch weiter ausbaubar, daß zu den beiden Kommutatoren 18a, 0 18b ein dritter Kommutator hinzugefügt wird, dessen Kontaktelemente wiederum in Umfangsrichtung zu den beiden ersten Kommutatoren versetzt elektrisch an Gruppen von Elektromagnet-Bauelementen 3 0 angeschlossen sind. In diesem Fall ist dann ein in Axialrichtung weiter verbreiterter Schleifkontakt (Kohlebürste) gleichzeitig an den Kontaktflächen der Kontaktelemente von allen drei Kommutatoren an-

gedrückt. Die Anzahl der erforderlichen Schleifkontakte
verringert sich somit auf ein Drittel.

Die auf dem aus der Stirnwand 14b des Gehäuses herausgeführten
Ende der Welle 24 angeordneten Kommutatoren 18a;

18b werden zweckmäßig durch eine in Fig. 1 nur schematisch
angedeutete Abdeckung 52 abgedeckt, welche die gesamte Kommutatoranordnung in einem zwischen der Abdeckung 52 und der äußeren Stirnfläche der Stirnwand 14b gebildeten Raum ein-

schließt. Um Zugang zur Kommutatoranordnung zu ermöglichen, wenn beispielsweise Kohlebürsten 42 oder 50' infolge Verschleißes
ausgetauscht werden müssen, wird die Abdeckung 52 zweckmäßig leicht lösbar an der Stirnwand 14b befestigbar
ausgebildet.

Wenn die Kommutatoranordnung zum Zweck der Kühlung oder
auch des Ausblasens von Abrieb belüftet werden soll, können in der Abdeckung auch entsprechende (nicht gezeigte) Belüftungsöffnungen vorgesehen sein, wobei durch in der Zeich-

nung ebenfalls nicht gezeigte weitere Maßnahmen, beispielsweise die Anordnung eines sich mit der Welle 24 drehenden
Lüfterrades in der Abdeckung auch eine Zwangsbelüftung verwirklichbar ist.

Claims

1. Elektrische Gleichstrom-Maschine (10) mit einem in einem Gehäuse (12) drehbar gelagerten Rotor (26), der eine Vielzahl von mit Abstand von der Drehachse angeordneten Elektromagneten mit jeweils einer Spulenwicklung (34) auf einem einen oder mehrere elektrische(n) Leiter tragenden Spulenkern (32) aufweist, wobei die Enden der die Spule bildenden elektrischen Leiter mit jeweils zugeordneten, insgesamt zusammengenommen einen ersten Kommutator (18a) bildenden Kontaktelmenten mit jeweils einer Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden sind, auf denen an wenigstens eine Gleichstromquelle bzw. wenigstens einen Gleichstrom-Verbraucher anschließbare Schleifkontakte angedrückt sind, und mit in gleichmäßigen Winkelabständen auf der Innenseite der Gehäuse-Stirnwände (14a, 14b) angeordneten, den Stirnflächen der Spulenkerne (32) gegenüberstehenden Polflächen von Permanentmagneten (28) mit in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend jeweils entgegengesetzter Polarität, wobei jeder Spulenkern (32) mit der zugehörigen Spulenwicklung ein gesondert hergestelltes Elektromagnet-Bauelement (30) bildet, welche in einem mit der Welle (24) des Rotors (26) drehfest verbundenen Nabenträger (38) gehaltert sind, die Polflächen der Permanentmagnete (28) in Umfangsrichtung eine jeweils mehrere gegenüberliegende Spulenkerne (32) überdeckende Erstreckung aufweisen, und die beiden jeweils einem radial außen liegenden Permanentmagneten (28) zugeordneten Schleifkontakte des Kommutators sich in Umfangsrichtung soweit erstrecken, daß sie die Kontaktflächen von jeweils etwa der Hälfte der einer Polfläche eines Permanentmagneten zugeordneten Kontaktelemente überdecken und wobei jeweils auf ein Paar von an die Gleichstromquelle bzw. den Gleichstrom-Verbraucher angeschlossenen Schleifkontakten (42) in Umfangsrichtung versetzt ein weiteres Paar von in umgekehrter Polarität an die Gleichstromquelle(n) bzw. Gleichstrom- Verbraucher angeschlossenen Schleifkontakten (50) vorgesehen ist und weitere einen zweiten Kommutator (18b) bildenden Doppel-Paare von Kommutator-Schleifkontakten (42; 50) mit aufeinanderfolgend jeweils umgekehrter Polarität an die Gleichstromquelle(n) bzw. Gleichstrom-Verbraucher anschließbar vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kommutator (18a; 18b) in Axialrichtung zum Rotor (26) und axial zueinander versetzt auf der Rotor-Welle (24) derart angeordnet sind, daß ihre, den Schleifkontakten (42; 50) zugeordneten Kontaktflächen (44) jeweils radial nach außen weisend auf zylindrischen Hüllflächen nebeneinander liegen und daß die in Axialrichtung gemessene Breite der Schleifkontakte (42; 50) so gewählt ist, daß sie gleichzeitig auf den in Axialrichtung benachbarten Kontaktflächen der beiden Kommutatoren (18a; 18b) angedrückt sind.

2. Gleichstrom-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (44) der beiden Kommutatoren (18a; 18b) jeweils an in Umfangsrichtung des Rotors (26) zueinander versetzte Spulenwicklungen (34) der Elektromagnet-Bauelemente (30) des Rotors (26) angeschlossen sind.

3. Gleichstrom-Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versetzung der Kontaktflächen (44) der Kontaktelemente (40) der beiden Kommutatoren (18a; 18b) in Umfangsrichtung um wenigstens das Maß des Winkelabstands zwischen zwei in Umfangsrichtung im Gehäuse aufeinander folgenden Permanentmagneten (28) gewählt ist.

4. Gleichstrom-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kommutatoren (18a; 18b) außerhalb der Stirnwände (14a; 14b) des den Rotor (26) lagernden Gehäuse (12) auf der Rotorwelle (24) angeordnet sind.

5. Gleichstrom-Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kommutatoren (18a; 18b) in einer gesonderten, stirnwandseitig auf dem Gehäuse (12) vorgesehenen Abdeckung (52) angeordnet sind.

6. Gleichstrom-Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen (46) für die Schleifkontakte (42; 50) in bzw. an der gesonderten Abdeckung (52) vorgesehen sind.